發(fā)電廠汽輪發(fā)電機定子接地故障研究

陳 穎

湖北華電襄陽發(fā)電有限公司

發(fā)電廠汽輪發(fā)電機定子接地故障研究

陳 穎

湖北華電襄陽發(fā)電有限公司

本文從發(fā)電機定子接地故障的危害性出發(fā)，分析了發(fā)電機定子繞組接地原因，對故障現(xiàn)場排查、分析判斷及事故處理進行了探討，并結(jié)合實際案例予以說明。

發(fā)電廠；汽輪發(fā)電機；定子接地故障；處理

前言

發(fā)電廠汽輪發(fā)電機定子主要由定子機座、定子鐵心、定子繞組以及冷卻器、出線盒等部分組成，發(fā)電機運行時，定子機座承受著發(fā)電機整體的重量以及巨大的力矩作用，同時，定子繞組由于高電壓高電流以及不停旋轉(zhuǎn)的磁場作用。其呈現(xiàn)出橢圓振型，尤其是定子繞組端部承受著巨大的力矩作用，故由于定子繞組端部引發(fā)的定子繞組接地事故較易發(fā)生。

1 發(fā)電機定子接地故障的危害性

發(fā)電機定子繞組對地(鐵芯)絕緣的損壞就可能會發(fā)生單相接地故障，這是定子繞組最常見的電氣故障。定子繞組單相接地故障對發(fā)電機的危害主要表現(xiàn)在定子鐵芯的燒傷和接地故障擴大為相間或匝間短路。

鐵芯燒傷由故障點電流If和故障持續(xù)時間t決定，If2越大，鐵芯損傷越嚴重。對于沒有傷及鐵芯的定子繞組絕緣損壞，修復(fù)工作較簡單，停機時間也較短；一旦燒及鐵芯，由于大型發(fā)電機組定子鐵芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)困難，停機時間就較長，如果說定子繞組絕緣損壞和單相接地故障是難免的，但由此而殃及定子鐵芯則是完全應(yīng)該避免的，為此應(yīng)設(shè)法減小定子繞組單相接地電流If，同時縮短故障的持續(xù)時間。

定子繞組絕緣一點損壞(單相接地)時故障電流僅數(shù)安或數(shù)十安，故障處電弧時斷時續(xù)，將產(chǎn)生間歇性弧光過電壓，由此而引發(fā)多點絕緣損壞，輕微的單相接地故障擴展為災(zāi)難性的相間或匝間短路，這也是必須避免發(fā)生的。

2 發(fā)電機定子繞組接地原因分析

發(fā)電機絕緣有較高的耐電壓強度，并能承受一定過電壓的性能，在工作電壓和工作溫度下，絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ小且穩(wěn)定，具有一定的去游離電壓、絕緣壽命應(yīng)保證在25~30a。造成發(fā)電機定子接地的原因主要有發(fā)電機內(nèi)部因素的原因及外部因素的原因。以下統(tǒng)計了常見的幾點發(fā)電機定子繞組可能造成接地故障的原因。

2.1 定子繞組發(fā)生接地故障的內(nèi)部原因

(1)定子繞組的絕緣材料、銅導(dǎo)體和定子鐵芯由于膨脹系數(shù)不同，在繞組加熱和冷卻過程中，不可避免地產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力。長時間作用使得絕緣失去彈性而產(chǎn)生裂紋，甚至在運行電壓下絕緣擊穿。另外，發(fā)電機絕緣在工作溫度下、浸漬漆和粘合劑不應(yīng)融化流出，否則將導(dǎo)致絕緣迅速老化。(2)發(fā)電機絕緣在制造過程中和運行時受到各種機械力的作用，尤其在高速運轉(zhuǎn)時受到的機械應(yīng)力更大，受到的機械應(yīng)力及危害分析如下：其一，端部線圈在運行時和突然短路時，產(chǎn)生電動力使端部線圈固定松動，長時間作用磨壞絕緣。其二，幅向交變電動力，是定子繞組的橫向磁通使導(dǎo)體受到的力。另外，在額定電流下，汽輪發(fā)電機單根線棒上也會受到幾百公斤力的作用，并以每秒100次的頻率打擊著絕緣，在短路時，該力達到數(shù)百噸。上述交變電動力作用結(jié)果，將使絕緣斷裂或磨損，在運行中可能使絕緣擊穿。(3)發(fā)電機運行產(chǎn)生電暈放電時，又有臭氧和各種氧化氮產(chǎn)生，前者是強烈的氧化劑，侵蝕有機絕緣材料；后者和水形成硝酸或亞硝酸，腐蝕金屬材料，使纖維材料變脆。所以，發(fā)電機絕緣應(yīng)防止產(chǎn)生電暈放電并采用防電暈材料。(4)發(fā)電機內(nèi)定子繞組絕緣被異物磨損或老化等造成絕緣水平下降時，可能造成定子接地故障。

2.2 定子繞組發(fā)生接地故障的外部原因：

運行中的發(fā)電機定子接地時，發(fā)變組保護裝置會發(fā)出“定子接地”報警信號，發(fā)電機出線采用封閉母線后，由外界因素引起接地的幾率大大減少了，但是其他一些因素也會造成發(fā)電機定子接地，例如：(1)發(fā)電機漏水及冷卻水導(dǎo)電率嚴重超標時會引起接地報警。(2)與發(fā)電機定子繞組相連的一次部分設(shè)備上發(fā)生單相接地時引起接地故障。如發(fā)電機出線主封母支持絕緣子受潮絕緣下降、主變低壓側(cè)升高座內(nèi)因橡膠密封升縮套破裂滲水導(dǎo)致升高座內(nèi)積水瓷瓶絕緣下降。(3)發(fā)電機電壓互感器開口三角形繞組的高壓側(cè)熔斷器熔斷，開口三角電壓線松動、接觸不良，電壓互感器開口三角側(cè)一次插頭或二次插頭接觸不良等，也會造成發(fā)電機定子接地報警，這種不是由于真正接地而引起保護報警的現(xiàn)象通常稱為“假接地”。(4)發(fā)電機風(fēng)道及繞組上的污垢和塵土造成散熱條件臟污，引起風(fēng)道堵塞、繞組過熱，導(dǎo)致發(fā)電機溫升過高、過快，使繞組絕緣迅速惡化。(5)發(fā)電機冷卻器進水管堵塞，造成冷卻水供應(yīng)不足，繞組過熱、絕緣受損。(6)發(fā)電機長期過負荷運行。(7)在發(fā)電機烘干驅(qū)潮時，溫度過高。

3 故障現(xiàn)場排查、分析判斷及事故處理

當發(fā)電機定子繞組及其一次回路發(fā)生一相接地時，接地點將流過對地電容電流。該電容電流可能產(chǎn)生電弧，如果電弧是持續(xù)性的，同時又發(fā)生在發(fā)電機內(nèi)部，就可能損壞發(fā)電機定子鐵芯，鐵芯的損壞程度與此時對地電容電流的大小有關(guān)。發(fā)電機運行中保護裝置發(fā)出“定子接地”報警信號后，運行人員應(yīng)立即測量發(fā)電機相關(guān)二次電壓并通知檢修人員立即到發(fā)變組保護屏、PT二次端子箱等地分別測量發(fā)電機二次電壓，進行分析，以判斷發(fā)電機定子是否真正發(fā)生接地故障。

當定子繞組回路發(fā)生一相金屬性接地時，接地相對地電壓為零，非接地相電壓升高至線電壓，各線電壓不變且平衡。如果接地點在定子繞組中的某一部分或者是發(fā)電機出口一相非金屬性接地以及主變低壓繞組內(nèi)部接地時，接地相對地電壓不會降至零，不接地相對地電壓雖然升高，但也低于線電壓，出口PT開口三角側(cè)電壓也小于100V，接地電阻越大或越靠近中性點，其值越小。

當出口PT高壓保險熔斷一相或兩相時，其開口三角繞組的電壓也要上升，可能發(fā)出接地報警信號。例如：A相高壓保險熔斷，定子電壓的UCA、UAB降低，UBC不變，仍為線電壓，UB0、UC0仍接近相電壓，UA0則明顯降低，開口三角側(cè)電壓電壓接近100/3V，此種情況即為假接地。

判斷真假接地的關(guān)鍵在于：真接地時，接地相對地電壓降低，而非接地相對地電壓升高，且線電壓彼此平衡。假接地時，不會有相對地電壓升高的現(xiàn)象，線電壓也不平衡。

4 案例分析

4.1 故障概況

2014 年我國南部某電廠2#發(fā)變組發(fā)出發(fā)電機定子接地保護動作信號及外部保護連跳信號，隨即2#發(fā)電機與系統(tǒng)解列。經(jīng)檢查，2#發(fā)電機跳機前發(fā)電機定子線棒溫度、進出水溫度、發(fā)電機內(nèi)冷水出水溫度及壓力、發(fā)電機內(nèi)氫壓等運行參數(shù)正常，無明顯發(fā)展過程。但從發(fā)電機端部振動在線監(jiān)測裝置所測的27#槽振動值來看，2#發(fā)電機跳機前，國標要求關(guān)注的倍頻振動幅值最高值在130μm 左右且變化趨勢較平緩，遠低于國標要求的250μm，但工頻振動幅值在跳機前一個小時內(nèi)最高點達到了500μm，通頻更是在當天較長一段時間維持在了1000μm。經(jīng)過對2#發(fā)電機故障后檢查主絕緣、直流電阻值發(fā)現(xiàn)，B 相直流電阻與上一次檢修測量值比較變大102%，而A相、C 相直流電阻無異常。拆開發(fā)電機勵端內(nèi)外端蓋，發(fā)現(xiàn)定子繞組勵端11點鐘方向第27 槽上層線棒的水電接線盒燒毀，線棒的空心導(dǎo)線已被溶解的銅質(zhì)堵塞，相鄰線棒的手包絕緣被熏黑。由于電廠不具備處理故障和計算分析的能力，相關(guān)專家和生產(chǎn)廠技術(shù)人員迅速前往現(xiàn)場進行處理。

4.2 解決方案及處理方法

經(jīng)現(xiàn)場檢查，專家組制定了以下的解決方案，并及時進行了處理。

(1)拆定子鼻端絕緣，氣焊拆上下層連接股線。由于損壞的是下層線棒水盒，并且根據(jù)分析討論，需拆除機組全部定子繞組及端部結(jié)構(gòu)件。

(2)退定子槽楔、拆上層線棒。

(3)拆除定子槽部層間適形材料、拆下層線棒。

(4)定子線棒清理、修復(fù)、試驗。更換燒毀的水電連接盒并檢查全部發(fā)電機線棒，對所有線棒進行耐壓試驗(執(zhí)行標準JB /T 6204—2002)與繞組冷態(tài)直流電阻值測試試驗，經(jīng)檢驗合格的線棒可以繼續(xù)使用。

(5)回裝定子下層線棒，端部綁扎，并預(yù)裝層間適形脹管。

(6)回裝定子上層線棒，端部綁扎，并完成相間綁扎。

(7)完成定子端部鞍塊、拉緊楔等端部結(jié)構(gòu)件的安裝配做。

(8)定子端部充膠加熱，固化冷卻。

(9)安裝定子線棒鼻端連接股線，焊鼻端連接股線及探傷。

(10)安裝定子端部絕緣引水管，進行定子水路水壓試驗(執(zhí)行標準JB /T 6228—2005)及熱水流試驗。

(11)定子鼻端包絕緣。

(12)定子端部安裝綁環(huán)及內(nèi)撐環(huán)。

(13)定子槽部打槽楔。

(14)定子鐵損試驗、驗收試驗。

(15)定子端部清理噴漆。

經(jīng)過及時處理，解決了電機定子接地故障。

5 結(jié)束語

總而言之，發(fā)電機作為發(fā)電廠的主要設(shè)備，在日常生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，其健康運行與否直接關(guān)系到發(fā)電廠能否經(jīng)濟運行，因此，對發(fā)電機定子接地故障進行查找及處理有著非常重要的意義。

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[2]陳熙平，馬金濤，季杰，張偉，張杰，薛麗麗，吳丹.一起大型發(fā)電機定子接地事故分析及處理[J].水電能源科學(xué)，2014，09：167-170.

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