發電廠汽輪發電機定子接地故障研究

陳 穎

湖北華電襄陽發電有限公司

發電廠汽輪發電機定子接地故障研究

陳 穎

湖北華電襄陽發電有限公司

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

發電廠；汽輪發電機；定子接地故障；處理

前言

發電廠汽輪發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，發電機運行時，定子機座承受著發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的磁場作用。其呈現出橢圓振型，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的定子繞組接地事故較易發生。

1 發電機定子接地故障的危害性

發電機定子繞組對地(鐵芯)絕緣的損壞就可能會發生單相接地故障，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電機的危害主要表現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，修復工作較簡單，停機時間也較短；一旦燒及鐵芯，由于大型發電機組定子鐵芯結構復雜，修復困難，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該避免的，為此應設法減小定子繞組單相接地電流If，同時縮短故障的持續時間。

定子繞組絕緣一點損壞(單相接地)時故障電流僅數安或數十安，故障處電弧時斷時續，將產生間歇性弧光過電壓，由此而引發多點絕緣損壞，輕微的單相接地故障擴展為災難性的相間或匝間短路，這也是必須避免發生的。

2 發電機定子繞組接地原因分析

發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，絕緣介質損耗因數tanδ小且穩定，具有一定的去游離電壓、絕緣壽命應保證在25~30a。造成發電機定子接地的原因主要有發電機內部因素的原因及外部因素的原因。以下統計了常見的幾點發電機定子繞組可能造成接地故障的原因。

2.1 定子繞組發生接地故障的內部原因

(1)定子繞組的絕緣材料、銅導體和定子鐵芯由于膨脹系數不同，在繞組加熱和冷卻過程中，不可避免地產生較大的機械應力。長時間作用使得絕緣失去彈性而產生裂紋，甚至在運行電壓下絕緣擊穿。另外，發電機絕緣在工作溫度下、浸漬漆和粘合劑不應融化流出，否則將導致絕緣迅速老化。(2)發電機絕緣在制造過程中和運行時受到各種機械力的作用，尤其在高速運轉時受到的機械應力更大，受到的機械應力及危害分析如下：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體受到的力。另外，在額定電流下，汽輪發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，該力達到數百噸。上述交變電動力作用結果，將使絕緣斷裂或磨損，在運行中可能使絕緣擊穿。(3)發電機運行產生電暈放電時，又有臭氧和各種氧化氮產生，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，發電機絕緣應防止產生電暈放電并采用防電暈材料。(4)發電機內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 定子繞組發生接地故障的外部原因：

運行中的發電機定子接地時，發變組保護裝置會發出“定子接地”報警信號，發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電機定子接地，例如：(1)發電機漏水及冷卻水導電率嚴重超標時會引起接地報警。(2)與發電機定子繞組相連的一次部分設備上發生單相接地時引起接地故障。如發電機出線主封母支持絕緣子受潮絕緣下降、主變低壓側升高座內因橡膠密封升縮套破裂滲水導致升高座內積水瓷瓶絕緣下降。(3)發電機電壓互感器開口三角形繞組的高壓側熔斷器熔斷，開口三角電壓線松動、接觸不良，電壓互感器開口三角側一次插頭或二次插頭接觸不良等，也會造成發電機定子接地報警，這種不是由于真正接地而引起保護報警的現象通常稱為“假接地”。(4)發電機風道及繞組上的污垢和塵土造成散熱條件臟污，引起風道堵塞、繞組過熱，導致發電機溫升過高、過快，使繞組絕緣迅速惡化。(5)發電機冷卻器進水管堵塞，造成冷卻水供應不足，繞組過熱、絕緣受損。(6)發電機長期過負荷運行。(7)在發電機烘干驅潮時，溫度過高。

3 故障現場排查、分析判斷及事故處理

當發電機定子繞組及其一次回路發生一相接地時，接地點將流過對地電容電流。該電容電流可能產生電弧，如果電弧是持續性的，同時又發生在發電機內部，就可能損壞發電機定子鐵芯，鐵芯的損壞程度與此時對地電容電流的大小有關。發電機運行中保護裝置發出“定子接地”報警信號后，運行人員應立即測量發電機相關二次電壓并通知檢修人員立即到發變組保護屏、PT二次端子箱等地分別測量發電機二次電壓，進行分析，以判斷發電機定子是否真正發生接地故障。

當定子繞組回路發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電機出口一相非金屬性接地以及主變低壓繞組內部接地時，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#發變組發出發電機定子接地保護動作信號及外部保護連跳信號，隨即2#發電機與系統解列。經檢查，2#發電機跳機前發電機定子線棒溫度、進出水溫度、發電機內冷水出水溫度及壓力、發電機內氫壓等運行參數正常，無明顯發展過程。但從發電機端部振動在線監測裝置所測的27#槽振動值來看，2#發電機跳機前，國標要求關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。經過對2#發電機故障后檢查主絕緣、直流電阻值發現，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。拆開發電機勵端內外端蓋，發現定子繞組勵端11點鐘方向第27 槽上層線棒的水電接線盒燒毀，線棒的空心導線已被溶解的銅質堵塞，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，相關專家和生產廠技術人員迅速前往現場進行處理。

4.2 解決方案及處理方法

經現場檢查，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，并且根據分析討論，需拆除機組全部定子繞組及端部結構件。

(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、試驗。更換燒毀的水電連接盒并檢查全部發電機線棒，對所有線棒進行耐壓試驗(執行標準JB /T 6204—2002)與繞組冷態直流電阻值測試試驗，經檢驗合格的線棒可以繼續使用。

(5)回裝定子下層線棒，端部綁扎，并預裝層間適形脹管。

(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、拉緊楔等端部結構件的安裝配做。

(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)定子端部安裝綁環及內撐環。

(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。

經過及時處理，解決了電機定子接地故障。

5 結束語

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

[1]朱文鑫.發電廠汽輪發電機定子接地故障分析及檢查處理對策[J].企業技術開發，2016，03：100-101.

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

[3]樓國才，王立大.發電機定子接地故障處理和分析[J].電力建設，2010，03：99-101.