水輪發電機轉子一點接地故障分析及處理

劉 俠，劉貞超，黃 焱

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水輪發電機轉子一點接地故障分析及處理

劉 俠，劉貞超，黃 焱

（雅礱江流域水電開發有限公司錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000）

本文對某大型水輪發電機轉子一點接地故障進行了分析和查找，發現了勵磁變壓器低壓側單相接地會引起轉子接地保護動作，同時還發現如果勵磁變低壓側為△接線且勵磁整流電路采用6脈動橋式全控整流電路，勵磁電流和電壓的變化以及勵磁變差動保護動作與勵磁變低壓側單相接地沒有必然聯系。本文通過此次轉子一點接地的處理，得出以下結論，當發電機在空轉狀態下轉子接地保護正常而加勵磁后接地保護動作，且接地故障位置計算值在50%左右時，應該同時考慮勵磁繞組50%位置是否接地以及勵磁變低壓側單相接地的可能，而且不能僅從勵磁電流和電壓未變化或勵磁變差動保護未動作來判斷勵磁變低壓側沒有接地。本文得出的結論對同類型故障的處理有重要的參考價值和現場依據。目前尚未見到針對勵磁變低壓側單相接地對轉子保護動作影響的相關文獻。根據此文結論，在實際應用中，可以避免在故障查找過程中被保護裝置故障定位數據所誤導，從而提高轉子一點接地故障處理的效率和準確性。

水輪發電機；轉子；勵磁變低壓側；一點接地；故障定位

0 前言

某大型水力發電站有8臺600MW 機組，發電機部分由天津阿爾斯通公司制造。勵磁系統由磁極、集電環、轉子引線、勵磁電纜等組成，其中磁極有正負極性2種類型，共36個。集電環外圓加工成螺旋溝槽，正負極滑環單元分布采用分半布置。轉子引線沿轉子支架斜立筋，通過轉子中心體，沿頂軸內腔到轉子集電環。勵磁電纜通過電纜橋架，一端接集電環，另一端接勵磁直流開關。

由于勵磁回路的復雜性，發生一點接地故障后，需要排查的點有很多。針對目前大部分轉子一點接地的分析和查找均為轉子本體和勵磁直流回路，本文給出了勵磁變低壓側單相接地將導致轉子一點接地保護動作這一全新的思路，并進行了深刻的分析，能夠更加全面地排查轉子一點接地故障。目前尚未見到針對勵磁變低壓側單相接地對轉子保護動作影響的相關文獻[4-10]。

1 故障現象

2015年3月20日17:00:22，計算機監控系統報“1號機組注入式轉子一點接地報警、1號機組注入式轉子接地裝置報警”，注入式轉子接地測量裝置顯示電阻值在0~11.40KΩ之間跳變。經查詢CCS報文，在17:00:22至17:05:05期間，CCS上有多次注入式轉子一點接地保護報警信號，最長持續時間為17s，最短持續時間為3s，總共報警9次。現場人員將把手切換至乒乓式后，乒乓式轉子接地保護于2016年03月20日17:05:29出口跳閘，跳閘后檢查注入式及乒乓式保護裝置顯示電阻值均為300kΩ，接地位置為50%，接地電阻恢復正常。機組停運后，故障信號消失。

2 故障查找和處理過程

根據以往經驗，轉子一點接地故障的原因主要有以下三個：一是轉子磁極接地；二是轉子磁極外圍設備接地（包括集電環、勵磁引線、勵磁裝置、勵磁變壓器低壓側等）；三是保護裝置或保護回路異常[4-10, 14]。

停機后從勵磁盤柜測得集電環、勵磁引線和轉子磁極回路靜態絕緣電阻：=253MΩ；隨后檢查轉子磁極外圍設備并盤車檢查轉子磁極均未發現明顯的接地點，將滑環和勵磁引線的碳粉進行清潔后測得絕緣電阻：=1290MΩ，合格[3];為了排除轉子磁極動態接地的可能性，我們在退出保護裝置且不加勵磁的情況下讓發電機空轉進一步檢查，在轉速從0升至額定轉速的過程中，我們測量轉子的升速絕緣電阻=1290 MΩ，1號機組空轉運行正常[7]；同時檢查功率柜、直流開關柜、轉子絕緣監測裝置等設備均無異常，故障錄波裝置記錄的波形顯示故障前后勵磁電流、勵磁電壓均無明顯變化，勵磁差動保護未動作，從而判斷勵磁回路無異常；然后檢查保護裝置各試驗數據均正常，并對保護裝置進行動作試驗，動作均正常。綜上所述，初步判斷為保護回路異常而引起故障。

由于保護裝置報接地位置在50%處，再次檢查了17、18、19號三個磁極[8-10]，還是未發現明顯接地點，于是更加堅定地往保護回路故障的方向進行排查。首先檢查發電機大軸接地碳刷位置，防止因大軸接地碳刷緊固不牢、接觸不良或沾上油污等因素而造成誤報現象。我們測量大軸對地電阻值=0.23Ω，滿足要求。但同時發現，大軸表面刷了一層絕緣油漆且未干透，接地碳刷表面因為與大軸旋轉摩擦也附著有大量油漆，油漆會導致大軸接地電阻增大[2, 12]。

從注入式轉子接地保護的原理可知，如圖1所示，當大軸接地電阻增大為x時，保護裝置測量的轉子繞組接地電阻會存在誤差g’，對乒乓式轉子接地保護存在相同的影響。計算公式如下：

其中，Us為注入電源模塊，α為接地位置，Rm為測量回路電阻，Rc為注入大功率電阻，和分別為有無Rx時的測量回路電流。

因此懷疑接地碳刷與大軸間在旋轉時因絕緣油漆導致接觸不良，從而造成大軸對地電阻值不斷變化，導致保護裝置采樣偏差而頻繁報警。通過盤車測量大軸對地電阻x最大為3MΩ左右，遠遠超過保護裝置該阻值不大于1Ω的要求。為了確認這一原因，我們用脫漆劑和酒精對大軸和接地碳刷接觸的環面進行了徹底的清潔，并更換了新的接地碳刷，隨后再次盤車，測量大軸對地電阻在0.3Ω以內，滿足了保護裝置對接地電阻的要求。

隨后申請開機至空轉態進行檢查，此時注入式轉子接地保護電阻值為300kΩ，并未發現任何異常。當加勵磁轉至空載狀態后注入式轉子接地保護動作，測得故障相對位置仍為50%。通過這次開機試驗基本排除了保護裝置回路故障的可能。從故障發生節點可以看出，當機組空轉時，接地保護并未動作，而當加載勵磁之后，接地保護隨即動作。因此我們將故障原因轉向了勵磁系統部分，推翻了之前勵磁系統正常的結論[11]。我們先從勵磁變低壓側開始仔細排查，結果測得勵磁變低壓側絕緣電阻為0，進一步檢查發現勵磁變B相低壓側銅排有鐵絲掉落而導致勵磁變低壓側單相接地。由于該鐵絲是從柜頂通風孔逐漸滑落的，且勵磁變低壓側銅排刷有絕緣漆，因而造成勵磁變低壓側間歇性一點接地，這也驗證了保護裝置報間歇性接地故障的現象。將鐵絲清除并對勵磁變仔細檢查后，測量其絕緣電阻正常，檢查勵磁回路其他裝置亦無異常，隨后再次申請開機，空轉態時注入式轉子接地保護無報警信號。繼續加勵磁至空載態，注入式轉子接地保護電阻值為300kΩ，并未發現任何異常。至此，1號機轉子一點接地故障消除。

3 故障分析

經過理論分析，我們發現了勵磁變低壓側單相接地時勵磁差動保護未動作的原因。第一，由于本廠勵磁變低壓側為△接線，當發生一點接地時，故障電流僅有很小的電容電流，勵磁電流變化很小；第二，本電廠的勵磁整流電路采用6脈動橋式全控整流電路，在正常運行時，滅磁開關處于合閘狀態，整流輸出相當于直接與勵磁繞組相連，如圖2所示。

圖2 勵磁變低壓側B相接地故障示意圖

如果勵磁變低壓側B相金屬性接地，當晶閘管VT4導通時，相當于勵磁繞組負極接地，當晶閘管VT3導通時，相當于勵磁繞組正極接地；那么在1個工頻周期內，勵磁繞組的正極和負極各有1/2的時間接地，使得故障時勵磁電壓也不會發生變化[1]。基于以上兩點可以得出，勵磁電流和電壓未變化或勵磁變差動保護未動作并不能反應勵磁變低壓側單相接地故障。

從乒乓式保護原理分析，其保護原理等效電路圖如圖3所示，當S1合閘S2分閘時，勵磁電壓為u，回路電流為i1、i2，當S2合閘S1分閘時，勵磁電壓為u’，回路電流為i1’、i2’，可以得出接地相對位置計算公式為：

根據圖3所示電路計算，當勵磁變低壓側接地時，隨著晶閘管VT3和VT4的交叉導通，勵磁繞組在正極接地和負極接地兩種狀態之間變換。當勵磁電壓保持不變時，經過計算可以得到，i1’=i2，i1=i2’代入式（2）可得為50%，即勵磁變低壓側發生單相接地時，乒乓式保護的故障位置與大軸接地電阻無關，始終顯示為50%，與本次故障現場實際情況一致，同時也消除了故障相對位置與大軸接地電阻存在必然聯系的疑惑[13]。

至于發電機空轉（未加勵磁）時保護沒有動作而加勵磁后保護就動作，是因為當發電機處于空轉態（未加勵磁）時，注入式轉子接地保護并未動作的原因是整流模塊可控硅未打開，注入式轉子接地保護的方波電流無法注入。而當增加勵磁轉至空載態時，滅磁開關合閘，此時整流模塊可控硅導通，使注入式轉子接地保護方波電流形成導通回路，從而使注入式轉子接地保護的范圍從勵磁整流模塊延伸到了勵磁變低壓側。所以當勵磁變低壓側接地時，如果勵磁整流模塊可控硅打開（加勵磁），注入式轉子接地保護也會報轉子一點接地信號[11,15]。

4 結論

通過此次對轉子一點接地故障的查找及分析，我們得出以下結論：（1）勵磁電流和電壓未變化或勵磁變差動保護未動作不能反應勵磁變低壓側無單相接地故障；（2）當發電機在空轉狀態下轉子接地保護正常而加勵磁后接地保護動作，且勵磁繞組一點接地電阻計算值小于保護裝置定值，接地故障位置計算值在50%左右時，除了檢查勵磁繞組50%位置是否接地，還應考慮勵磁變低壓側單相接地的可能。

本文為轉子一點接地故障提供了新的思路，對同類型故障的判斷有重要的參考價值和現場依據，可以顯著提高轉子一點接地故障排查的效率。

[1] 陳俊, 王昀帆, 嚴偉. 勵磁變壓器低壓側單相接地故障在線識別方法[J]. 電力自動化設備, 2014.

[2] 鄭茂然, 吳崇昊. 電刷接觸不良對旋轉勵磁回路接地保護性能的影響[J]. 電力系統自動化, 2007.

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[7] 李富營. 水輪發電機轉子動態接地故障原因分析及處理[J]. 大電機技術, 2007.

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[11] 李華忠, 嚴偉. 直流起勵過程中絕緣監測系統對轉子接地保護的影響及對策[J]. 電力自動化設備, 2015.

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[13] 安寧, 丁愛飛, 吳曉林. 幾種特殊轉子接地故障分析及仿真[J]. 水電自動化與大壩監測, 2014.

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[15] 陸健, 柳海波. 轉子一點接地保護動作原因分析與故障查找[J]. 電子技術與軟件工程, 2015.

Analysis and Treatment of Rotor One Point Grounding Fault for Hydroelectric Generator

LIU Xia, LIU Zhenchao, HUANG Yan

(Yalong River Hydropower Development Co., Ltd., Xichang 615000, China)

This paper analyzed one point grounding fault of a large hydroelectric generator and located the grounding fault, and found that the single-phase grounding of the low voltage side of the excitation transformer will cause the rotor grounding protection action, and also found that if the low voltage side of excitation transformer is △connection and excitation rectifier circuit using 6 pulse rectifier circuit, the variation of excitation current and voltage and the operation of the excitation differential protection are not necessarily related to the single-phase grounding at the low voltage side of the excitation transformer. In this paper, through the rotor one point grounding treatment, the following conclusions are obtained, when the generator is in the idling state, the rotor ground protection is normal and the excitation grounding action is taken, and the calculation value of the grounding fault position is about 50%, it is necessary to consider whether the 50% position of the excitation winding is grounded or not and the possibility of single-phase grounding at the low voltage side of the excitation transformer at the same time, and even if the excitation current and voltage are not changed or the excitation differential protection is not operated, we can not to judge that the excitation transformer is not grounded at the low voltage side. The conclusions obtained in this paper have important reference value and field basis for the treatment of the same type of fault. According to the conclusion of this paper, in practical application, misleading of the fault location data of protection device can be avoided in the process of fault finding, thus improving the efficiency and accuracy of rotor one point ground fault processing.

hydro-generator; rotor; low voltage side of excitation transformer; one point earthing; fault location

TM307+.1

A

1000-3983(2017)06-0040-04

2016-10-31

劉俠（1987-），2009年畢業于長沙理工大學電氣工程及其自動化專業，現從事水電廠電氣一次設備的檢修維護和高壓試驗工作，工程師。