一起燃氣輪發電機轉子接地故障原因淺析

李 沁

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一起燃氣輪發電機轉子接地故障原因淺析

李 沁

（廣州發展電力集團有限公司，廣州 510623）

本文介紹了某發電公司燃氣輪發電機轉子在解列惰走至低轉速時出現了不穩定接地故障，根據故障特征利用轉子重復脈沖法（RSO）試驗判斷出轉子內部存在接地和匝間短路，在此基礎上對轉子解體檢查，對檢查暴露出的可導致轉子不穩定接地和匝間短路的故障原因進行了分析，最后提出防范措施。

燃氣輪發電機；轉子接地；故障；原因

某廠兩臺S109FA燃氣輪機聯合循環發電機組，其發電機是美國GE公司設計，哈爾濱電機廠生產的397.8MW全氫冷型汽輪發電機（型號：290T694），采用全靜態勵磁裝置，勵磁電流由連接在6kV母線上的勵磁變壓器經整流后獲取。勵磁系統配置有欠勵限制、過勵保護、發電機接地檢測、發電機過電壓保護、失磁保護、V/HZ限制和跳閘、電壓頻率限制、轉子超溫等保護。機組投運十余年，主要運行方式為“日起停”調峰方式運行。

雖然轉子一點接地故障尚不會對轉子造成嚴重損壞，但未配置轉子兩點接地保護，如果轉子再有其他部位出現接地，就會發生兩點接地故障，使發電機面臨轉子燒損的重大風險。

1 事件經過

該公司2#發電機自投運以來，已分別于2011年9月、2012年7月、2013年2月先后發生過三次轉子接地故障，并進行了解體處理。除了2011年9月第一次轉子解體處理中，發現轉子繞組引線螺釘因磨損松動產生大量金屬粉末而導致轉子接地的故障原因比較明確外，后續兩次轉子接地故障解體處理中，均未能找到明確的故障原因。

2017年10月12日2#發電機正常解列轉子在惰走至41r/min時，勵磁系統再次發生轉子接地故障，至盤車轉速時，報警和跳閘信號可復歸，檢測轉子接地保護邏輯、定值正確，并排除了勵磁機故障。隨后測量轉子不同角度直阻和對地絕緣，不同角度下轉子直阻平衡較好（＜1%）。轉子對地絕緣偶爾會出現接地現象。14日對2#機組試起動，起動過程正常，但在停機惰走過程中再次出現轉子接地報警。

2 故障診斷

為查找并后續對轉子接地故障進行針對性處理，有必要對2#發電機進行轉子RSO（重復脈沖）試驗[1-2]：①在轉子惰走至低轉速時捕捉發生不穩定接地故障時的檢測波形，從而準確定位接地故障所在的位置；②在轉子沖轉及惰走期間，通過RSO試驗持續監測轉子繞組是否存在匝間短路故障。

2.1 試驗判斷標準

1）若轉子內部無匝間絕緣故障，則其RSO試驗結果中的正、負滑環（即正、負極）兩束行波的反射波曲線是完全吻合重疊在一起的。若轉子內部存在匝間絕緣故障，則兩束行波的反射波曲線將在故障部位出現不重合（分叉）現象。定義兩條曲線在分叉處的最大電壓偏差值與反射波正峰值的比率為偏差率，以“”來表示。對于1#、2#線圈，當≥8%時，可判斷轉子繞組存在匝間短路故障；當3%≤＜8%時，可判斷轉子繞組存在匝間絕緣缺陷；對于3#及以上其他線圈，當≥3%時，可判斷轉子繞組存在匝間短路故障[3]。

2）若轉子主絕緣存在短路接地故障，則兩束行波的反射波曲線將從短路接地部位開始，后續波形將出現不重合（分叉）現象。將兩束反射波曲線各自正峰值之前的起始曲線段重疊在一起，若后續曲線段出現該現象，則可判斷轉子內部主絕緣存在短路接地故障[4]。

2.2 檢測設備及原理

采用DIFR-I發電機轉子絕緣故障診斷儀，測量范圍3～8V，準確度等級0.5級，試驗接線如圖1所示[5]。

圖1 RSO測試接線圖

2.3 試驗過程

在轉子絕緣故障檢測過程中，對發電機轉子進行了盤車狀態、靜態下不同角度、及兩次維持額定轉速（3000r/min）、再由額定轉速惰走至盤車等多種狀態下的RSO試驗，得出以下試驗結果：

1）根據轉子在盤車狀態、靜止狀態以及轉子轉動90°后的RSO檢測波形（圖2、圖3和圖4）可知，其波形中存在一處不吻合區域，如圖圈中所示，不吻合區域對應了轉子3#線圈，不吻合區域的偏差率=4.8%，大于3%，表明該處存在匝間短路故障。但將轉子旋轉180°、270°以及360°等多個角度后，該不吻合區域消失，實、虛兩條曲線從正峰值開始的下降曲線段幾乎完全重合。因此可判斷轉子3#線圈存在不穩定的匝間短路故障[6]。

圖2 轉子盤車狀態的RSO檢測波形

圖3 轉子靜態下的RSO檢測波形

圖4 轉子轉動90°時的ROS檢測波形

2）從轉子兩次在額定轉速（3000r/min）維持1h的RSO檢測圖5可知，波形曲線中存在1#、2#兩處不吻合區域。其中，1#不吻合區域對應了3#線圈，其偏差率=9.6%，大于3%，可判斷轉子3#線圈在額定轉速狀態下，其內部存在匝間短路故障。2#不吻合區域對應了4#線圈，其偏差率=4.4%，也大于3%，可判斷轉子4#線圈在額定轉速狀態下，其內部也存在匝間短路故障。在轉子兩次從2300r/min惰走至50r/min的過程中，波形曲線從正峰值開始的下降曲線段幾乎完全重合，未見不吻合部分，說明轉子在這一過程中，其內部不存在匝間短路故障。

圖5 轉子維持在額定轉速1h的RSO檢測波形

3）轉子在低轉速（20r/min）至盤車狀態下，如圖6所示，實線出現突發性的畸變，與虛線出現了嚴重的分叉現象，且二者后續波形不再重合，為典型的轉子接地故障。該轉子接地現象持續時間短，時有時無，具有明顯的不確定性。因此，判斷轉子主絕緣發生了不穩定的接地故障。進行RSO試驗時，虛線連接了外滑環（負極），實線連接了內滑環（正極）。從實線發生突變時的起始位置來看，可粗略判斷接地故障點位于與內滑環對應的轉子繞組的4#線圈上。

圖6 轉子惰走至20r/min及盤車狀態時的RSO檢測波形

2.4 試驗結論

從試驗數據及波形特征得出結論如下。

1）轉子在額定3000r/min時存在匝間短路。

2）轉子在惰走過程中約至30r/min時存在不穩定接地。

3）上述的匝間短路點和不穩定接地點可能為同一位置。

3 故障點查找及方法

根據RSO試驗結果，對轉子解體查找故障點。

1）外觀檢查，包括轉子本體、槽楔、軸頸、聯軸器外圓、止口等部位，未發現異常。

2）用內窺鏡對轉子護環下的線圈端部及端部墊塊進行檢查，未發現異常。

3）做轉子兩極電壓試驗和直流電阻試驗，仍存在轉子匝間短路，但未能判斷具體位置。采用試燈法，通入220V直流，轉子未出現絕緣破壓、放電等異常現場，再次做轉子兩級電壓試驗后發現試驗合格，轉子已不存在靜態匝間短路現象，但不能確定是否存在動態匝間短路。

4）根據轉子現場處理工藝方案解體轉子本體進行詳細排查，發現：

（1）在轉子內環9#線圈直線段中部靠汽端的下線槽底發現一條長4.2cm的半圓形金屬絲（鐵質），金屬絲上發現噴漆痕跡，且與轉子本體噴漆顏色一致，經分析這條金屬絲應是轉子不穩定接地的原因（圖7）。

圖7 半圓形金屬絲

（2）解體過程中發現內環極勵端2#線圈底部匝間絕緣層有移位，露出小部分金屬；內環極4#線圈底部匝間絕緣層有移位，還剩一層絕緣層，未露出金屬。這是首次發現匝間絕緣移位。判斷內環極勵端2#線圈底部匝間絕緣層移位導致金屬外露為匝間短路點。

（3）轉子兩端的護環拔出之后，發現兩極的1#、2#、3#、4#線圈的最外一匝從汽端往勵端方向均存在不同程度的位移，最大約2cm，而且弧部有輕微變形，這種現象之前幾次轉子檢修過程中沒出現過，經現場整形恢復正常位置和形態。

4 故障原因分析

4.1 轉子不穩定接地的原因分析

通過分析，造成轉子不穩定接地的原因是轉子內環9#線圈直線段中部靠汽端的下線槽底發現的一條長4.2cm的半圓形金屬絲，其來源有以下3個。

1）在轉子裝套護環時，護環受外力錘擊，導致護環出現啃傷產生毛刺，在轉子運轉過程中，毛刺被離心力甩出。

2）在轉子裝配過程中，對下線過程監控不當導致的異物殘留。

3）機組停機檢修時異物被帶入轉子內。

從金屬絲上的噴漆顏色對比，極大可能是轉子在裝配過程中，槽楔與轉子本體刮蹭而產生的金屬拉絲，隨著轉子運行逐漸移動到轉子繞組和本體（或槽楔）之間，當轉子在高轉速下時，離心力比較大，該金屬絲不能觸碰到轉子本體或槽楔，此時其對轉子絕緣無影響；但當轉子轉速下降至一定范圍內（例如50r/min以下）時，離心力減小，該金屬絲就因狀態發生變化而觸碰到轉子本體或槽楔，從而造成轉子金屬性接地故障。而該過程為轉子線圈裝配的最后一道工序，轉子裝配完成后整體耐壓試驗合格則回裝，運行中無有效措施檢測和發現該類型缺陷。

4.2 轉子匝間短路的原因分析

轉子匝間短路主要因為轉子線圈及其絕緣層位移，導致金屬外露引起匝間短路，經分析主要有制造、檢修和運行三方面原因。

1）制造原因

（1）哈電所生產的發電機引進的是GE技術，根據轉子端部的通風結構，其端部特點是線圈之間的支撐塊較少，轉子端部繞組固定不牢，繞組弧部的直徑最大。在轉子高速運轉時，使轉子線棒產生很高的離心力，而直徑越大，離心力越大，離心力導致線圈最薄弱的地方（弧部）發生變形和相對位移。

（2）轉子各部件在設計上考慮膨脹，端部絕緣墊塊與線圈之間不是緊配合，而是間隙配合，即線圈和絕緣墊塊間有單邊0.5mm的間隙，在機組頻繁起、停、變工況運轉時線圈的冷熱態變化導致的熱量是靠端部墊塊的間隙吸收的，會造成轉子線圈蠕變。

（3）轉子各部件彼此是間隙配合，運行時在離心力作用下壓緊，但在停機盤車時，各部件因間隙會彼此摩擦，也是導致端部繞組變形的原因之一。

2）檢修原因

該轉子曾返哈電維修時匝間絕緣層用的是國產粘接膠，經過對使用過的進口和國產粘接膠進行對比分析，發現國產粘接膠在長期高溫下性能出現不穩定，使端部線圈在受到很大離心力時，匝間墊條脫膠發生位移，導致匝間短路。

3）運行原因

該燃氣輪發電機組按電網調度長期調峰運行，起、停機頻繁，一方面機組起、停時的離心力會導致轉子線圈發生變形、相對位移或局部絕緣損壞。另一方面，頻繁起停帶來的負荷變化引起繞組頻繁熱脹冷縮，甚至產生蠕變，由于絕緣材料與繞組膨脹性能差異，當彼此差異超出設計極限時，就發生絕緣材料開裂或移位故障，引發匝間短路，所以發電機“日起?！钡倪\行工況也是一個重要原因。

5 防范措施

針對上述問題，同時基于現場檢修條件，提出防范措施如下。

1）殘留金屬異物或碎屑的防范措施

嚴格控制制造或檢修質量，避免留下工藝性損傷：

（1）加強轉子制造下線過程的質量控制，避免由于清理過程中或使用工具中將毛刺、鐵屑、碎屑等異物侵入轉子內部。

（2）嚴格控制轉子裝套護環的操作過程，保證裝套護環的對稱性，避免出現啃傷護環的可能性，提高裝套護環質量。

2）線圈繞組和匝間絕緣層位移的防范措施

S109FA燃氣輪發電機為連續運行設計，若反復起、停機，則容易造成線圈蠕變或相對位移，對發電機轉子損傷較大，建議加強與電網調度的溝通，爭取連運方式以盡量減少起、停機次數，同時在發電機在運行過程中盡量減少機組負荷變化率，以避免負荷及轉速的劇烈波動可能導致故障的再次發生。

6 修后遺留問題

本次故障檢查處理，發現并消除了導致轉子不穩定接地和匝間短路的問題，但受現場環境和技術條件限制：①不能判定轉子裝配時，是否因裝配工藝而產生新的金屬碎屑遺留在轉子內部；②未能對轉子所有匝間絕緣層更換進口粘接膠；③該轉子經過多次檢修后機械扭曲和多次整形導致金屬性能發生變化，在運行一段時間后，外匝線圈可能再次發生移位和變形，因此無法保證轉子長期穩定運行。

經了解，國內同類型機組均發生過轉子接地或轉子匝間短路故障，既有共性的制造問題，又與“日起?！闭{峰運行方式有關。鑒于目前還存在上述遺留問題，建議委托GE公司進行徹底維修處理。

7 結論

某公司燃氣輪發電機在停機惰走過程中出現轉子不穩定接地故障，經過檢查分析和轉子RSO試驗，確認存在接地故障及匝間短路故障。經過對轉子解體檢修，暴露出故障原因主要有轉子內環極線圈直線段中部槽底有一條金屬絲、內環極2#線圈底部匝間絕緣層移位、多個線圈繞組弧部移位變形等問題。在分析以上問題原因的基礎上，提出防范措施和處理建議，希望為類似故障的分析處理提供借鑒。

[1] 袁振亞. 檢測發電機轉子匝間短路的RSO實驗技術及其應用分析[J]. 電氣技術, 2010, 11(4): 25-27.

[2] 戴申華. 發電機勵磁回路一點接地故障分析[J]. 電氣技術, 2016, 17(12): 140-142.

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[4] 龍飛, 閆文輝, 王勁松, 等. RSO檢測技術在大型發電機轉子一點接地故障檢測中的應用研究[C]//中國電機工程學會大電機專委會2015年學術年會論文集, 哈爾濱, 2015.

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[6] 王庚森, 李永剛, 張建忠. 重復脈沖法在發電機轉子繞組匝間短路檢測中的應用[J]. 河北電力技術, 2012(1): 49-51.

Cause analysis of a rotor grounding fault of a gas turbine generator

Li Qin

(Guangzhou Development Group Incorporated, Guangzhou 510623)

This paper introduces the unstable grounding fault of the rotor of a gas turbine generator in a power generation company when it is disconnected to low speed. According to the fault characteristics, the rotor repeated pulse method (RSO) test is used to determine the grounding and interturn short circuits inside the rotor. On this basis, the rotor solution is examined and the exposure can be caused. Failure causes of rotor unstable grounding and inter turn short circuit are analyzed, and preventive measures are put forward at last.

gas turbine generator; rotor grounding; failure; cause analysis

2018-03-28

李 沁（1977-），男，重慶人，本科，工程師，主要從事發電廠安全技術管理工作。