660MW汽輪發電機轉子接地故障查找及原因分析

摘 要：本文針對某電廠發電機轉子發生的一點接地故障，對轉子接地故障過程進行了介紹，并通過整個故障過程中的相關數據對接地故障進行了分析，經分析判斷，故障當時確應有轉子回路金屬性接地，通過一步步排查確定了故障點在轉子內部。抽出轉子后，又通過內窺鏡等非電量法及電壓分布法和兩極電壓法等方法確定了故障位置。其中，簡便判斷方法和解決方案對同類型故障處理有一定的借鑒意義。

關鍵詞：發電機；轉子接地；故障點查找；原因分析

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0043-04

Finding and Cause Analysis of Grounding Fault of 660MW Turbogenerator Rotor

ZHANG Xingbin

（North China Electric Power Test and Research Institute，China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100040，China）

Abstract：In this paper，a point-to-point fault earthing of generator rotor in a power plant is discussed，the process of rotor grounding fault is introduced，and the grounding fault is analyzed through the relevant data of the whole fault process. It is judged that the fault should have metal grounding in the rotor circuit at that time，and the fault point is determined in the rotor through step-by-step investigation. After extracting the rotor，the fault location is determined by non-electric quantity method such as endoscope，voltage distribution method and bipolar voltage method. The simple judgment method and solution can be used for reference in the same type of fault treatment.

Keywords：generator；rotor grounding；fault point finding；cause analysis

1 概述

某發電廠9號機為國產660MW兩卷變單元機組，自并勵靜止勵磁，轉子冷卻方式為氫冷，發電機保護為南瑞繼保公司RCS-985G微機保護，發電機轉子接地保護為ABB UNS3020繼電器型保護裝置，該廠勵磁系統圖如圖1所示。

9號機組在進行勵磁系統空載試驗時，DCS及勵磁控制柜同時發出轉子接地保護和轉子一點接地告警信號，并延時跳開滅磁開關，此時發電機轉子電壓電流接近于零；轉子一點接地保護動作之后，相關人員對此信號進行復歸，發現該信號復歸不掉，隨即對轉子繞組（帶正負直流母線）進行了絕緣檢查，發現絕緣為零。

根據故障時DCS記錄的數據，如表1所示，故障發生時勵磁電流、勵磁電壓并沒有明顯的波動，并且滅磁開關跳閘發生在逆變滅磁之后，此時轉子電壓電流接近于零。

從表1中可以看出，9號發電機在整個運行過程中，機端電壓和勵磁電壓電流比較平穩。其中在05：27：21.896產生的短暫波動和變化在機組運行的正常范圍內。

針對以上異常情況，在保護裝置信號無法復歸的情況下，對轉子及勵磁回路進行了絕緣檢查，絕緣為零，無變化，綜合以上數據判斷接地性質應為穩定性金屬接地。根據《汽輪發電機運行規程》6.3.5條的要求“當發電機的轉子繞組發生一點接地時，應立即查明故障點與性質，如系穩定性的金屬接地，應盡快安排停機處理。”停機取出所有碳刷之后，又分別對轉子及勵磁回路進行了絕緣檢查，發現轉子絕緣為零，無變化，勵磁回路絕緣良好，確定了接地點在轉子部分。

2 故障查找

根據故障時DCS記錄的數據與停機之后絕緣檢查的結果分析，判斷故障當時確應有轉子回路金屬性接地，所以應重點檢查勵磁小軸、聯軸器處的極掌及其連接螺栓部分的絕緣。經過進一步檢查，先排除了兩個集電環導電螺釘及絕緣套存在問題的可能性，又排除了兩個護環下導電螺釘至1號線圈引線存在問題的可能性，至此，基本上確定接地點在轉子內部，10月30日在拆開端蓋之后又用直流壓降法初步判斷接地點在A極#7槽（如圖3所示），但具體是在端部還是在直線部分、第幾層仍不能確定，需抽出轉子后做進一步檢查。

2.1 轉子的絕緣檢查

9號發電機轉子抽出堂外之后，為了進一步確定接地點位置，對轉子又進行了進一步的檢查。

2.1.1 采用內窺鏡檢查

為了查尋發現故障點，盡可能避免對轉子護環和繞組的拆卸，首先采用非電量測量方法，利用內窺鏡對轉子內部進行排查。當拆除發電機上端蓋內外端蓋后，首先對端部進行內窺鏡檢查，當轉子抽出后，用內窺鏡又細心地對兩端護環下的繞組及絕緣墊塊進行仔細檢查。尤其應對發電機轉子繞組出線處進行重點觀察。其他可觀察到的地方也逐一進行觀測檢查。總之，對于所有能用內窺鏡觀測到的地方都進行了檢查。檢查未見異常。

2.1.2 轉子的清掃

當發電機轉子內窺鏡檢查完成后，對轉子進行清掃，采用大功率吸塵器和高壓壓縮空氣對發電機轉子表面、通風孔道等部位進行認真吹掃，吹掃同時監測轉子繞組的絕緣情況，絕緣情況未見好轉。

2.2 轉子繞組接地點查尋測量方法及接線

綜合上述情況及現場條件的制約，決定采用繞組電壓分布法來判斷轉子繞組接地點的具體位置。繞組電壓分布法也稱為直流壓降法，原理與直流電阻比較法相同，其接線如圖2所示。

在轉子繞組兩端，施加直流電流，用電壓表測量轉子繞組各匝對轉子軸的電壓U，圖2中Rg為接地點電阻。當發電機轉子接地為可靠性低阻（幾歐姆）接地時，可以根據轉子繞組各匝的對地電壓分布來分析判斷接地的線圈位置。

現場實際測量中采用DSM600型直阻測試儀，施加電流35.3A，此時轉子端部AB極之間電壓為3V，測得數據如圖3和圖4所示。

其中圖3為轉子在膛內時打開端蓋后測量的結果，從圖3的測量結果可以看出，在#7槽勵側端部右角測量直流對地電壓為0.048V，#8槽端部左角測量的直流對地電壓為-0.328V（B極測量值全部為負，A極#7槽之前數值全部為正），所以接地點應在#7槽上，但是因為所測數據都為最底匝繞組，而#7槽線圈纏繞方向為自下而上，所以此值包含了#7槽的所有線圈，因此不能判斷接地點在#7槽的端部還是直線部分，抽出轉子后又重新進行了測量，分別測得最底匝線圈和最上匝線圈所測數據如圖4所示，因此為最上匝所測數據，根據最上匝線圈數據和轉子繞組繞線結構（每個槽內9匝，每極72匝，單號槽纏繞方向為自下而上，雙號槽纏繞方向為自上而下）可以判斷故障點在#7槽端部。根據實驗結果決定只需扒勵側一側護環。

扒開勵側護環后，經檢查在A極#7槽端部靠近頂匝過橋線的位置發現了故障點，根據故障點的情況和轉子接地保護動作情況分析，應為金屬性異物通過通風口打到絕緣板之后，通過不斷放電緩慢地發展成為穩定性的金屬性接地。

在找到故障點之后，現場又用兩極電壓測定的方法確定了轉子繞組沒有發生匝間短路，兩極電壓測定法的試驗接線如圖5所示，a、b分別為正、負極，o為轉子繞組中點，當轉子繞組為高阻狀態下，在發電機轉子繞組正、負極兩端施加交流電壓，分別測量轉子繞組中點到兩極的交流電壓值，判斷轉子繞組的匝間絕緣情況，公式如下：

Z1=Z2；Uao=Ubo

Uab=Uao+Ubo

當Uao和Ubo的不平等度較大時，即可判斷為有匝間短路故障或可以判定絕緣缺陷在哪一極。用兩極電壓判定繞組的匝間絕緣情況具有一定的靈敏度。

現場實際測量Uab=229V，Uao=114.4V，Ubo=114.5V，Uao與Ubo相差0.1V，去除測量誤差的影響Uao=Ubo，因此可以判定轉子繞組無匝間短路。

3 原因分析

通過對9號發電機轉子缺陷的處理，我們認為該故障屬于轉子繞組端部“穩定性金屬性接地故障”。根據試驗結果和現場所看到的故障情況進行綜合分析，該故障是由金屬性異物造成的。在擊穿點已經燒穿的絕緣板上，可觀察到有少量金屬熔化物，說明事故發生時應有金屬性異物打穿絕緣板導致轉子頂層繞組與護環放電，進而燒穿絕緣板導致穩定性接地，鑒于此發電機的結構特點，該轉子設計為松弛結構，槽楔在軸向有微小滑動和徑向振動，繞組與槽襯間不夠緊密，在發電機長期運行及多次起停機的過程中，槽楔、阻尼條及絕緣塊發生竄動磨擦，加之長時間的積累效應，并在出風區產生的出風渦流的作用下，使污穢逐漸進入發電機轉子繞組絕緣間，降低了繞組的絕緣水平。從故障點來看，此處正好為出風區，從而可以證明這一點。大型汽輪發電機都存在一定的污穢現象，但應在允許的范圍內。如果其僅僅存在污穢問題，并不能直接導致絕緣降低的問題，與國內其他發電機比較，該機的污穢情況是非常輕微的，國內有些污穢較嚴重的發電機仍然能保持良好的絕緣狀態，只有當金屬性異物與污物相互作用，并且進入合適的位置時，才能造成絕緣降低的后果。如果有金屬異物存在，那么勢必產生金屬性接地故障現象，并且在擊穿后一般會伴有金屬殘骸出現。

4 結 論

本次故障處理對燒穿的絕緣板進行了更換，并對轉子繞組進行了清理，處理之后按《電氣設備交接試驗標準GB50150-2006》進行檢測，所做各項試驗均達到標準。要從根本上杜絕此類事故的發生，除了制造廠家在設備制造過程中要加強質量管理外，還要在安裝設備時嚴格按照相關規定對質量進行把關。此次發電機轉子接地故障的查找、分析和處理方法凸顯了理論與實踐相結合的重要性，對同類故障的查找及處理具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 李建明，朱康.高壓電氣設備試驗方法 [M].（第2版）.北京：中國電力出版社，2001.

[2] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理及應用 [M].（第2版）.北京：中國電力出版社，2001.

作者簡介：張興濱（1984-），男，漢族，河北昌黎人，高級工程師，本科，研究方向：電力系統繼電保護及安全自動裝置、電力系統計算、電力系統分析。