雙水內(nèi)冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻降低的原因分析

蔣 翔，張小飛

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼熱電總廠2#發(fā)電機為上海電機廠生產(chǎn)的QFS-60-2 型雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機組，B 級絕緣，采用直流勵磁機勵磁，于1993 年7 月正式投入運行。發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護采用RCS985 型發(fā)電機變壓器組成套保護裝置，轉(zhuǎn)子接地保護采用切換采樣原理（乒乓式），于2014 年改造完成并投入運行，運行一直正常，未出現(xiàn)過異常報警。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地是發(fā)電機常見的故障形式之一，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地故障時，由于造成轉(zhuǎn)子接地保護動作的因素較多，故障定位非常困難，且運行中無法檢查發(fā)電機內(nèi)部，因此，要確定是轉(zhuǎn)子本身故障還是外部回路故障或保護裝置誤動引起的具有非常大的難度。2017 年8 月6 日至2018 年5 月3 日期間，馬鋼熱電總廠2#發(fā)電機反復(fù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地電阻降低的現(xiàn)象，筆者結(jié)合馬鋼熱電總廠2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻降低故障的處理，總結(jié)了幾種典型的非轉(zhuǎn)子繞組本身故障造成的接地電阻降低的因素。

1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻降低的處理

1.1 第一階段：勵磁機因電樞繞組絕緣降低燒毀

2017 年8 月6 日2#發(fā)電機“轉(zhuǎn)子一點接地”報警，接地阻值3.3 kΩ，接地位置50%。通常接地位置在50%左右有以下幾種情況：（1）轉(zhuǎn)子繞組的正中間位置一點接地；（2）勵磁回路的交流側(cè)接地。（3）轉(zhuǎn)子繞組整體絕緣降低；（4）外部回路和附加元器件接地。針對第（1）、（2）種情況在機組運行時無法檢測，只能監(jiān)視運行，等到停機時才能處理；針對第（3）種情況，因內(nèi)冷水電導(dǎo)率一直在規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)，排除內(nèi)冷水電導(dǎo)率對轉(zhuǎn)子絕緣的影響；針對第（4）種情況，我們對相關(guān)回路進行了仔細(xì)檢查和驗證，基本排除了外部回路的影響。由此，初步判斷此次轉(zhuǎn)子一點接地可能是勵磁機電樞回路或轉(zhuǎn)子繞組本身絕緣降低所致。后接地阻值回升至10 kΩ左右,9月1日2#發(fā)電機停機檢修，測得發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣1.5 MΩ，勵磁機電樞繞組絕緣0 MΩ。于是對勵磁機進行吊罩檢查，發(fā)現(xiàn)勵磁機電樞端部（發(fā)電機側(cè)）積灰較多（主要成分為碳粉），清理烘干勵磁機端部積灰后，勵磁機電樞繞組絕緣上升至0.4 MΩ，9月6日2#發(fā)電機與系統(tǒng)并列。

2#發(fā)電機并網(wǎng)運行后，為監(jiān)視發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻（Rg）變化情況，對轉(zhuǎn)子接地電阻進行統(tǒng)計。統(tǒng)計數(shù)據(jù)歸納如下：

9月6日2#發(fā)電機并網(wǎng)運行后，Rg為300 kΩ；

9 月8 日至12 日，Rg在220～300 kΩ 之間變化，9月12日至22日，Rg穩(wěn)定在300 kΩ；

9 月22 日 至10 月1 日，Rg逐漸降低至80 kΩ左右；

10 月24 日（10 月2 日至23 日2#發(fā)電機停機）Rg在100 kΩ左右；

10 月27 日Rg降低至70 kΩ 左右，之后Rg一直在降低；

12 月4 日Rg降低至4 kΩ，當(dāng)日降低至1 kΩ以下；

12月19日Rg恢復(fù)至5 kΩ左右。

期間接地的位置均在50%左右。

由以上轉(zhuǎn)子接地電阻統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出，勵磁機電樞繞組清灰處理后電樞繞組絕緣有所上升，但仍偏低，隨著運行時間的延長，電樞繞組端部積灰（碳粉）越來越多，電樞繞組絕緣呈下降趨勢。

2017 年12 月21 日2#機勵磁機電樞繞組發(fā)生短路事故，導(dǎo)致2#發(fā)電機失磁保護動作跳閘。檢查勵磁機發(fā)現(xiàn)：勵磁機電樞繞組端部（發(fā)電機側(cè)）有兩處燒融，電樞繞組端部積灰較多（碳粉）。主要原因：由于2#發(fā)電機勵磁機運行年限較長，電樞繞組絕緣已老化，隨著電樞繞組端部碳粉積聚，電樞繞組的絕緣持續(xù)下降，導(dǎo)致電樞繞組絕緣最薄弱的兩點通過碳粉短接而燒毀。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)及勵磁機燒毀的事故來看，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護檢測的接地電阻Rg基本反映了發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路（含勵磁機電樞繞組）的絕緣情況。

1.2 第二階段：備用勵磁機運行時的轉(zhuǎn)子接地電阻降低情況

2017 年12 月21 日2#機勵磁機故障燒毀后，更換備用勵磁機（1#發(fā)電機更換下來的），該勵磁機與原勵磁機各項參數(shù)相同，運行年限也相同。2018 年1 月28 日，檢查發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻Rg低于正常值300 kΩ 且有下降趨勢。轉(zhuǎn)子接地電阻統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：

1 月28 日至2 月22 日Rg在180～300 kΩ 之間波動；

2月22日至2月27日Rg基本穩(wěn)定在300 kΩ；

2 月28 日至3 月20 日Rg在200～120 kΩ 之間波動，總體趨勢在降低；

3月15日突然降至88 kΩ；

期間接地的位置均在50%。

由于送修的勵磁機需要到4 月中旬才能返廠，且轉(zhuǎn)子接地電阻下降較快，為防止再次發(fā)生勵磁機燒毀事故，3 月20 日2#發(fā)電機停機檢查，檢查發(fā)現(xiàn)：勵磁機電樞繞組端部有大量的碳粉，且勵磁機電樞繞組絕緣僅0.1 kΩ。清除碳粉后勵磁機電樞繞組絕緣恢復(fù)至10 MΩ，此次停機在勵磁機端部加裝了臨時在線吹灰裝置。當(dāng)日2#機組并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)子接地電阻Rg為290 kΩ。于是對勵磁機端部進行在線吹灰，剛開始有一點效果，后期效果不明顯，轉(zhuǎn)子接地電阻也在持續(xù)降低，最低降至75 kΩ，此種情況一直持續(xù)到4月16日。

1.3 第三階段：新勵磁機（更換了全部繞組）的運行情況

4月16日2#發(fā)電機停機小修。停機時轉(zhuǎn)子絕緣0.1 MΩ，勵磁機絕緣10 MΩ，因要更換勵磁機，故此數(shù)據(jù)未引起重視。4 月21 日開機前測絕緣：轉(zhuǎn)子回路0.2 MΩ，勵磁機回路3 MΩ，符合規(guī)程要求（通水后≥2 kΩ）。4 月22 日發(fā)電機升壓過程中，升壓至70%空載額定電壓時轉(zhuǎn)子接地電阻230 kΩ 左右，接地位置在59%，用萬用表測量轉(zhuǎn)子正、負(fù)對地電壓也不對稱（正對地36 V、負(fù)對地26 V，與轉(zhuǎn)子接地保護檢測的數(shù)據(jù)一致），此數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)子繞組中間位置一點接地的現(xiàn)象相似。為區(qū)分故障范圍，在現(xiàn)場通過技術(shù)手段判斷勵磁機絕緣正常，故排除勵磁機絕緣低的因素，絕緣低的部位應(yīng)該在轉(zhuǎn)子回路，故要求停機檢查處理。停機后測轉(zhuǎn)子絕緣1.5 MΩ，電纜及銅排絕緣為2 MΩ，刷架絕緣為0.2 MΩ，由此初步判斷刷架絕緣低是造成轉(zhuǎn)子接地電阻低的主要因素。于是對轉(zhuǎn)子滑環(huán)的刷架、銅排、絕緣墊塊等相關(guān)附件進行徹底清理，清理后轉(zhuǎn)子回路整體絕緣恢復(fù)至0.5 MΩ。2#發(fā)電機組重新啟動，升壓至額定值，轉(zhuǎn)子接地電阻穩(wěn)定在300 kΩ，4 月23 日2#發(fā)電機組并網(wǎng)運行。

5 月1 日2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻突然降至80 kΩ，接地位置55%，萬用表測量轉(zhuǎn)子正、負(fù)對地電壓對稱，保護檢測和人工測量的數(shù)據(jù)一致。現(xiàn)場檢查勵磁機和轉(zhuǎn)子回路均未發(fā)現(xiàn)明顯異常，檢查內(nèi)冷水電導(dǎo)率：2#機內(nèi)冷水電導(dǎo)率為5 μs/cm，符合規(guī)程要求（≤5 μs/cm）。分析認(rèn)為：（1）勵磁機為新?lián)Q的，絕緣應(yīng)沒有問題，且開機時已排除勵磁機絕緣低的情況；（2）轉(zhuǎn)子外部回路（含刷架、絕緣墊塊及相關(guān)回路等）已徹底清理，且未發(fā)現(xiàn)漏油等異常現(xiàn)象，在機組正常運行的情況下，絕緣突然降低的可能性很小；（3）轉(zhuǎn)子繞組在通水的情況下有1.5 MΩ，說明轉(zhuǎn)子繞組絕緣很好，基本上可以排除轉(zhuǎn)子繞組故障。基于以上分析，結(jié)合前期轉(zhuǎn)子接地電阻波動的情況綜合分析，引起轉(zhuǎn)子接地電阻降低的最大可能因素是：內(nèi)冷水電導(dǎo)率。于是對2#發(fā)電機內(nèi)冷水電導(dǎo)率進行調(diào)整，當(dāng)電導(dǎo)率調(diào)至3 μs/cm 以下時，2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻恢復(fù)至300 kΩ，且穩(wěn)定。

2 影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻降低的幾種典型因素

本次2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻降低的處理過程共分為三個階段，每個階段影響轉(zhuǎn)子接地電阻降低的主要因素都不一樣，干擾因素也較多，其中內(nèi)冷水電導(dǎo)率的變化應(yīng)該是最大的、最不明顯的、也是最容易忽略的因素（主要是沒有內(nèi)冷水電導(dǎo)率與轉(zhuǎn)子接地電阻關(guān)系的歷史數(shù)據(jù)，同時也受到發(fā)電機運行規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的限制）。

2.1 第一階段的主要因素

發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻Rg降低的主要因素是勵磁機電樞繞組絕緣老化，受積聚碳粉的影響，Rg持續(xù)降低，其中內(nèi)冷水電導(dǎo)率的變化引起Rg反復(fù)波動。在后期，由于勵磁機電樞繞組絕緣已降至很低，內(nèi)冷水電導(dǎo)率的變化對Rg的影響也變得不明顯，但仍有一定的影響（2017 年12 月19 日Rg由1 kΩ 以下恢復(fù)至5 kΩ 可驗證），期間，轉(zhuǎn)子接地電阻的位置始終在50%的位置，理論與實際情況也是一致的。

2.2 第二階段的主要因素

停機前與第一階段情況基本相同，這從停機后勵磁機的絕緣數(shù)據(jù)（停機時僅0.1 kΩ，清理后即恢復(fù)至10 MΩ）可得到驗證。從第一階段的運行情況來看，該絕緣尚能維持較長時間的運行，但因3月15日轉(zhuǎn)子接地電阻突然由140 kΩ降低至88 kΩ（應(yīng)該是內(nèi)冷水電導(dǎo)率變化引起的），同時受第一階段勵磁機燒毀因素的影響，由于擔(dān)心同類事故的再次發(fā)生，故提前申請停機對勵磁機進行清灰處理。從絕緣數(shù)據(jù)來看，本次停機處理是必要的。

停機處理后Rg降低的主要因素是內(nèi)冷水電導(dǎo)率的變化和刷架附件絕緣低等兩個因素，這從4 月16 日停機時測量的數(shù)據(jù)可得到驗證。因忽略了內(nèi)冷水電導(dǎo)率的影響及無法在線測量轉(zhuǎn)子回路絕緣，同時受勵磁機燒毀事故的干擾，致使誤判勵磁機絕緣低，因而造成了不必要的擔(dān)憂和困擾。

2.3 第三階段的主要因素

更換新勵磁機后開機時，轉(zhuǎn)子刷架等附件絕緣低是Rg降低的主要因素，這從滑環(huán)清理后轉(zhuǎn)子接地電阻立即恢復(fù)至300 kΩ的數(shù)據(jù)可得到驗證。

并網(wǎng)運行后內(nèi)冷水電導(dǎo)率是Rg降低的主要因素，這從內(nèi)冷水電導(dǎo)率調(diào)整至3 μs/cm 以下時轉(zhuǎn)子接地電阻即恢復(fù)至300 kΩ的情況可得到驗證。

3 結(jié)束語

本次2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地電阻降低故障持續(xù)時間較長，影響因素主要有勵磁機電樞繞組絕緣、轉(zhuǎn)子滑環(huán)及附件絕緣、內(nèi)冷水電導(dǎo)率等三種。三種主要因素相互影響、相互干擾，當(dāng)內(nèi)冷水電導(dǎo)率在5 μs/cm 左右時，對轉(zhuǎn)子接地電阻影響較大，且會掩蓋其他影響轉(zhuǎn)子接地電阻降低的因素，因此，建議：

（1）在處理轉(zhuǎn)子接地電阻降低或轉(zhuǎn)子一點接地故障時應(yīng)保證內(nèi)冷水電導(dǎo)率在3 μs/cm 以下且應(yīng)保持穩(wěn)定，排除內(nèi)冷水電導(dǎo)率的干擾。

（2）處理轉(zhuǎn)子接地故障應(yīng)先排除外圍回路（包括刷架、絕緣墊塊、接地碳刷、電纜等），即確保外圍回路絕緣良好，防止外圍回路絕緣低引起誤判，造成不必要的停機損失。

（3）當(dāng)確認(rèn)是發(fā)電機轉(zhuǎn)子或勵磁機絕緣低造成的，尤其是運行年限較長的機組，應(yīng)盡快停機處理，防止類似勵磁機短路事故發(fā)生。