基于交流無刷勵磁發電機轉子一點接地故障分析處理及防范措施

潘作新

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200)

引言

轉子一點接地是監測汽輪發電機轉子回路絕緣的重要保護,發電機正常運行時，發電機轉子回路與大地之間是絕緣的[1]。當發電機轉子回路絕緣降低到一定值時,就會引起轉子一點接地報警。轉子一點接地分金屬性接地和非金屬接地，一旦再發生另外一點接地的話，就會觸發轉子兩點接地導致發電機組跳閘。

1 發電機及勵磁系統

某公司25 MW 汽輪機發電機組采用單缸抽汽凝汽式汽輪機C25-3.43/0.7，發電機采用QF-W25-2空冷無刷交流勵磁發電機組，電壓為10.5 kV，功率為25 MW，勵磁系統采用GEX-2000 發電機勵磁調節器，發電機保護裝置采用CSC-306E 數字式發電機保護裝置，勵磁一點接地保護采用乒乓式工作原理，保護測量電路原理圖如圖1所示。

圖1 保護測量電路原理圖

原理圖中通過輪流接通電子器件S1、S2的三種情況，利用戴維南定理求解三種情況下的回路方程，實時計算轉子接地電阻和接地位置。Rs 為實時接地電阻值，此外采用乒乓原理的轉子一點接地保護接地電阻與回路接地點的位置和勵磁電壓大小無關，對于轉子回路中任何地點發生接地故障都具有很高的靈敏度。

2 故障情況及檢查處理

2.1 故障現象

6月27日16時10分，25 MW機組發電機保護裝置CSC-306E 轉子一點接地（電阻0.99 kΩ）報警，對保護裝置CSC-306E 進行復位后，轉子接地電阻值恢復在11 kΩ，轉子一點接地高段報警值為10 kΩ，低段報警值為0.5 kΩ。6月30日轉子一點接地報警三次，接地為瞬間接地，復位后恢復正常。對正極勵磁碳刷刷架軸固定處絕緣套磨損處進行環氧樹脂膠修復后，轉子接地電阻上升至1.3 kΩ。運行至9 月2 日，轉子一點接地（電阻0.7 kΩ）再次報警，期間有不定期報警信息，組織對勵磁裝置進行解體檢查，發現故障原因并進行了處理，轉子接地電阻恢復正常。

2.2 故障一般原因

結合大量的汽輪發電機轉子一點接地故障案例，總結出轉子一點接地的主要原因主要有以下五個方面。

⑴轉子本體：檢查發電機轉子本體及內部絕緣情況，重點關注集電環裝置有無異常，勵磁引線、導電螺釘、刷架、絕緣板及碳粉、油污污染情況。

⑵勵磁機：檢查勵磁整流裝置及勵磁機轉子繞組回路接地情況；檢查勵磁滑環小室碳粉積聚情況，檢查勵磁機絕緣監測碳刷情況。

⑶勵磁柜：檢查勵磁調節器柜內主回路及檢測回路情況；檢查勵磁調節器輸出至勵磁機電力電纜絕緣情況。[2]

⑷發電機大軸接地碳刷：檢查發電機大軸接地碳刷油污污染情況及是否可靠接地。

⑸發電機保護裝置：對發電機保護裝置進行保護傳動試驗，是否存在誤動作情況。

2.3 故障排查

結合現場情況，對以上主要原因進行了逐一檢查測量。

⑴發電機本體及轉子絕緣電阻檢查情況

拆除勵磁機定子后，將勵磁整流裝置與發電機轉子正負極連線斷開后，對發電機轉子進行絕緣搖測，阻值為76.9 MΩ，絕緣合格，排除發電機轉子本體原因。

⑵發電機大軸接地碳刷檢查情況

經檢查大軸接地碳刷及刷握周圍有大量油泥，原設計的接地碳刷體積較小，導致接觸面小，接觸不牢靠，接地阻值偏大現象，對接地碳刷進行清理后，并對接地碳刷進行改造，改造為體積較大的碳刷，但試機后轉子一點接地報警仍存在，排除接地碳刷原因。[3]

⑶發電機保護裝置306E檢查、試驗情況

對3號機、4號機保護裝置進行對調，更換定值，將原一點接地延時時間由2.0 s 更改為8.0 s，試機后故障仍存在。使用繼保儀等對保護裝置進行校驗，模擬轉子正負極電壓及人工對試驗線路進行接地試驗，保護裝置均動作正常，排除接地保護裝置誤動作的原因。[3]

⑷勵磁機監測碳刷檢查情況

對勵磁機勵磁電壓監測碳刷系統檢查（圖3 ②處），發現正極勵磁電壓監測碳刷刷架軸固定處絕緣套磨損，磨損處有一條深痕，見圖2。對磨損處進行環氧樹脂膠修復后，絕緣電阻有所上升，但仍偶爾發生接地報警。

圖2 絕緣套磨損實物圖

⑸勵磁系統至勵磁機電纜檢查情況

根據勵磁機及整流裝置原理得知，勵磁系統輸出交流電流，在勵磁機定子中產生交變的勵磁磁場，勵磁機轉子切割磁力線在轉子中產生感應電流，感應的交變電流通過整流裝置中的旋轉二極管整流又變成直流電流，通過銅排輸出至發電機轉子中，對勵磁柜至定子勵磁機的電纜進行絕緣搖測，阻值為20 MΩ，絕緣合格，排除勵磁電纜故障。

⑹勵磁整流裝置檢查情況

對勵磁整流裝置進行絕緣搖測，阻值為115 kΩ，低于標準0.5 MΩ，對比新整流裝置備件絕緣阻值為291 MΩ，通過絕緣阻值對比分析判斷勵磁整流裝置絕緣不合格。將勵磁轉子繞組與整流裝置斷開（圖3 ①處），單獨測量勵磁轉子繞組，阻值為75 MΩ，絕緣合格，排除勵磁轉子繞組原因，綜合排除法，分析判斷整流裝置絕緣存在問題。

圖3 發電機及勵磁機原理圖

進一步組織對勵磁整流裝置拆卸解體檢查，搖測二極管對整流裝置外殼絕緣42.8 MΩ，絕緣合格，二極管本體正向導通電壓為0.37 V 左右，反向耐壓1 000 V合格，二極管正常。對阻容保護元件進行絕緣搖測，負極三組阻容元件電阻對外殼均為絕緣1.26 GΩ 左右，電容為223 μF，正常。而正極其中兩組用萬用表測量電阻對外殼（電阻散熱片）阻值為70 kΩ 和300 kΩ 左右，用搖表搖測絕緣電阻為7 kΩ（<0.5 MΩ），絕緣不合格。通過整流裝置阻容元件檢查發現，阻容元件中的電阻底座尺寸與整流裝置外圈尺寸匹配不合適，導致固定電阻的螺絲及墊片與整流裝置外殼距離較近，長時間運行過程中，整流裝置阻容元件碳粉聚集，螺絲表面絕緣漆損壞等影響下導致電阻散熱片與外殼接觸，引起絕緣不良是最終造成此次轉子接地報警的直接原因。

3 防范措施

⑴對發電機保護裝置中接地電阻數據上傳至上位機，根據曲線趨勢進行分析判斷轉子接地情況，一旦發現絕緣電阻持續下降，及時結合檢查進行處理。

⑵結合檢修，每年對勵磁機外罩拆除，對勵磁整流裝置、勵磁電樞繞組，轉子接地碳刷絕緣套進行壓縮風吹掃，絕緣搖測，記錄絕緣阻值，并將檢修項目固定到檢修標準中。

⑶與廠家進行技術交流，更改電阻底座的尺寸或者將螺絲及墊片改為絕緣材質，避免電阻底座固定螺絲與整流裝置外圈距離較近導致轉子回路絕緣不良的情況發生。

4 結語

轉子一點接地保護能實時監測轉子及回路對大軸絕緣電阻的大小，若發電機運行中發生非金屬轉子一點接地報警后，按照規范機組可觀察運行情況，但要立即采取相應的處理措施消除一點接地報警。[4]本文針對交流無刷勵磁汽輪發電機轉子非金屬性一點接地報警，對報警的原因進行了逐步檢查，通過排除法最終確認了故障原因并制定了防范措施，對其他交流無刷勵磁汽輪發電機出現轉子接地報警查找處理提供了參考依據。