水電機組轉子一點接地故障分析與處理

馬代斌

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 前言

轉子一點接地是水電機組調試、運行過程中常見的一種故障，盡管不影響勵磁系統正常功能但仍會增大誘發兩點接地事故發生的可能性。轉子兩點接地時，由于故障點流過相當大的故障電流燒傷轉子本體，并使勵磁繞組電流增加而發熱、燒傷；且由于部分繞組被短接，氣隙磁通失去平衡，引發機組振動增大，甚至可使軸系等磁化，造成機組嚴重受損，所以應當給予高度重視、及時處理。目前，處理轉子一點接地故障的難點是接地點的查找以及電站現場處理。鑒于此，我們根據國內某抽水蓄能電站300 MW 級發電電動機調試過程中轉子一點接地故障分析與處理的全過程，詳細闡述了水輪發電機調試、運行過程中轉子一點接地故障查找與處理的新工藝方法和注意事項。

1 轉子一點接地故障原理分析

1.1 轉子一點接地故障常見原理分析

轉子勵磁回路結構設計通常包括勵磁電纜、集電環、轉子引線、轉子磁極、磁極配套極間連接線和保護裝置回路等。

根據接地點位置不同，水輪發電機轉子一點接地故障常見有如下3 點[1]。

（1）轉子外部接地。具體包括轉子勵磁電纜接地、集電環碳刷架燒損、轉子引線接地、集電環碳刷粉塵過厚等。

（2）轉子內部接地。具體包括磁極受潮接地、磁極線圈與鐵心之間極身絕緣接地、磁極線圈匝間短路接地、磁極配套極間連接線接地等。

（3）保護裝置回路接地。具體包括大軸一點接地回路端子松動導致不平衡發轉子接地信號、保護裝置回路設備老化造成誤發轉子接地信號等。

1.2 轉子一點接地故障實例分析

轉子一點接地故障原因查找分析的傳統方法是將勵磁裝置與轉子繞組斷開、所有磁極的極間連接線斷開，然后使用絕緣兆歐表分別進行絕緣電阻測量，根據測量阻值的大小分析、判斷接地故障點。

國內某抽水蓄能電站300 MW 級發電電動機調試過程中曾發生轉子一點接地故障，根據電站現場多次分析與實際操作的相互驗證，總結出均電壓測量法、絕緣電阻測量法與計算相結合的新方法查找故障：

（1）利用傳統絕緣電阻測量法檢測轉子勵磁回路是否為直接金屬接地。

（2）檢查保護裝置回路是否存在異常。

（3）利用傳統絕緣電阻測量法逐一檢測和排除勵磁電纜、轉子引線、集電環等是否存在接地故障點。

（4）利用均電壓測量法檢測磁極接地點。

該方法操作如下：從勵磁控制柜端輸入一定大小的交流電壓，通過測量轉子繞組的正極對地、負極對地的電壓值，忽略電壓在勵磁引線、轉子引線部分的損失值，按均分電壓值分配到每一磁極，通過計算轉子繞組的正極對地、負極對地的電壓值與輸入電壓值的比例，即可算出接地點的具體位置。均電壓檢測法接線圖及轉子一點接地時轉子電壓分布圖如圖1、圖2 所示[1]。

圖1 均電壓檢測法接線圖

圖2 轉子一點接地時轉子電壓分布圖

（5）根據圖2計算分析：V1/V=R1I/RI=R1/R或V2/V=R2I/RI=R2/R

式中V——從勵磁控制柜端輸入的一定大小的交流電壓；

V1——從勵磁控制柜端測量的正極對地電壓；

V2——從勵磁控制柜端測量的負極對地電壓；

R——轉子回路交流阻抗；

R1——轉子回路正極至接地點的交流阻抗；

R2——轉子回路負極至接地點的交流阻抗；

I——流經轉子回路的電流。

（6）利用交流阻抗測量法檢測磁極是否存在線圈本體匝間短路。

1.3 某電站轉子一點接地故障查找及分析

（1）停機后，用1 000 V 及以上等級兆歐表分別測量勵磁控制柜內勵磁回路正極、負極的對地絕緣電阻，阻值均為0，說明勵磁回路存在直接金屬接地點。

（2）拆除所有集電環碳刷，用1 000 V 及以上等級兆歐表分別測量集電環正極、負極的對地絕緣電阻，阻值均為0，說明直接金屬接地點分布在磁極、極間連接線、轉子引線、集電環回路。

（3）拆開轉子引線與磁極，用1 000 V 及以上等級兆歐表分別測量轉子引線、磁極和極間連接線的對地絕緣電阻，測得磁極和極間連接線整體絕緣電阻值為0，說明磁極或極間連接線存在直接金屬接地點。

（4）徹底檢查轉子磁極上、下端部極間連接線，無明顯金屬接地點，分析最大可能接地點為磁極本身。

（5）使用均電壓法查找磁極準確接地點，從勵磁控制柜端輸入24 V（共12 個磁極）交流電，實測得到正極端對地電壓值約為13.5 V、負極端對地電壓值約為10.5 V，則基本推出從正極端轉子引出磁極往負極端轉子引出旋轉至第7 個磁極（從負極端轉子引出磁極往正極端轉子引出旋轉至第5 個磁極）位置為接地故障點。

（6）對比測量磁極交流阻抗值，排除了磁極線圈本體存在匝間短路。

2 轉子一點接地故障處理

轉子一點接地故障點位置分析出來后，便是針對接地故障點進行快速、徹底的處理。結合國內某抽水蓄能電站300 MW 級發電電動機調試過程中轉子一點接地故障處理的全過程，闡述了轉子內部磁極接地故障處理的新工藝新方法和注意事項。

2.1 轉子一點接地故障處理新工藝方法和注意事項

（1）徹底清掃查找出來的接地磁極，包括使用浸有酒精白布擦拭、高壓風吹（主要針對磁極背部和磁極通風縫隙）等。

（2）對接地磁極進行消磁處理，消磁后再按步驟（1）進行處理。

（3）若步驟（1）、（2）處理效果不明顯，則需：

1）將接地磁極拔出，在干凈的場地平放于支墩上，支墩上需墊木方以防止磁極磕碰損壞，地面鋪塑料布，磁極墊高約500～600 mm。

2）徹底檢查接地磁極，并使用高壓風等再次徹底清掃。

3）如果效果還不明顯，則推薦使用帶電清洗劑或丙酮對磁極鐵心與線圈之間的間隙進行高壓沖洗，同時使用高壓風管對沖洗部位進行清理，以達到清理磁極線圈內灰塵雜質和使其干燥的目的。

4）使用加熱板對磁極進行加熱。

5）如效果尚不明顯，再逐個拆除磁極線圈支撐板，拆開兩個端頭磁極鐵心與線圈之間的密封膠，并對支撐板位置磁極鐵心和線圈之間用于塞緊的絕緣墊板、浸膠毛氈進行清理，使用丙酮沖洗或白布沾取丙酮擦拭均可。

6）如絕緣電阻仍不合格，則采用拆除線圈的清理方式，脫開磁極線圈與鐵心具體有2 種方案：

①適配制作大力“C”型夾，將線圈吊離鐵心。注意拆開過程中對極身絕緣的保護，具體安裝布置參照圖3～圖6。

圖3 大力“C”型夾安裝布置整體效果圖

圖4 大力“C”型夾適配、制作一

圖5 大力“C”型夾適配、制作二

圖6 大力“C”型夾適配、制作三

②利用上述提到的磁極支撐平臺及加熱方式，在磁極鐵心下方布置3 件千斤頂，加熱磁極溫度到100℃左右，敲打磁極鐵心使鐵心脫離線圈（下端部千斤頂配合往下降），注意對極身絕緣的保護。

7）脫開磁極線圈與鐵心后，全面清掃和檢查鐵心、線圈，可以使用丙酮進行沖洗或白布沾取丙酮擦拭，注意對極身絕緣、端部絕緣、磁極鐵心及線圈之間塞緊絕緣板、毛氈的清掃。若磁極極身絕緣存在損傷，則需要現場修復，修復部位需要制作預壓工具夾緊。

8）清掃檢查合格后，重新套裝磁極線圈，要求均勻調整磁極鐵心及線圈之間的間隙，并制作壓緊工裝（見圖7），向下預壓線圈，確保線圈與鐵心極靴之間間隙值滿足設計要求。

圖7 磁極線圈套裝壓緊工裝現場制作與安裝

9）按圖紙要求安裝磁極其他配件，包括塞緊絕緣板、支撐板等。

10）使用加熱板對磁極進行加熱。

11）按標準要求檢測磁極絕緣電阻值、交流阻抗值，并進行交流耐壓試驗。

12）對磁極外托板與磁極鐵心之間、磁極兩端部線圈與鐵心之間的縫隙進行密封處理。

2.2 某電站轉子一點接地故障處理難點

（1）機坑內磁極拔出、回裝由于空間限制，磁極吊具安裝困難；極間撐塊裝配不能拆除，其與磁極線圈之間僅2 mm 間隙，機組過速試驗后因磁極往外甩而造成間隙更小（實測為0.80 mm），有可能造成磁極拔出卡阻。

（2）拔出后接地點查找

磁極拔出后，發現磁極背部及線圈與鐵心之間的通風縫隙有較多的細小鐵屑堆積，尤其是下端部，詳見圖8。在沒有拆開線圈與鐵心時，基本不能找出接地點，處理步驟如下：

圖8 磁極背部、通風縫隙處的鐵屑

①檢查磁極線圈與鐵心之間的通風道間隙，沒有發現明顯接地點或放電位置。②使用白布和高壓風管清掃該間隙區域后，用手搖兆歐表測量絕緣電阻超過200 MΩ，換成2 500 V 兆歐表測量就沒有絕緣電阻，再換回手搖兆歐表測量絕緣電阻值也基本為0；③再次清掃再次測量，數值變化規律基本跟第一次清掃一樣，磁極線圈與鐵心之間的通風道間隙規律也一樣。上述現象說明，磁極線圈與鐵心之間的通風道間隙區域仍然存在浮動接地點，手搖兆歐表電壓不高，所以有絕緣數值；而2 500 V 兆歐表測量時因高電壓而發生擊穿現象，絕緣又為0；高壓風管清掃后短路點再次分開，所以測量時又有絕緣數值。

（3）脫開、回裝磁極線圈與鐵心

最徹底的解決辦法是脫開線圈與鐵心，基于現場條件限制和工期要求（返廠來不及），存在以下難點：

1）脫開工具問題：因為線圈外絕緣托板周向寬度方向較鐵心突出部分小，所以現場制作C 型夾可用性有限；而使用加熱的辦法，現場溫度及膨脹量控制又比較麻煩。

2）脫開過程中有可能造成極身絕緣脫開或撕裂，如果現場修復的話，極身絕緣需要工具預壓、夾緊，現場制作預壓、夾緊工具有難度。

2.3 某電站轉子一點接地故障處理效果

（1）第一次轉子一點接地故障處理過程中，首先于機坑內使用高壓風清掃磁極，在處理好一個接地磁極的同時，也誘發了另外一個磁極接地，且后續調試一段時間后，機坑內使用高壓風清掃處理好的接地磁極再次出現轉子一點故障。上述兩點充分說明機坑內高壓風清掃不僅不能徹底解決問題，而且還存在誘發更大事故的隱患。

（2）被誘發接地的另外一個接地磁極在機坑內處理毫無效果，最后采取拔出處理，參見2.1 執行。當使用丙酮高壓清洗并加熱進行干燥處理后，磁極絕緣電阻恢復掛裝前實測電阻值。

（3）后續調試過程中再次發生磁極接地后，直接拔出，具體過程基本同第一個拔出磁極處理方式。使用丙酮高壓清洗并加熱干燥處理后，磁極絕緣電阻恢復掛裝前實測電阻值。

（4）接地磁極處理完成后回裝，后續調試、試運行及商業運行過程中沒有再發生一點接地故障。

（5）為避免類似問題在后續機組上再次發生，要求該電站后續機組磁極按如下方案改進安裝：

1）磁極掛裝前，統一檢查、打磨磁軛表面，確保磁軛打磨前百分百防護好磁軛通風溝，防止細鐵屑進入。同理，磁極鐵心表面打磨處理前，確保百分百防護好磁極線圈與鐵心之間的極身間隙，防止細鐵屑進入。

2）磁軛、磁極清潔度驗收合格掛裝磁極，要求磁極掛裝前后按標準要求檢測絕緣電阻值。

3 結語

對于水電機組調試、運行過程中經常會發生的發電機轉子一點接地故障，其誘因很多，且處理方案比較靈活，需要根據實際情況及時分析、排查和處理。本文在敘述對國內某抽水蓄能電站300 MW 級發電電動機調試時轉子一點接地故障的分析與處理過程中，應用到的均電壓測量法、絕緣電阻測量法與計算相結合的方法，能夠準確、迅速地找出轉子一點接地故障點，而使用帶電清洗劑高氣壓沖洗、現場脫開磁極線圈與鐵心相結合的方法能夠徹底、快速處理轉子一點接地故障，為水電機組發電機轉子一點接地故障分析與處理提供了一種新的方式。