660MW汽轮发电机转子接地故障查找及原因分析

摘 要：本文针对某电厂发电机转子发生的一点接地故障，对转子接地故障过程进行了介绍，并通过整个故障过程中的相关数据对接地故障进行了分析，经分析判断，故障当时确应有转子回路金属性接地，通过一步步排查确定了故障点在转子内部。抽出转子后，又通过内窥镜等非电量法及电压分布法和两极电压法等方法确定了故障位置。其中，简便判断方法和解决方案对同类型故障处理有一定的借鉴意义。

关键词：发电机；转子接地；故障点查找；原因分析

中图分类号：TM312 文献标识码：A 文章编号：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

某發电厂9号机为国产660MW两卷变单元机组，自并励静止励磁，转子冷却方式为氢冷，发电机保护为南瑞继保公司RCS-985G微机保护，发电机转子接地保护为ABB UNS3020继电器型保护装置，该厂励磁系统图如图1所示。

9号机组在进行励磁系统空载试验时，DCS及励磁控制柜同时发出转子接地保护和转子一点接地告警信号，并延时跳开灭磁开关，此时发电机转子电压电流接近于零；转子一点接地保护动作之后，相关人员对此信号进行复归，发现该信号复归不掉，随即对转子绕组（带正负直流母线）进行了绝缘检查，发现绝缘为零。

根据故障时DCS记录的数据，如表1所示，故障发生时励磁电流、励磁电压并没有明显的波动，并且灭磁开关跳闸发生在逆变灭磁之后，此时转子电压电流接近于零。

从表1中可以看出，9号发电机在整个运行过程中，机端电压和励磁电压电流比较平稳。其中在05：27：21.896产生的短暂波动和变化在机组运行的正常范围内。

针对以上异常情况，在保护装置信号无法复归的情况下，对转子及励磁回路进行了绝缘检查，绝缘为零，无变化，综合以上数据判断接地性质应为稳定性金属接地。根据《汽轮发电机运行规程》6.3.5条的要求“当发电机的转子绕组发生一点接地时，应立即查明故障点与性质，如系稳定性的金属接地，应尽快安排停机处理。”停机取出所有碳刷之后，又分别对转子及励磁回路进行了绝缘检查，发现转子绝缘为零，无变化，励磁回路绝缘良好，确定了接地点在转子部分。

2 故障查找

根据故障时DCS记录的数据与停机之后绝缘检查的结果分析，判断故障当时确应有转子回路金属性接地，所以应重点检查励磁小轴、联轴器处的极掌及其连接螺栓部分的绝缘。经过进一步检查，先排除了两个集电环导电螺钉及绝缘套存在问题的可能性，又排除了两个护环下导电螺钉至1号线圈引线存在问题的可能性，至此，基本上确定接地点在转子内部，10月30日在拆开端盖之后又用直流压降法初步判断接地点在A极#7槽（如图3所示），但具体是在端部还是在直线部分、第几层仍不能确定，需抽出转子后做进一步检查。

2.1 转子的绝缘检查

9号发电机转子抽出堂外之后，为了进一步确定接地点位置，对转子又进行了进一步的检查。

2.1.1 采用内窥镜检查

为了查寻发现故障点，尽可能避免对转子护环和绕组的拆卸，首先采用非电量测量方法，利用内窥镜对转子内部进行排查。当拆除发电机上端盖内外端盖后，首先对端部进行内窥镜检查，当转子抽出后，用内窥镜又细心地对两端护环下的绕组及绝缘垫块进行仔细检查。尤其应对发电机转子绕组出线处进行重点观察。其他可观察到的地方也逐一进行观测检查。总之，对于所有能用内窥镜观测到的地方都进行了检查。检查未见异常。

2.1.2 转子的清扫

当发电机转子内窥镜检查完成后，对转子进行清扫，采用大功率吸尘器和高压压缩空气对发电机转子表面、通风孔道等部位进行认真吹扫，吹扫同时监测转子绕组的绝缘情况，绝缘情况未见好转。

2.2 转子绕组接地点查寻测量方法及接线

综合上述情况及现场条件的制约，决定采用绕组电压分布法来判断转子绕组接地点的具体位置。绕组电压分布法也称为直流压降法，原理与直流电阻比较法相同，其接线如图2所示。

在转子绕组两端，施加直流电流，用电压表测量转子绕组各匝对转子轴的电压U，图2中Rg为接地点电阻。当发电机转子接地为可靠性低阻（几欧姆）接地时，可以根据转子绕组各匝的对地电压分布来分析判断接地的线圈位置。

现场实际测量中采用DSM600型直阻测试仪，施加电流35.3A，此时转子端部AB极之间电压为3V，测得数据如图3和图4所示。

其中图3为转子在膛内时打开端盖后测量的结果，从图3的测量结果可以看出，在#7槽励侧端部右角测量直流对地电压为0.048V，#8槽端部左角测量的直流对地电压为-0.328V（B极测量值全部为负，A极#7槽之前数值全部为正），所以接地点应在#7槽上，但是因为所测数据都为最底匝绕组，而#7槽线圈缠绕方向为自下而上，所以此值包含了#7槽的所有线圈，因此不能判断接地点在#7槽的端部还是直线部分，抽出转子后又重新进行了测量，分别测得最底匝线圈和最上匝线圈所测数据如图4所示，因此为最上匝所测数据，根据最上匝线圈数据和转子绕组绕线结构（每个槽内9匝，每极72匝，单号槽缠绕方向为自下而上，双号槽缠绕方向为自上而下）可以判断故障点在#7槽端部。根据实验结果决定只需扒励侧一侧护环。

扒开励侧护环后，经检查在A极#7槽端部靠近顶匝过桥线的位置发现了故障点，根据故障点的情况和转子接地保护动作情况分析，应为金属性异物通过通风口打到绝緣板之后，通过不断放电缓慢地发展成为稳定性的金属性接地。

在找到故障点之后，现场又用两极电压测定的方法确定了转子绕组没有发生匝间短路，两极电压测定法的试验接线如图5所示，a、b分别为正、负极，o为转子绕组中点，当转子绕组为高阻状态下，在发电机转子绕组正、负极两端施加交流电压，分别测量转子绕组中点到两极的交流电压值，判断转子绕组的匝间绝缘情况，公式如下：

Z1=Z2；Uao=Ubo

Uab=Uao+Ubo

当Uao和Ubo的不平等度较大时，即可判断为有匝间短路故障或可以判定绝缘缺陷在哪一极。用两极电压判定绕组的匝间绝缘情况具有一定的灵敏度。

现场实际测量Uab=229V，Uao=114.4V，Ubo=114.5V，Uao与Ubo相差0.1V，去除测量误差的影响Uao=Ubo，因此可以判定转子绕组无匝间短路。

3 原因分析

通过对9号发电机转子缺陷的处理，我们认为该故障属于转子绕组端部“稳定性金属性接地故障”。根据试验结果和现场所看到的故障情况进行综合分析，该故障是由金属性异物造成的。在击穿点已经烧穿的绝缘板上，可观察到有少量金属熔化物，说明事故发生时应有金属性异物打穿绝缘板导致转子顶层绕组与护环放电，进而烧穿绝缘板导致稳定性接地，鉴于此发电机的结构特点，该转子设计为松弛结构，槽楔在轴向有微小滑动和径向振动，绕组与槽衬间不够紧密，在发电机长期运行及多次起停机的过程中，槽楔、阻尼条及绝缘块发生窜动磨擦，加之长时间的积累效应，并在出风区产生的出风涡流的作用下，使污秽逐渐进入发电机转子绕组绝缘间，降低了绕组的绝缘水平。从故障点来看，此处正好为出风区，从而可以证明这一点。大型汽轮发电机都存在一定的污秽现象，但应在允许的范围内。如果其仅仅存在污秽问题，并不能直接导致绝缘降低的问题，与国内其他发电机比较，该机的污秽情况是非常轻微的，国内有些污秽较严重的发电机仍然能保持良好的绝缘状态，只有当金属性异物与污物相互作用，并且进入合适的位置时，才能造成绝缘降低的后果。如果有金属异物存在，那么势必产生金属性接地故障现象，并且在击穿后一般会伴有金属残骸出现。

4 结 论

本次故障处理对烧穿的绝缘板进行了更换，并对转子绕组进行了清理，处理之后按《电气设备交接试验标准GB50150-2006》进行检测，所做各项试验均达到标准。要从根本上杜绝此类事故的发生，除了制造厂家在设备制造过程中要加强质量管理外，还要在安装设备时严格按照相关规定对质量进行把关。此次发电机转子接地故障的查找、分析和处理方法凸显了理论与实践相结合的重要性，对同类故障的查找及处理具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 李建明，朱康.高压电气设备试验方法 [M].（第2版）.北京：中国电力出版社，2001.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理及应用 [M].（第2版）.北京：中国电力出版社，2001.

作者简介：张兴滨（1984-），男，汉族，河北昌黎人，高级工程师，本科，研究方向：电力系统继电保护及安全自动装置、电力系统计算、电力系统分析。