大型发电机转子接地故障真机模拟试验分析

杨新志，李 伟，慎志勇

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

发电机转子接地故障是机组最常见的故障之一[1-2]，如果发生转子一点接地，绕组与地之间未构成回路，对励磁电压和流经转子的励磁电流影响很小，基本不影响机组正常运转[3]。如果不及时处理，极有可能发生两点接地情况。假如发生两点接地，转子磁极部分被短路，使整个电机的气隙磁场对称性遭到破坏，磁场波形畸变，转子震荡加剧；总电阻降低，励磁电流增大，有可能发生转子绕组本体被烧坏[4]。转子接地故障查找常规方法有交流法与直流法，其故障判断方法大致可分为电压降法、电压分布法、阻抗法等[5]。直流法对于一点接地基本准确，但是对于两点接地因测量误差与短路回路分流等原因导致测量出现一定的偏差，同时因大电流通过两接地点形成回路，对转子铁芯也有一定的影响；同时对于不同的机组在使用相同的测量方法因干扰与内部结构不同，导致测量结果各有不同。为能快速定位出故障位置、丰富试验方法及总结数据规律，本文针对某电厂2台增容改造前机组，利用真机模拟各种短路接地故障，使用交流压降法、电压分布法及阻抗法来查找各类故障，同时对比其优劣，为今后该类型机组出现类似故障提供了试验方法最优选择及数据支撑。

本次模拟试验在某电厂增容改造前的6、21号机组上进行，该2台机组基本相同，磁极数为96个，容量为12.5万kW。

1 交流压降法查找转子金属性及非金属一点接地故障

1.1 试验原理分析

交流压降法的基本原理是发电机转子引线两侧通过隔离变压器通入恒值交流电源，当某点发生金属性短路接地时，该短路点并没有电流流过，只是把整个回路电压零电位参考点由隔离变零点转移至该接地点。测量转子引线两侧对地电压值及引线两侧的总电压，两侧的对地电压值大小即为该短路点到引线侧的磁极上的电压分量。因发电机转子每个磁极是一样的，每个磁极上的分压基本相同，该引线侧对地电压值与总电压值之比，为该引线侧磁极所占总磁极的百分数，总磁极已知，即可算出该段引线到短路点的磁极数。

计算公式如下：

U=U1+U2

式中：U为引线两侧总电压；N1为一侧引线侧通流磁极数量；N2为另一侧引线侧通流磁极数量；U1为一侧引线对地电压；U2为另一侧引线对地电压。

1.2 故障模拟及试验接线

为验证试验的准确性，本次试验在21号发电机设置了四组故障情况。转子未吊出机坑，利用短接线将转子45号磁极第12匝经不同的电阻值接地，模拟转子金属性及非金属一点接地故障,试验接线图如图1所示。

图1 转子磁极一点接地试验接线图

1.3 试验过程及结果分析

依图进行不同接地电阻故障设置，使用兆欧表确定转子故障设置成功。通过1号和96号磁极引线处对转子磁极通入1 A交流。万用表分别测量正极引线对地电压和负极引线对地电压以及正负极引线之间的电压，并记录数据，试验结果如表1所示。

表1试验数据中，以金属性接地为例，计算值为45号磁极第13匝，而设置的接地点在45号磁极第12匝，误差为1匝，其他电阻值时计算磁极数与实际接地磁极最大只有4匝的误差。因此交流压降法对发电机转子一点金属性和非金属性故障判断非常准确，对磁极那一匝短路判断因受测量及干扰等因素影响，存在部分误差。

表1 转子金属及非金属性一点接地故障数表

2 交流压降法、阻抗估算法、电压分布法查找转子两点金属性接地故障

2.1 试验原理

转子两地接地交流压降法与一点接地原理基本相同，只是通入电流后，两个接地点之间磁极被短接，接地点之间的磁极无电流流过。此时零电位点变成了两个短接点之间的部分。测量正极引线对地电压值为正极引线与其相连一个短接点之间磁极数分压，负极引线对地电压为负极引线与另一短接点之间磁极分压。通入电流不变，整个回路总电压值比正常时少了两个短接部分磁极分压。同时电流正常状态引线间的电压值已知，故障状态两引线之间电压值与正常状态引线电压值之比为两点接地故障状态回路磁极数，其他与一点接地电降法完全相同。

计算公式如下：

U总=U1+U2

式中：U为引线两侧总电压；U正常为正常状态下的总电压21.03 V；N总为实际总磁极数；N1为一侧引线通流磁极数量；N2为另一侧引线通流磁极数量；U1为一侧引线对地电压；U2为另一侧引线对地电压。

阻抗估算法基本原理是测量单个正常磁极分压及引线端对地的电压值，引线对地的电压值即短接点与引线之间的磁极分压。单个磁极分压已知，引线到短路点的分压已知，即可计算出引线到短接点的磁极数量。

电位分布法基本原理是测量整个转子磁极对地电压值，对地电压值突变为零的点即为短接点。但实际上短接部分还是有部分分流，不可能为零，只能是电压突变为最小点为短路接地点。

2.2 故障模拟及试验接线

本次试验在6号发电机上进行，分别将69～70号磁极、13～14号磁极使用短接线将磁极间连片短路接地，模拟发电机转子两点接地故障，试验接线图如图2所示。

图2 两点接地故障试验接线图

2.3 试验过程及结果分析

在49、50号磁极间通入1 A交流，然后依次测量两磁极引线处对地电压，并记录试验数据，如表2、3所示。

表2 交流压降法试验数据表

表3 电压分布法及阻抗法试验数据表

由表2可见，利用交流压降法计算的接地磁极号为14、70号磁极，与设置的故障点一致，该方法对故障判断非常准确。

由表3可见，阻抗估算法中单个磁极的交流阻抗取0.835Ω，则串入回路的磁极个数约为46/0.835≈55个，其他与分压法一样，可得接地点计算值为69.05和15.05，69～70号处无偏差，13～14号磁极与实际设置故障点偏差一个磁极。

阻抗法计算时，不能取短路点磁极最邻近的磁极阻抗作为标准值，因短路导致该部分磁极没有电流流过，对邻近的磁极无耦合磁链，整个阻抗值较小。如取该磁极作为标准计算阻抗，会带来较大误差。在实际工作中因不知道磁极短路点在何处，只能多测量几个磁极阻抗，或者使用原始无短路数据作为标准值，这样计算出来的数据基本误差不大。同时从阻抗估算法可见，单个磁极交流阻抗受外界条件影响，都有部分差别，无论如何取值都会带来误差，但判断基本准确。

从表3可见，使用电位分布法，电压最低点就在69～70号、13～14号磁极，该方法方便、准确。但定位故障位置时，需测量全部磁极对地电压值，费工费时，因此该方法不作为首选方法使用，可以结合阻抗法、或者电压降法再次确认故障位置配合使用。

3 无隔离变交流电位分布法查找转子磁极金属性一点接地故障

3.1 试验原理

直接通过变压器给磁极引线一端通入交流恒流源，通过接地点与变压器接形成回路。因接地点为零电位点，沿该通流引线侧依次测量每一个磁极对地的电压值，电压值沿引线侧不断下降，直到接地点变为零。理论上接地点的电压为零，但是实际上因地回路也有部分电阻分流，所以测量的短路点对地不可能为零，只能是某一个最小值。

3.2 故障模拟及试验接线

本试验在6号发电机进行，共进行了两次，通入电流不同，故障点设置也不相同。试验接线图如图3所示。

图3 电位分布法金属性一点接地故障试验接线图

3.3 试验过程及结果分析

依图进行试验接线，测量转子绝缘，确定故障设置成功。在50号磁极引线侧通入电流，第一次为1 A电流，第二次电流为2 A，并记录试验数据，如表4所示。

通过表4可见，随着测量位置越接近故障点，磁极对地的电压值也不断降低，直至到故障点电压变为最小。然后从故障点继续向前测量，磁极电压值反而有缓慢上升，原因其一：短路点以外部分电路电阻不可能趋于无穷大，有部分细微分流；其二：短路点磁极磁场与相邻磁极耦合磁链产生电势，所以测量值反而增大。但是从表4可见，试验电流增大到2 A之后，数据比较起来更加明显，大电流会弱化干扰影响。因此在实际试验中如果采用此方法查找故障，可适当加大试验电流，减小干扰影响。

表4 电位分布法金属性一点接地试验数据表

4 无隔离变电位分布法查找转子磁极低阻性接地故障

4.1 试验原理

试验原理同金属性接地完全相同，只是通过滑动电阻接地，接地点出现了较大的分压，接地点为整个转子磁极对地电压最小值点。

4.2 故障模拟及试验接线

本试验在6号发电机进行，通过滑动变阻器在69～70号磁极接头处接地。试验接线图如图4所示。

图4 电位分布法非金属性一点接地故障试验接线图

4.3 试验过程及结果分析

依图进行不同短接接地故障设置,测量转子绝缘，确定故障设置成功。自50号磁极引线处通入1 A交流电流。在通交流电情况下，滑动变阻器阻抗为11.43 Ω；断电情况下，测得滑动变阻器阻抗为1.2 Ω。试验数据如表5所示。

表5 电位分布法非金属性一点接地故障试验数据表 V

将表格中数据转化为折线图，其变化趋势如图5所示。

图5 电压分布法非金属性一点接地故障试验数据变化趋势图

从表5及图5可见，从66号磁极之后，磁极对地电压值基本上没有太大变化，故障大概位置也能从试验数据及图表中分析出来。图5可见短接点位置附近及后面的磁极对地电压值基本接近于一条直线，完全准确判断出故障磁极号就有一定的难度。虽然从数据上可见接地点69～70号磁极接头电压值最小，但相邻磁极接地电压与其相比差别并不大。如果故障位置的接地电阻分压和回路磁极分压相同，故障磁极范围就会在增加一个磁极，因此该方法适用性相对差一些。

5 无隔离变电位分布法查找转子两点接地研究

5.1 试验原理

与一点接地查找方式基本相同，需试验进行两次，从引线两侧各通入一次试验电流，使用电位分布法分别找出两次通流时的最小电压值磁极号即为接地点位置。

5.2 故障模拟及试验接线图

本试验在6号发电机进行，分别将69～70号、13～14号磁极间的接头直接接地。试验接线图如图6所示。

图6 电位分布法两点接地故障试验接线图

5.3 试验过程及结果分析

依图进行不同短路接地故障设置,测量转子绝缘，确定故障设置成功。69～70号磁极接地故障试验：自50号磁极引线处通入1 A交流；13～14号磁极接地故障试验：自49号磁极引线处通入1 A交流。试验数据如表6所示。

通过表6的试验数据对比可见，69～70号、69～70号磁极接头处-E电压最低，接地点即为69～70号、69～70号磁极接头。该方法能准确定位出接地点磁极号，但是该方法试验过程相对繁琐，需要基本完整的磁极数据，工作量较大，需要时间较多。可与阻抗估算法配合使用，提高效率。

表6 电位分布法两点接地故障试验数据

6 结 语

从以上各种试验数据对比可见，理论分析与真机模拟试验有部分差距。交流压降法对于转子一点金属性及非金属性接地，受外电路影响比较小，基本上能判断到故障磁极的那一匝短路接地，相对非常准确；交流压降法、阻抗估算法、电位分布法对于查找转子两点接地故障定位都存在部分误差，主要受相关支路细微分流及外磁路的耦合磁链影响，但是这几种方法相互结合对故障的查找速度及准确定位能起到事半功倍作用；无隔离变压器电位分布法也因非通流回路部分磁极受通流磁极磁场影响，出现对地电压大于接地点磁极对地电压的情况，误差较大，理论与试验存在差距较大，使用性不强。 通过各种方式短路的试验数据分析对比及规律分析，清晰可见各种查找短路点故障方式都有其特点，虽然一些方法对故障判断有误差但是基本准确。通过本次真机故障模拟试验，为今后该类问题分析奠定了通过数据支撑及方法选择基础。

但因工期及试验方案准备不足，导致故障模拟试验也存在部分差距：两机无同类型试验数据对比；两点非金属性接地故障无模拟，试验数据实际规律无法分析；试验数据收集也不够完整，特别是不经隔离变压器的电压分布法对整个磁极变化数据并没有收集完整，整个磁极变化情况并未知晓，对精准判断故障数据走势有部分影响，需要在今后在实际工作中不断完善、积累。