直流系统接地故障分析及处理

摘  要：转子接地故障现象在水电站时有发生，轻则一点接地报信号故障，如果发生两点接地就会严重会影响机组设备、系统的安全运行，通过多次对电站直流系统接地的分析，特别是对直流回路的碳刷、磁极线圈、引线的绝缘研究。对双滩水电站的实际案例分析和对故障的处理，确定了直流系统故障处理时应该重点思考的故障点，从而为电力系统发电机组出现类似问题有针对性地提出解决思路和指导方法。

关键词：磁极;轴领;盘车;操作油管

Abstract：Rotor grounding fault often occurs in hydropower stations. If there is light grounding fault，one point grounding will report signal fault. If two-point grounding occurs，it will seriously affect the safe operation of the unit equipment and system. Through the analysis of the grounding of the DC system of the power station for many times，especially the insulation research of the carbon brush，pole coil and lead wire of the DC circuit. Based on the analysis of the actual case of Shuangtan hydropower station and the treatment of the fault，the fault points that should be considered in the DC system fault treatment are determined，so as to put forward the solutions and guidance methods for the similar problems of the power system generating units.

Keywords：magnetic pole;shaft collar;turning gear;operating oil pipe

0  引  言

水電站水轮发电机是发电系统重要的设备核心部件，随着机组运行时间的增加，碳刷长久磨损并日积月累产生大量的粉尘，在滑环、绝缘胶木、碳刷吊架之间造成直流系统一点接地或两点接地;也有可能转子绕组磁极线圈绝缘老化造成接地;也可能磁极线圈之间接头的直流电阻过大进而由于Q=I2RT温度升高使其绝缘破坏而形成转子接地故障;也有可能是磁极引线长期在高温的环境中工作老化，绝缘被破坏。本文通过分析处理双滩水电站转子一点接地故障实例，提出了实用可靠的分析方法和处理措施，总结出可行的经验。

1  机组概况

双滩水电站位于巴中市通河下游距离平昌县城20 km处，该电站水轮发电机组型号为SF12-28/5100，结构采取普通伞式，额定功率为12.43 MW。发电机采用三相凸极同步发电机，功率因数为0.8（滞后），额定励磁电流590 A，额定励磁电压210 V，励磁方式为可控硅静止自励，额定转速为214.3 r/min。于2009年修建成功投产，全自动化运行至今安全运行10年。

2  事件概况及判定

2.1  事件概况

2019年9月28日，值班人员在双滩水电站1号发电机组运行过程中听到中控室监控系统连续报警“1G转子一点接地”，运行值班人员迅速赶赴发电机层查看保护屏柜保护装置，发现转子接地呈现红色报警信号，发电机差动保护，失磁保护，后备保护均正常，且机组运行正常，巡视人员查看各表计：

（1）有功功率;

（2）无功功率表;

（3）发电机母线电压表;

（4）机组推力油槽、瓦温、上导、下导瓦温度均正常;

（5）巡视人员连续几次手动复归转子一点接地，复归后很快又报动作信号，根本不能复归，说明不是误动，系统继续发出警报。

于是巡视人员立即报告中控室内值班长现场情况，运行负责人决定征得省调同意后迅速将负荷转到2G，停1G，随即汇报公司技术部负责人处理。

2.2  事故的分析以及处理

双滩水电站发电机组采用BD-13转子一点接地保护装置，当转子直流系统只有一点接地时，因为没有电流通过故障点，不会对机组造成任何危害。如果发生两点接地则故障电流非常大，会破坏转子磁场的对称性而产生不平衡磁场和机械力，导致机组发生剧烈震动，机端出口电压下降（欠励）定子电流急剧上升，此时两点接地应动作跳闸，而造成机组非停受省调考核。

检修人员到达现场，分析该现象的各种可能：

（1）保护装置软故障造成误报，保护装置本身故障;

（2）灭磁开关接地故障;

（3）碳刷经常运行而磨损的灰尘与大轴、刷架、集电环连成一体造成接地;

（4）磁极和磁极相连接的地方，接触不良而直流电阻增大，机组带满负荷时励磁电流大，接触点温度升高，接头融化与阻尼环接触造成接地故障;

（5）任何一极磁极引线在长期运行中因温度高而老化损坏造成接地。

针对以上集中情况，检修班组按照操作规程、安全规范落实好安全措施，填写好工作票并经过许可，开始制定检修方案计划，包括进度和质量。首先检查保护装置，没有发现问题，并用同型号的新的保护装置代替旧装置，故障并没有消除。于是解开灭磁柜下端励磁回路正负极引线，检查柜内没有任何异常。用500 V绝缘表测试转子回路，绝缘阻值为0 Ω。判断问题出在励磁引线到磁极这一部分，首先在集电环上下分别解开两根正、负极引线，并用500 V绝缘表分别测试引线的正、负极的绝缘，测试结果均为6 GΩ，说明引线完好无损。再同样测试滑环与磁极连接的部分，测得阻值为0 Ω。运用多年的检修和运行经验，先用低压气反复吹扫上、下集电环、碳刷、刷架，以及磁极引线与大轴的连接部分，并用白布加汽油逐一擦拭干净。再打开发电机盖板，仔细分别检查了14对磁极的连接处是否有烧毁后接地的迹象，目测均没有发现任何问题。系统接地问题仍然无法得到解决。于是决定将转子两端的磁极与通过轴领下端引出线的接头拆卸下来，再用绝缘表分别测试整个转子部分的绝缘，引线经过轴领的正负极，结果发现28个磁极相连完好无损，绝缘也符合要求，正极至磁极的那部分绝缘完好，但负极至磁极部分绝缘阻值为0 MΩ。这段引线从上轴领进到下轴领出，一共只有1.50 m长度，铜排全部嵌进了轴领然后用绝缘胶木压板压紧。为找到准确的接地点，检修人员拆掉受油器、上操作油管、油盆、发电机端罩、集电环等相关部件，将引线进出端外层的绝缘木剥开，仔细检查发现上端头绝缘良好，但下端与大轴相连接处以前缠的绝缘玻璃丝带、涂刷的绝缘漆都已经老化脱落，铜排外露并无大轴体相接触而形成接地。

3  故障处理

为了将问题根除，决定还必须拆除发电机上导瓦、油盆、受油器等相关部件，拔出嵌入轴领的全部引线，并重新做绝缘防护措施。采用三相交流大电流发生器，12个发热板，连续加热整个轴领。引线上端头用卸扣通过2 T的葫芦悬吊在行车的吊钩上，利用金属热胀冷缩特性的原理，当轴领整体温度升高后，提升行车，拔出磁极引线。逐层剥去以前安装时的绝缘层，用特制的专用工具清洁轴领上引线槽的残留绝缘料，并用汽油清洗干净，引线的两端20 cm内采用砂纸打磨干净，除去锈迹和残留物。使用绝缘纱带重新严密层层缠绕，四周涂抹绝缘漆，尽量让绝缘漆浸透白纱带，正面上下层用绝缘电胶木遮挡，轴面先涂抹一层绝缘漆，经过500 V摇表测量，重新缠绕的引线绝缘为10 GΩ，符合要求，如图1所示。然后将引线以及绝缘垫层使劲嵌入到轴领原来的引线槽内，两侧分别嵌入绝缘板并紧固引线上下端头，引线两端用自攻螺丝紧固，再做整体绝缘测试符合要求，引线两段出轴领处用环氧树脂做加固处理，避免机组运行过程中引线再次震动松脱而与大轴摩擦，损坏引线的绝缘。

4  机组回装

故障点处理完毕，回装上导瓦、上操作油管等，盘车机组操作油管，轴领找正，通过用行车对机组连续旋转一周甚至数周，在轴领上下和水导+x和+y方向均架设一只合格的百分表，分别均匀找8点测试，记录相关摆度数据并分析，如图2如示。同样的方法对上操作油管盘车找正。盘车是回装调试的重要内容，必须把摆度调整到最小范围，双向摆度一般不超过0.2 mm，并对比上次机组大修时的检修盘车记录，综合分析机组状态符合要求后，方可回装油盖、端罩、受油器、桨叶传感器和指针等其他相关附属设施。回装过程中特别注意用白布填塞住操作油管的孔口，避免杂物误入。

发电机主要设备部件回装完毕并符合要求，连接磁极正、负极引线至上下滑环，清洁碳刷和刷架，按标准规范连接轴领两侧引线和磁极两段，安装好碳刷及弹簧，然后对整个回路做清扫，在励磁柜出口端用500 V绝缘变测试整个磁极回路绝缘为4 GΩ，符合要求。同时用直流电阻测试仪测直流电阻为0.02 MΩ，符合设计要求，然后将其回路接入柜内，重新开启1G并入电网运行，投入保护屏的转子一点接地装置，故障消失复归，装置不再报警。

5  结  论

发电机转子一点接地是机组不正常的运行状态，尽管一点接地时并没有电流流过故障点，励磁回路的参数会保持不变，发电机仍可继续运行，但其对地电压有所改变，在最不利时有可能产生两点接地，所以应该选择停机检修消除故障。因为一点接地往往是两点接地的前奏，如果造成两点接地，两个接地点之间流过很大的短路电流，所产生的电弧可以烧毁励磁绕组的铁心和绕组，气隙对称性遭到破坏，导致转子剧烈震动，这对发电机本身都十分有害，对凸极式转子的水轮发电机危害更大，因此在保护系统报警转子一点接地时必须足够重视，停机排除故障或检修，确保机组运行可靠安全。通过本次对故障点的分析和排障，给我们以后同样的问题提供了借鉴的依据、思路和方法。

参考文献：

[1] 练静，杨晓斌.对直流系统接地故障的分析与处理 [J].中国科技信息，2008（18）：132.

[2] 陈肇辉.变电站直流系统接地故障的处理方法 [J].广东科技，2008（20）：118-119.

[3] 徐海明，王全胜.变电站直流电源设备使用与维护 [M].北京：中国电力出版社，2007.

作者简介：李志琼（1982.07—），女，汉族，四川巴中人，電气工程师，本科，研究方向：水利发电。