基于交流无刷励磁发电机转子一点接地故障分析处理及防范措施

潘作新

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200)

引言

转子一点接地是监测汽轮发电机转子回路绝缘的重要保护,发电机正常运行时，发电机转子回路与大地之间是绝缘的[1]。当发电机转子回路绝缘降低到一定值时,就会引起转子一点接地报警。转子一点接地分金属性接地和非金属接地，一旦再发生另外一点接地的话，就会触发转子两点接地导致发电机组跳闸。

1 发电机及励磁系统

某公司25 MW 汽轮机发电机组采用单缸抽汽凝汽式汽轮机C25-3.43/0.7，发电机采用QF-W25-2空冷无刷交流励磁发电机组，电压为10.5 kV，功率为25 MW，励磁系统采用GEX-2000 发电机励磁调节器，发电机保护装置采用CSC-306E 数字式发电机保护装置，励磁一点接地保护采用乒乓式工作原理，保护测量电路原理图如图1所示。

图1 保护测量电路原理图

原理图中通过轮流接通电子器件S1、S2的三种情况，利用戴维南定理求解三种情况下的回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。Rs 为实时接地电阻值，此外采用乒乓原理的转子一点接地保护接地电阻与回路接地点的位置和励磁电压大小无关，对于转子回路中任何地点发生接地故障都具有很高的灵敏度。

2 故障情况及检查处理

2.1 故障现象

6月27日16时10分，25 MW机组发电机保护装置CSC-306E 转子一点接地（电阻0.99 kΩ）报警，对保护装置CSC-306E 进行复位后，转子接地电阻值恢复在11 kΩ，转子一点接地高段报警值为10 kΩ，低段报警值为0.5 kΩ。6月30日转子一点接地报警三次，接地为瞬间接地，复位后恢复正常。对正极励磁碳刷刷架轴固定处绝缘套磨损处进行环氧树脂胶修复后，转子接地电阻上升至1.3 kΩ。运行至9 月2 日，转子一点接地（电阻0.7 kΩ）再次报警，期间有不定期报警信息，组织对励磁装置进行解体检查，发现故障原因并进行了处理，转子接地电阻恢复正常。

2.2 故障一般原因

结合大量的汽轮发电机转子一点接地故障案例，总结出转子一点接地的主要原因主要有以下五个方面。

⑴转子本体：检查发电机转子本体及内部绝缘情况，重点关注集电环装置有无异常，励磁引线、导电螺钉、刷架、绝缘板及碳粉、油污污染情况。

⑵励磁机：检查励磁整流装置及励磁机转子绕组回路接地情况；检查励磁滑环小室碳粉积聚情况，检查励磁机绝缘监测碳刷情况。

⑶励磁柜：检查励磁调节器柜内主回路及检测回路情况；检查励磁调节器输出至励磁机电力电缆绝缘情况。[2]

⑷发电机大轴接地碳刷：检查发电机大轴接地碳刷油污污染情况及是否可靠接地。

⑸发电机保护装置：对发电机保护装置进行保护传动试验，是否存在误动作情况。

2.3 故障排查

结合现场情况，对以上主要原因进行了逐一检查测量。

⑴发电机本体及转子绝缘电阻检查情况

拆除励磁机定子后，将励磁整流装置与发电机转子正负极连线断开后，对发电机转子进行绝缘摇测，阻值为76.9 MΩ，绝缘合格，排除发电机转子本体原因。

⑵发电机大轴接地碳刷检查情况

经检查大轴接地碳刷及刷握周围有大量油泥，原设计的接地碳刷体积较小，导致接触面小，接触不牢靠，接地阻值偏大现象，对接地碳刷进行清理后，并对接地碳刷进行改造，改造为体积较大的碳刷，但试机后转子一点接地报警仍存在，排除接地碳刷原因。[3]

⑶发电机保护装置306E检查、试验情况

对3号机、4号机保护装置进行对调，更换定值，将原一点接地延时时间由2.0 s 更改为8.0 s，试机后故障仍存在。使用继保仪等对保护装置进行校验，模拟转子正负极电压及人工对试验线路进行接地试验，保护装置均动作正常，排除接地保护装置误动作的原因。[3]

⑷励磁机监测碳刷检查情况

对励磁机励磁电压监测碳刷系统检查（图3 ②处），发现正极励磁电压监测碳刷刷架轴固定处绝缘套磨损，磨损处有一条深痕，见图2。对磨损处进行环氧树脂胶修复后，绝缘电阻有所上升，但仍偶尔发生接地报警。

图2 绝缘套磨损实物图

⑸励磁系统至励磁机电缆检查情况

根据励磁机及整流装置原理得知，励磁系统输出交流电流，在励磁机定子中产生交变的励磁磁场，励磁机转子切割磁力线在转子中产生感应电流，感应的交变电流通过整流装置中的旋转二极管整流又变成直流电流，通过铜排输出至发电机转子中，对励磁柜至定子励磁机的电缆进行绝缘摇测，阻值为20 MΩ，绝缘合格，排除励磁电缆故障。

⑹励磁整流装置检查情况

对励磁整流装置进行绝缘摇测，阻值为115 kΩ，低于标准0.5 MΩ，对比新整流装置备件绝缘阻值为291 MΩ，通过绝缘阻值对比分析判断励磁整流装置绝缘不合格。将励磁转子绕组与整流装置断开（图3 ①处），单独测量励磁转子绕组，阻值为75 MΩ，绝缘合格，排除励磁转子绕组原因，综合排除法，分析判断整流装置绝缘存在问题。

图3 发电机及励磁机原理图

进一步组织对励磁整流装置拆卸解体检查，摇测二极管对整流装置外壳绝缘42.8 MΩ，绝缘合格，二极管本体正向导通电压为0.37 V 左右，反向耐压1 000 V合格，二极管正常。对阻容保护元件进行绝缘摇测，负极三组阻容元件电阻对外壳均为绝缘1.26 GΩ 左右，电容为223 μF，正常。而正极其中两组用万用表测量电阻对外壳（电阻散热片）阻值为70 kΩ 和300 kΩ 左右，用摇表摇测绝缘电阻为7 kΩ（<0.5 MΩ），绝缘不合格。通过整流装置阻容元件检查发现，阻容元件中的电阻底座尺寸与整流装置外圈尺寸匹配不合适，导致固定电阻的螺丝及垫片与整流装置外壳距离较近，长时间运行过程中，整流装置阻容元件碳粉聚集，螺丝表面绝缘漆损坏等影响下导致电阻散热片与外壳接触，引起绝缘不良是最终造成此次转子接地报警的直接原因。

3 防范措施

⑴对发电机保护装置中接地电阻数据上传至上位机，根据曲线趋势进行分析判断转子接地情况，一旦发现绝缘电阻持续下降，及时结合检查进行处理。

⑵结合检修，每年对励磁机外罩拆除，对励磁整流装置、励磁电枢绕组，转子接地碳刷绝缘套进行压缩风吹扫，绝缘摇测，记录绝缘阻值，并将检修项目固定到检修标准中。

⑶与厂家进行技术交流，更改电阻底座的尺寸或者将螺丝及垫片改为绝缘材质，避免电阻底座固定螺丝与整流装置外圈距离较近导致转子回路绝缘不良的情况发生。

4 结语

转子一点接地保护能实时监测转子及回路对大轴绝缘电阻的大小，若发电机运行中发生非金属转子一点接地报警后，按照规范机组可观察运行情况，但要立即采取相应的处理措施消除一点接地报警。[4]本文针对交流无刷励磁汽轮发电机转子非金属性一点接地报警，对报警的原因进行了逐步检查，通过排除法最终确认了故障原因并制定了防范措施，对其他交流无刷励磁汽轮发电机出现转子接地报警查找处理提供了参考依据。