水电机组转子一点接地故障分析与处理

马代斌

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

0 前言

转子一点接地是水电机组调试、运行过程中常见的一种故障，尽管不影响励磁系统正常功能但仍会增大诱发两点接地事故发生的可能性。转子两点接地时，由于故障点流过相当大的故障电流烧伤转子本体，并使励磁绕组电流增加而发热、烧伤；且由于部分绕组被短接，气隙磁通失去平衡，引发机组振动增大，甚至可使轴系等磁化，造成机组严重受损，所以应当给予高度重视、及时处理。目前，处理转子一点接地故障的难点是接地点的查找以及电站现场处理。鉴于此，我们根据国内某抽水蓄能电站300 MW 级发电电动机调试过程中转子一点接地故障分析与处理的全过程，详细阐述了水轮发电机调试、运行过程中转子一点接地故障查找与处理的新工艺方法和注意事项。

1 转子一点接地故障原理分析

1.1 转子一点接地故障常见原理分析

转子励磁回路结构设计通常包括励磁电缆、集电环、转子引线、转子磁极、磁极配套极间连接线和保护装置回路等。

根据接地点位置不同，水轮发电机转子一点接地故障常见有如下3 点[1]。

（1）转子外部接地。具体包括转子励磁电缆接地、集电环碳刷架烧损、转子引线接地、集电环碳刷粉尘过厚等。

（2）转子内部接地。具体包括磁极受潮接地、磁极线圈与铁心之间极身绝缘接地、磁极线圈匝间短路接地、磁极配套极间连接线接地等。

（3）保护装置回路接地。具体包括大轴一点接地回路端子松动导致不平衡发转子接地信号、保护装置回路设备老化造成误发转子接地信号等。

1.2 转子一点接地故障实例分析

转子一点接地故障原因查找分析的传统方法是将励磁装置与转子绕组断开、所有磁极的极间连接线断开，然后使用绝缘兆欧表分别进行绝缘电阻测量，根据测量阻值的大小分析、判断接地故障点。

国内某抽水蓄能电站300 MW 级发电电动机调试过程中曾发生转子一点接地故障，根据电站现场多次分析与实际操作的相互验证，总结出均电压测量法、绝缘电阻测量法与计算相结合的新方法查找故障：

（1）利用传统绝缘电阻测量法检测转子励磁回路是否为直接金属接地。

（2）检查保护装置回路是否存在异常。

（3）利用传统绝缘电阻测量法逐一检测和排除励磁电缆、转子引线、集电环等是否存在接地故障点。

（4）利用均电压测量法检测磁极接地点。

该方法操作如下：从励磁控制柜端输入一定大小的交流电压，通过测量转子绕组的正极对地、负极对地的电压值，忽略电压在励磁引线、转子引线部分的损失值，按均分电压值分配到每一磁极，通过计算转子绕组的正极对地、负极对地的电压值与输入电压值的比例，即可算出接地点的具体位置。均电压检测法接线图及转子一点接地时转子电压分布图如图1、图2 所示[1]。

图1 均电压检测法接线图

图2 转子一点接地时转子电压分布图

（5）根据图2计算分析：V1/V=R1I/RI=R1/R或V2/V=R2I/RI=R2/R

式中V——从励磁控制柜端输入的一定大小的交流电压；

V1——从励磁控制柜端测量的正极对地电压；

V2——从励磁控制柜端测量的负极对地电压；

R——转子回路交流阻抗；

R1——转子回路正极至接地点的交流阻抗；

R2——转子回路负极至接地点的交流阻抗；

I——流经转子回路的电流。

（6）利用交流阻抗测量法检测磁极是否存在线圈本体匝间短路。

1.3 某电站转子一点接地故障查找及分析

（1）停机后，用1 000 V 及以上等级兆欧表分别测量励磁控制柜内励磁回路正极、负极的对地绝缘电阻，阻值均为0，说明励磁回路存在直接金属接地点。

（2）拆除所有集电环碳刷，用1 000 V 及以上等级兆欧表分别测量集电环正极、负极的对地绝缘电阻，阻值均为0，说明直接金属接地点分布在磁极、极间连接线、转子引线、集电环回路。

（3）拆开转子引线与磁极，用1 000 V 及以上等级兆欧表分别测量转子引线、磁极和极间连接线的对地绝缘电阻，测得磁极和极间连接线整体绝缘电阻值为0，说明磁极或极间连接线存在直接金属接地点。

（4）彻底检查转子磁极上、下端部极间连接线，无明显金属接地点，分析最大可能接地点为磁极本身。

（5）使用均电压法查找磁极准确接地点，从励磁控制柜端输入24 V（共12 个磁极）交流电，实测得到正极端对地电压值约为13.5 V、负极端对地电压值约为10.5 V，则基本推出从正极端转子引出磁极往负极端转子引出旋转至第7 个磁极（从负极端转子引出磁极往正极端转子引出旋转至第5 个磁极）位置为接地故障点。

（6）对比测量磁极交流阻抗值，排除了磁极线圈本体存在匝间短路。

2 转子一点接地故障处理

转子一点接地故障点位置分析出来后，便是针对接地故障点进行快速、彻底的处理。结合国内某抽水蓄能电站300 MW 级发电电动机调试过程中转子一点接地故障处理的全过程，阐述了转子内部磁极接地故障处理的新工艺新方法和注意事项。

2.1 转子一点接地故障处理新工艺方法和注意事项

（1）彻底清扫查找出来的接地磁极，包括使用浸有酒精白布擦拭、高压风吹（主要针对磁极背部和磁极通风缝隙）等。

（2）对接地磁极进行消磁处理，消磁后再按步骤（1）进行处理。

（3）若步骤（1）、（2）处理效果不明显，则需：

1）将接地磁极拔出，在干净的场地平放于支墩上，支墩上需垫木方以防止磁极磕碰损坏，地面铺塑料布，磁极垫高约500～600 mm。

2）彻底检查接地磁极，并使用高压风等再次彻底清扫。

3）如果效果还不明显，则推荐使用带电清洗剂或丙酮对磁极铁心与线圈之间的间隙进行高压冲洗，同时使用高压风管对冲洗部位进行清理，以达到清理磁极线圈内灰尘杂质和使其干燥的目的。

4）使用加热板对磁极进行加热。

5）如效果尚不明显，再逐个拆除磁极线圈支撑板，拆开两个端头磁极铁心与线圈之间的密封胶，并对支撑板位置磁极铁心和线圈之间用于塞紧的绝缘垫板、浸胶毛毡进行清理，使用丙酮冲洗或白布沾取丙酮擦拭均可。

6）如绝缘电阻仍不合格，则采用拆除线圈的清理方式，脱开磁极线圈与铁心具体有2 种方案：

①适配制作大力“C”型夹，将线圈吊离铁心。注意拆开过程中对极身绝缘的保护，具体安装布置参照图3～图6。

图3 大力“C”型夹安装布置整体效果图

图4 大力“C”型夹适配、制作一

图5 大力“C”型夹适配、制作二

图6 大力“C”型夹适配、制作三

②利用上述提到的磁极支撑平台及加热方式，在磁极铁心下方布置3 件千斤顶，加热磁极温度到100℃左右，敲打磁极铁心使铁心脱离线圈（下端部千斤顶配合往下降），注意对极身绝缘的保护。

7）脱开磁极线圈与铁心后，全面清扫和检查铁心、线圈，可以使用丙酮进行冲洗或白布沾取丙酮擦拭，注意对极身绝缘、端部绝缘、磁极铁心及线圈之间塞紧绝缘板、毛毡的清扫。若磁极极身绝缘存在损伤，则需要现场修复，修复部位需要制作预压工具夹紧。

8）清扫检查合格后，重新套装磁极线圈，要求均匀调整磁极铁心及线圈之间的间隙，并制作压紧工装（见图7），向下预压线圈，确保线圈与铁心极靴之间间隙值满足设计要求。

图7 磁极线圈套装压紧工装现场制作与安装

9）按图纸要求安装磁极其他配件，包括塞紧绝缘板、支撑板等。

10）使用加热板对磁极进行加热。

11）按标准要求检测磁极绝缘电阻值、交流阻抗值，并进行交流耐压试验。

12）对磁极外托板与磁极铁心之间、磁极两端部线圈与铁心之间的缝隙进行密封处理。

2.2 某电站转子一点接地故障处理难点

（1）机坑内磁极拔出、回装由于空间限制，磁极吊具安装困难；极间撑块装配不能拆除，其与磁极线圈之间仅2 mm 间隙，机组过速试验后因磁极往外甩而造成间隙更小（实测为0.80 mm），有可能造成磁极拔出卡阻。

（2）拔出后接地点查找

磁极拔出后，发现磁极背部及线圈与铁心之间的通风缝隙有较多的细小铁屑堆积，尤其是下端部，详见图8。在没有拆开线圈与铁心时，基本不能找出接地点，处理步骤如下：

图8 磁极背部、通风缝隙处的铁屑

①检查磁极线圈与铁心之间的通风道间隙，没有发现明显接地点或放电位置。②使用白布和高压风管清扫该间隙区域后，用手摇兆欧表测量绝缘电阻超过200 MΩ，换成2 500 V 兆欧表测量就没有绝缘电阻，再换回手摇兆欧表测量绝缘电阻值也基本为0；③再次清扫再次测量，数值变化规律基本跟第一次清扫一样，磁极线圈与铁心之间的通风道间隙规律也一样。上述现象说明，磁极线圈与铁心之间的通风道间隙区域仍然存在浮动接地点，手摇兆欧表电压不高，所以有绝缘数值；而2 500 V 兆欧表测量时因高电压而发生击穿现象，绝缘又为0；高压风管清扫后短路点再次分开，所以测量时又有绝缘数值。

（3）脱开、回装磁极线圈与铁心

最彻底的解决办法是脱开线圈与铁心，基于现场条件限制和工期要求（返厂来不及），存在以下难点：

1）脱开工具问题：因为线圈外绝缘托板周向宽度方向较铁心突出部分小，所以现场制作C 型夹可用性有限；而使用加热的办法，现场温度及膨胀量控制又比较麻烦。

2）脱开过程中有可能造成极身绝缘脱开或撕裂，如果现场修复的话，极身绝缘需要工具预压、夹紧，现场制作预压、夹紧工具有难度。

2.3 某电站转子一点接地故障处理效果

（1）第一次转子一点接地故障处理过程中，首先于机坑内使用高压风清扫磁极，在处理好一个接地磁极的同时，也诱发了另外一个磁极接地，且后续调试一段时间后，机坑内使用高压风清扫处理好的接地磁极再次出现转子一点故障。上述两点充分说明机坑内高压风清扫不仅不能彻底解决问题，而且还存在诱发更大事故的隐患。

（2）被诱发接地的另外一个接地磁极在机坑内处理毫无效果，最后采取拔出处理，参见2.1 执行。当使用丙酮高压清洗并加热进行干燥处理后，磁极绝缘电阻恢复挂装前实测电阻值。

（3）后续调试过程中再次发生磁极接地后，直接拔出，具体过程基本同第一个拔出磁极处理方式。使用丙酮高压清洗并加热干燥处理后，磁极绝缘电阻恢复挂装前实测电阻值。

（4）接地磁极处理完成后回装，后续调试、试运行及商业运行过程中没有再发生一点接地故障。

（5）为避免类似问题在后续机组上再次发生，要求该电站后续机组磁极按如下方案改进安装：

1）磁极挂装前，统一检查、打磨磁轭表面，确保磁轭打磨前百分百防护好磁轭通风沟，防止细铁屑进入。同理，磁极铁心表面打磨处理前，确保百分百防护好磁极线圈与铁心之间的极身间隙，防止细铁屑进入。

2）磁轭、磁极清洁度验收合格挂装磁极，要求磁极挂装前后按标准要求检测绝缘电阻值。

3 结语

对于水电机组调试、运行过程中经常会发生的发电机转子一点接地故障，其诱因很多，且处理方案比较灵活，需要根据实际情况及时分析、排查和处理。本文在叙述对国内某抽水蓄能电站300 MW 级发电电动机调试时转子一点接地故障的分析与处理过程中，应用到的均电压测量法、绝缘电阻测量法与计算相结合的方法，能够准确、迅速地找出转子一点接地故障点，而使用带电清洗剂高气压冲洗、现场脱开磁极线圈与铁心相结合的方法能够彻底、快速处理转子一点接地故障，为水电机组发电机转子一点接地故障分析与处理提供了一种新的方式。