600 MW發電機轉子匝間短路及接地故障分析

劉財碧

(四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638000)

0 引言

目前，國內600 MW機組已是電網主力機組，它的穩定運行對電網安全意義重大。對于發電機轉子匝間故障而言，其相應成熟的故障分析數學模型較少，故障分析判斷方法介紹也較少。國產600 MW發電機組轉子因設計等原因，其轉子橫向及縱向墊塊在機組啟、停等狀態會受到不同交變應力的沖擊，可能會出現松脫現象并摩擦絕緣瓦，引起絕緣瓦損壞，進而引起繞組匝間經護環形成短路，燒傷護環并形成轉子接地，造成發電機組重大設備損壞。若能及時發現異常并分析、判斷故障的原因和性質，及時停機處理，可以避免事故擴大，確保設備安全。

1 600 MW發電機轉子接地保護原理

1.1 600 MW發電機轉子接地保護基本原理

疊加直流式轉子一點接地保護的原理:在發電機轉子繞組的一極(正極或負極)與大軸之間加1個直流電壓，通過計算直流電壓輸出電流來測量轉子繞組或勵磁回路的對地絕緣，其基本原理如圖1所示。

在正常運行時，電子開關S不斷地打開、閉合，當S打開時測量電流IK，當S閉合時測量電流IB。根據IK及IB的值來計算轉子繞組對地電阻。在正常工況下，轉子繞組不接地，被測量回路開路，IK=IB≈0，計算出的接地電阻非常大;當轉子某一部位發生接地時，設接地電阻為Rg，接地點距轉子負極的電氣位置為α，轉子電壓為Uf，此時測量元件的測量電流值為

圖1 疊加直流式轉子一點接地保護原理圖

在式(1)和式(2)中，有2個未知數Rg及αUf。聯立解上述方程組，根據已知的 IK，IB，R1，R2可解出接地電阻Rg及αUf。當計算值Rg≤Rop(動作定值)時，保護動作。

1.2 600 MW發電機的相關說明

四川廣安發電有限責任公司三期2×600 MW(#61，#62)機組分別于2006年12月16日和2007年6月30日投入商業運行，配套東方電機股份有限公司生產的QFSN－600－2－22C型發電機，勵磁系統是美國GE公司生產的EX2100TM勵磁系統，采用勵磁系統注入式疊加直流電壓轉子接地保護，通過勵磁系統接地檢測模塊向發電機轉子注入50 V的直流電壓，實時檢測發電機轉子對地電阻值，當其阻值小于10 kΩ時，延時20 s發“發電機轉子接地報警”信號，當其阻值小于4 kΩ時，延時20 s機組跳閘。

2 600 MW發電機轉子匝間短路的判斷依據

根據電機學原理，在運行中依據發電機內電動勢E和轉子勵磁電流If的函數關系來推斷發電機轉子是否有匝間短路。

2.1 發電機轉子(輕微)匝間短路判據的意義

發電機轉子繞組輕微匝間短路現象通常并不明顯，尤其是對于轉子磁極南北極級間對稱輕微匝間短路更不易發現，隨著時間的推移，故障發展為多級轉子繞組匝間短路及轉子接地，將會造成惡性事故，后果十分嚴重。

目前，對發電機轉子繞組輕微匝間短路的判斷方法有回復波檢測法、開口變壓器法、微分線圈動測法、直流電阻法、交流阻抗和功率損耗法、空載及短路特性試驗法、利用無功和轉子電流關系判斷的在線診斷法等。若采用上述方法，要么需要安裝昂貴的設備，要么對發電機轉子磁極南北極級間對稱輕微匝間短路根本判斷不出來。利用運行中發電機內電動勢和轉子勵磁電流關系作為判斷依據，根據現場測點獨立安裝位置排除測點異常可能性，進而準確判斷出發電機轉子繞組輕微匝間短路故障，為防止故障擴大和及時檢修提供可靠依據。

2.2 發電機轉子(輕微)匝間短路判據判別方法

如果發生發電機轉子繞組輕微匝間短路，尤其是只有2匝短路，在相同工況下，勵磁電流會上升，但現場判斷的難點在于“相同工況”指哪些參數不變?一般指發電機機端電壓、有功功率、無功功率、發電機定子電流等，但由于發電機和電網并列運行，受電網影響，真正“相同工況”其實很難找到，如何區別是轉子繞組輕微匝間短路還是電力系統引起的勵磁電流變化十分關鍵。

2.2.1 主判據:勢流比

勢流比是發電機電磁結構的特征量，反映了發電機內電動勢和轉子勵磁電流函數關系特點和發電機電磁結構的對應關系。

根據電機學原理，運行中發電機內電動勢E和轉子勵磁電流If呈函數關系

每個特定結構發電機的上述關系是一定的，考慮剩磁影響，在坐標系中為一磁滯帶，忽略剩磁為一曲線，該函數是發電機結構的反應，其特點和發電機結構吻合，現場可用多種近似方法歸納得到該函數，對該函數特性分析可以得到勵磁電流If的真實變化情況。

在非深度飽和情況下，內電動勢E和轉子勵磁電流If近似成正比例關系

式中:K為比例系數，此處稱為勢流比系數。勢流比系數K即是發電機電磁結構的特征量，K=E/If，當K減小時，說明E/If減小，由于內電動勢E只依賴于勵磁電流If，和電網運行無關，在勵磁回路正常情況下，K的變小是勵磁電流If增大引起的，設正常基準勢流比系數為K1，采集勢流比系數為K2，合格百分比為a%，可得如下判據

j＜a%，正常;j≥a%，異常，出現轉子繞組輕微匝間短路，a%可取7% ～10%。

2.2.2 運行中汽輪發電機內電動勢E的求取

圖2為汽輪同步發電機P－Q圖。

圖2 汽輪同步發電機的P－Q圖

發電機機端電壓U、定子電流In、有功功率P、無功功率Q、轉子勵磁電流If可通過運行參數獲得，同步縱軸電抗Xd可由發電機技術參數同步縱軸電抗標幺值X*d、發電機額定電壓Ue、額定視在功率Se算得有效值

圖2中直線U和直線InXd夾角為v，當發電機遲相時，v=90°+φ(φ為發電機功率因數角);當發電機進相時 v=90°－φ，設發電機進遲相因子 b(b=Q/，b= ±1，+1為遲相，－1為進相)，則cosv=bsinφ=b Q/在汽輪發電機P－Q圖中，根據三角形余弦定理可得

3 #62發電機轉子匝間短路及轉子接地故障分析及處理過程

3.1 #62發電機轉子匝間短路及轉子接地故障發生經過

2010－09－21 T 09:20，#62機組因鍋爐煤質原因引起鍋爐主燃料跳閘MFT(Main Fuel Trip)，機組跳閘。10:15，機組恢復沖轉至3 000 r/min，10:20:13，投入勵磁開始升壓，10:20:28，發電機出口電壓升至21.93 kV，轉子電壓為148 V，轉子電流為1873 A，參數正常，準備并網。

10:21:18，#62發電機滅磁開關跳閘，檢查集控室ECS報警“勵磁系統綜合故障”及光字牌報警“發電機轉子接地”，維修部電氣隊立即對#62發電機的轉子碳刷、滑環、大軸轉子接地電刷進行檢查，檢查發現大軸轉子滑環無積灰，碳刷有少量積粉，隨后進行了清掃，接地碳刷存在油污，進行了清洗。

維修部在檢查發電機的同時，對GE公司勵磁系統進行了相應檢查，通過外接電腦顯示勵磁系統轉子接地裝置無接地檢測注入電壓。因此，將#61機組備用的相應板件換至#62機組，更換后發現接地檢測裝置的M2通道恢復正常，M1通道仍然有報警。通過綜合分析，協商決定對#62機組手動升壓檢查，手動零起升壓檢查，發現發電機機端電壓、空載電流、勵磁電流均正常。在此期間，連續測量轉子勵磁回路正對地、負對地電壓平衡。

通過上述檢查，筆者初步判斷:GE公司勵磁系統M1發出接地報警有誤，在制訂《#62機勵磁系統退出轉子接地保護下的反事故措施》后，退出#62發電機轉子接地保護，13:18:00，#62發變組與系統并網成功。按照《#62機組勵磁系統退出轉子接地保護下的反事故措施》的要求，維修部每隔2 h定期測量轉子勵磁回路正對地、負對地電壓數據平衡，期間發電機氫氣濕度和純度均在合格范圍內(標準為濕度 ＜4 g/m3，純度 ＞96%)。

3.2 數據對比

發電機額定功率600MW，額定電壓22kV，額定勵磁電壓400 V。在發電機運行中，檢查發現發電機勢流比下降，隨后轉子接地報警。對發電機勢流比分析數據見表1。

從表1可看出(其中#61機組為與#62機組同類的600 MW發電機)，#61發電機與#62發電機跳閘前，勢流比K1均為10.3左右，#62發電機跳閘后并網運行勢流比K2降為8.9左右，根據判據式(5)［取 a%=10%］:j=(K1－ K2)/K1=(10.3 －8.9)/10.3=13.59%，j≥ a%，異常，可以判斷出#62發電機已發生轉子繞組輕微匝間短路。

3.3 停機檢查經過

2010－09－27 T 17:22，#62機組停機檢查轉子回路是否有金屬接地現象。維修部電氣隊先后檢查、核對了勵磁系統回路及參數，投入勵磁裝置的接地檢測器模塊，勵磁系統報“轉子接地”故障。在排除勵磁系統自身問題的前提下，進一步檢查發電機轉子一次回路時，發現取出轉子正、負極碳刷后，勵磁系統轉子接地報警消失。因而初步判斷轉子回路存在接地故障，這一現象同時排除了勵磁柜至碳刷這段回路有接地的可能性。單獨測試發電機轉子對地絕緣，結果為零。懷疑轉子存在接地故障后，電氣檢修人員拆除了600 MW發電機刷架，對集電環做了進一步清潔。用絕緣電阻表及萬用表在轉子集電環處測量轉子絕緣電阻均為零，進一步檢測，發現正負極集電環絕緣良好，轉子線圈對地絕緣為零，由此判定發電機轉子線圈存在接地故障。對轉子采取直流壓降法查找轉子接地部位，試驗方法如圖3所示。在轉子正負滑環上通入200～1 000 A電流，沿轉子線圈通風孔或端部徑向方向測量對地電壓，對地電壓由正變為負或者從負變為正的線圈即為接地匝。試驗數據見表2。

根據轉子線圈結構，會同廠家人員初步估算接地部位在轉子汽端端部，具體位置還不能確定。至此，發電機必須抽出轉子繼續檢查。

表1 #62發電機轉子異常前后及與同類發電機勢流比數據分析

圖3 發電機轉子繞組接地線匝查找加壓試驗接線

表2 試驗數據

發電機轉子抽出后，外觀檢查即發現轉子汽端鄰近護環處#24槽和#25槽的風斗處有跑弧引起的焦黑印跡。隨后又采用在轉子正負滑環上通入200～1000 A電流的方法，沿轉子線圈通風孔和端部徑向方向測量對地電壓，確定為轉子汽端護環內#24槽和#25槽線匝接地。

經拔出轉子汽端護環檢查，2個#8線圈處絕緣瓦燒穿了約50 mm×80 mm。護環內側對應部位有50 mm×80 mm核仁狀熔化附著物(最厚處約3 mm)。兩頂匝燒傷部位距槽口410～440 mm，燒焦銅線表面有黑麻點，2個頂匝極間絕緣墊塊已松動，實際故障照片如圖4所示。

圖4 #62發電機轉子汽端端部被損壞的線圈

對此次事故發生的原因進行了分析，經分析認為，2個#8線圈極間墊塊在運行中因溫度變化熱脹冷縮的交變應力和轉動離心力影響而松動，上下移動撞擊絕緣瓦，直至磨穿，造成2個#8線圈頂匝與護環短路接地(拔出轉子汽端護環后，還發現了#1，#2線圈之間橫向間隔墊塊已掉落)。取出2個#8線圈的#24槽和#25槽間碳化墊塊并進行了清掃吸塵后，測試轉子絕緣正常，轉子直流電阻及交流阻抗試驗合格。至此，確定轉子僅此一處故障，無需再拔勵端護環，也不用更換轉子線圈。

3.4 故障的處理

打磨處理2個#8線圈受損處面線，更換汽端線圈端部所有絕緣墊塊及支撐部件，對端部進行整形后，暫時用絕緣瓦包住轉子端部線圈，轉子絕緣電阻和直流電阻測試合格，轉子交流阻抗及耐壓試驗合格。

打磨掉汽端護環燒傷部位焦熔后，發現該處已有裂紋，打磨掉裂紋后，打磨深度已達14.5 mm，打磨面積為100 mm×110 mm。該護環雖經金相檢測合格，但與廠家專家共同分析后，確定該護環已不可使用，遂決定更換該護環。

回裝轉子汽側新護環后，再次測試轉子絕緣電阻和直流電阻，轉子交流阻抗及耐壓試驗均合格，轉子通風試驗及氣密性試驗也合格。遂進行轉子回穿等一系列發電機恢復工作及常規試驗。該工作完成后，測量了靜止和額定轉速下的轉子交流阻抗合格后，進行發電機空載特性試驗，試驗結果正常。

3.5 #62機組檢修后投入運行數據分析

四川廣安發電有限責任公司#62機組于同年11月7日經檢修后重新并網運行，記錄相關參數見表3。從表3可以看出，#62發電機轉子檢修后投入運行，勢流比K變回10.3左右，證明轉子繞組匝間短路確已消除。

4 600 MW發電機轉子回路接地的運行防范措施

(1)控制好發電機油氫壓差，防止發電機進油，導致發電機絕緣水平降低。

(2)保持發電機內氫氣濕度、純度、溫度以及定冷水溫度、導電度在合格范圍內，以防止發電機絕緣水平降低。

(3)控制機組振動、偏心在合格范圍內，以防止轉子動、靜摩擦。

表3 #62發電機轉子檢修后數據分析

(4)有功負荷、無功負荷調整時應緩慢平穩，防止有功、無功負荷大幅波動引起轉子電壓、轉子電流大幅波動造成轉子絕緣損壞和擊穿。

(5)監視發電機各參數在合格范圍內，特別是轉子電流、轉子電壓，發現異常增大或減小時，應立即通知檢修人員配合檢查處理。

(6)加強設備巡視檢查，若發現發電機勵磁碳刷積存碳粉、打火，接地碳刷臟污時，應立即通知檢修人員吹掃、清潔和調整。

5 結束語

經過以上的分析驗證，運行人員可以根據600 MW發電機的運行參數(發電機機端電壓U、定子電流IN、勵磁電流If、有功功率P、無功功率Q、轉子勵磁電流If、同步縱軸電抗標幺值X*d、發電機額定電壓Ue、額定視在功率Se等)計算出發電機的勢流比系數K，通過K的變化，由公式(5)來及時判斷出發電機是否已發生轉子繞組輕微匝間短路，為防止事故擴大、保證設備安全提供理論依據。

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