一起發電機轉子一點接地故障的查找及處理

陳國棟

(大唐淮南洛河發電廠，安徽 淮南 232008)

0 引言

發電機轉子發生一點接地故障時，由于沒有構成電流通路，對發電機不會造成直接的危害，發電機可以繼續運行。但此時接地極對地電壓降低，非故障極對地電壓升高；當接地為金屬性接地時，接地極電壓為0，非故障極電壓升高為轉子電壓，就有可能再發生第2 個接地故障點。若再次發生另一點接地而形成2 點接地故障時，不僅故障電流可能會造成轉子鐵芯或護環嚴重燒壞，而且由于一部分轉子繞組被短接而破壞了轉子磁場的對稱性，使得機組發生劇烈的振動和轉子鐵芯被磁化。因此，當發現轉子繞組發生一點接地時，應迅速采取措施消除故障，恢復機組正常運行。

1 機組運行方式

某電廠5 號發電機組為上海電機廠生產的QFS-600-2 型水氫氫冷卻發電機組，發電機勵磁方式采用機端自并勵方式，發電機出口并接1 臺山東金曼克公司生產的ZLS-6 300/20 干式勵磁變(Yd11，20/0.88 kV)作為勵磁電源。勵磁調節器選用上海成套發電設備研究所引進瑞士ABB 公司技術生產的Unitrol 5000 勵磁調節器，它通過可控硅整流橋控制勵磁電流來調節同步發電機端電壓和無功功率。系統配備專門的轉子接地保護檢測裝置UNS 3020a 來檢測同步發電機勵磁繞組的接地故障。

2 轉子接地保護工作原理

轉子接地保護裝置UNS 3020a 是一個獨立保護繼電器，采用惠斯頓電橋原理來測量轉子繞組與大軸之間的接地電容，以監視轉子繞組對地絕緣水平(見圖1)。

圖1 轉子接地保護原理

保護輸入電路一端利用匹配電容(CK1，CK2)連接到勵磁繞組的正負極，另一端經接地碳刷連接在大軸上。2 只高值電阻R 和調整電容CX、轉子繞組與大地之間的自然電容CR，匹配電容CK1和CK2 共同組成R/C 測量電橋，正常情況下CK1 和CK2 大于CR。測量橋的輔助電源既可由獨立的交流電源供電，也可由發電機出口電壓互感器供電。電橋按標準非故障情況校準平衡，即跨越電橋的電壓值U最小。與大軸相連的橋臂應在最初安裝時，通過測量轉子繞組，包括所有轉子供電電纜的電容來進行初始化。當發電機轉子繞組發生接地故障時，轉子繞組電容被故障漏電阻分流，則電橋平衡被打破，跨越電橋的電壓值U上升，根據U的大小決定發出報警(Stage l alarm)或跳閘(Stage 2 trip)。

該保護裝置的特點是：保護兩段設置，I 段報警，II 段跳閘，每段接地電阻設定值和延時時間可單獨調整；保護接線簡單，沒有死區，勵磁繞組上任一點的接地靈敏度基本相近，可用作整個發電機轉子回路(包括功率可控硅和勵磁變壓器二次側)接地故障保護。但是，電橋平衡容易受轉子碳刷和大軸接地碳刷接觸電阻的影響；對疊加交流電源的頻率要求較嚴格；測量臂為復數臂，因此調節電橋平衡比較麻煩。

3 異常現象

2011-05-06，電廠5 號發電機小修后啟動，進行發電機空載試驗。當發電機端電壓升至80 %額定值(16 kV)時，轉子一點接地保護I 段報警信號發出。測量轉子一點接地保護裝置電橋輸出電壓約600 mV 且有上升趨勢；立即對勵磁系統直流側進行檢測，發電機轉子電壓正負對地均為52 V左右，且對稱變化。繼續升壓至額定值(20 kV)，穩定運行約2 min，轉子一點接地保護裝置電橋輸出電壓升至2 000 mV，轉子一點接地保護II 段動作跳閘。發電機跳閘后，使用500 V 搖表測量發電機轉子線棒絕緣電阻為2 MΩ；測量轉子一點接地保護裝置電橋輸出電壓穩定于50 mV。

重新對發電機進行空載升壓，同時密切監視轉子一點接地保護裝置電橋輸出電壓的變化趨勢。發現該電壓值隨著發電機端電壓的升高而逐漸增大。當發電機端電壓升高至額定值時，該電壓值再次達到2 000 mV，轉子一點接地保護II段再次動作跳閘。

4 檢查及處理經過

4.1 發電機轉子繞組絕緣檢測

機組啟動前，測量發電機轉子繞組對地絕緣電阻為1.5 MΩ。在發電機轉速為3 000 r/min 且未加勵磁情況下，測量轉子回路對地絕緣電阻大于1 MΩ，可以排除“發電機轉子繞組存在接地現象”這一原因。

4.2 發電機大軸接地碳刷檢查

發電機大軸接地碳刷在運行中經常會因磨損、積灰塵等原因造成接觸不良。大軸接地碳刷接觸不好時，在大軸上會產生軸電壓。軸電壓中含有基波、高次諧波和噪聲分量，它們經過大軸與轉子繞組間的分布電容到達轉子繞組，經由轉子接地裝置的電容和軸電壓抑制器到達電橋一臂，越過電容達到接地信號測量端(U)，造成輸出電壓不規則波動。分布電容的變化能造成轉子接地裝置誤發接地報警信號，甚至在極端條件下可能誤發跳閘信號。

就地檢查發電機大軸2 塊接地碳刷，接觸良好，無跳躍、冒火等異常現象；碳刷辮與連接電纜接觸完整，連接牢固。因此，可以排除“由于接地碳刷接觸因素而影響轉子接地保護輸出”這一原因。

4.3 發電機滑環碳刷檢查

發電機碳刷與轉子滑環接觸不良也會造成電橋平衡被破壞，從而影響保護裝置測量端輸出的電壓信號。

對發電機轉子滑環及碳刷進行檢查：各碳刷接觸面完好，刷辮無斷股或松動，均壓彈簧安裝牢固、壓力均勻、活動自如，盤車時無跳動現象；滑環表面清潔、圓整，無劃傷和發熱痕跡；風道暢通。因此，可以排除“發電機滑環碳刷與轉子滑環接觸不良”這一原因。

4.4 機組運行工況檢查

機組運行過程中，振動突變造成接地碳刷與大軸接觸不良、勵磁通道切換產生的高頻電壓脈沖、發電機出口電壓波動等因素可能引起轉子一點接地保護裝置電橋輸出電壓的突然增大。轉子一點接地保護2 次動作跳閘時，機組維持3 000 r/min 的轉速，各軸承振動均小于70μm，無明顯變化；勵磁調節器A 通道運行，B 通道自動跟蹤，未切換；轉子接地保護裝置采用UPS 裝置供電方式，發電機端電壓變動也不會引起保護裝置電橋輸出電壓增大。因此，可以排除“由于運行工況變化而影響保護裝置輸出”這一原因。

4.5 轉子接地保護裝置UNS 3020a 檢查

若保護裝置匹配電容配制及電橋平衡沒有調到最優狀態，則在發電機正常運行期間，裝置輸出電壓始終存在一定的電壓，且電壓值與不平衡度成正比關系。依據轉子一點接地保護裝置調試導則，在發電機未加勵磁情況下，通過電容匹配，調整接地保護裝置電橋輸出電壓低于60 mV。在2 次保護動作發電機滅磁后，測量電橋輸出電壓約53 mV，因此可以排除“轉子一點接地保護裝置電橋不匹配”這一原因。

4.6 勵磁回路交流側檢查

根據發電機升壓后轉子一點接地保護輸出電壓的變化趨勢以及上述檢測情況分析判斷，勵磁回路確實存在接地點，且接地點可能在勵磁變低壓側，在整流柜可控硅導通期間，轉子繞組對地電容短接(見圖2)，使電橋平衡破壞，引起電橋輸出電壓上升。

圖2 三相橋式整流電路

使用500 V 搖表測量勵磁變低壓側三相對地絕緣電阻，發現C 相對地絕緣電阻為0，其余兩相絕緣電阻正常。因此，對一次回路進行詳細查找，發現勵磁變低壓側C 相出口至共箱母線軟連接線與外殼伸縮節處的橡膠皮接觸。將軟連接線與橡膠皮分離后，C 相對地絕緣電阻恢復正常。

處理后再次將發電機升壓至額定值，接地保護裝置輸出電壓小于200 mV，遠低于600 mV 的報警值，轉子回路正負極對地絕緣電阻也均正常，機組成功并網運行。

5 防范措施

由于發電機轉子在運行中高速旋轉，長期運行后在離心力的作用下，轉子線棒會發生輕微松動、移位并磨損絕緣，再加上勵磁電流熱效應造成的絕緣劣化，會引發一點接地故障。在發電機轉子發生一點接地故障時，不應局限在直流回路查找故障點，而應將檢查范圍擴大到勵磁裝置的交流側，以免貽誤時機，造成故障的擴大。

此外，發電機組檢修期間，因各設備單體絕緣監督測量的需要，對發變組各設備間軟連接進行拆接工作。在恢復接線工作時，必須嚴格執行檢修工藝要求，確保設備對地絕緣保持足夠安全距離。

6 結束語

發電機組在未加勵磁狀況下，由于可控硅元件未導通，因此機組啟動前的定轉子絕緣檢測無法反映勵磁回路交流側對地絕緣情況，所以在出現發電機轉子對地絕緣下降的異常時，不僅要詳細檢查直流回路對地絕緣，還應該結合現場實際，對勵磁回路交流側進行查找。