燈泡貫流式水輪發電機組轉子一點接地故障分析與處理

虞小兵

青海大唐國際直崗拉卡水電開發有限公司 青海黃南藏族自治州 811999

摘要：青海直崗拉卡水電廠安裝有5臺38MW燈泡貫流式水輪發電機。發電機轉子是發電機組的主要設備，當發電機發生一點接地故障后，要及時排查處理，以免擴大發生轉子兩點接地故障，造成發電機損壞，給企業造成經濟損失，同時也影響到電網的穩定和電能質量。文章分析其原因，提出處理辦法。

關鍵詞：發電機；轉子；一點接地；原因分析

1.工程概述

電站名稱：黃河直崗拉卡水電站

電站地理位置：直崗拉卡水電站位于青海省尖扎縣的黃河干流上，上距李家峽水電站7km，下游為康揚水電站，是黃河上游梯級開發的中型水電站之一。距青海省西寧市公路里程109km。

直崗拉卡水電站工程的主要任務是發電。水庫正常蓄水位2050m，總庫容1540萬m3，電站額定水頭12.5m，總裝機容量190MW，安裝5臺單機容量為38MW的燈泡貫流式水輪發電機組，多年平均發電量7.619億kW.h，年利用小時數4010h。

設備概述

直崗拉卡水電站水輪發電機組設備制造商為天津阿爾斯通水電設備有限公司，主變壓器新疆特變電工衡陽電氣分公司制造，設備的安裝單位為廣東源天。

水輪發電機組為燈泡貫流式機組，發電機水輪機共用一根軸，型式為臥軸懸掛式、兩支點、強迫空冷。機組額定轉速100r/min，飛逸轉速280r/min，從上游向下游看順時針旋轉。機組共四部軸承，即正推力軸承、反推力軸承、發導軸承和水導軸承。

發電機型號為SFWG38—60/6630，主要包括定子、轉子、泡頭、組合軸承和前機架。定子外形尺寸7200×3100mm，重約107噸；轉子外形尺寸6080×1794mm，重約105噸，空氣間隙10mm，60個磁極；泡頭最大外形尺寸7200×4000mm，重約30噸；制動方式為機械制動，制動器數量為6只。

水輪機型號為GZ4BN039—WP —610，主要包括座環、導水機構、轉輪、水導軸承等部件。導水機構外形尺寸8610×1780mm，重約40噸；轉輪最大直徑6100mm，重約62噸，為轉槳缸動式結構，共4片槳葉。

電氣主接線：發電機出口電壓為10.5kV，發電機變壓器組合方式為兩個兩機一變擴大單元和一個單元接線方式，發電機出口設有發電機斷路器。電站以四回110kV線路接入電力系統，并預留二回出線位置，110kV側采用雙母線帶母聯接線。

2005年5月30日第一臺機組并網發電，2006年6月1日前期四臺機組全部并網發電。2014年5月31日擴建的5號機組并網發電。

2.轉子接地危害

發電機正常運行時，發電機轉子電壓（直流電壓）有幾百伏左右，勵磁回路對地電壓約為勵磁電壓的一半，直崗拉卡水電廠機組正常運行時轉子額定電壓為275V對地電壓為Ue/2=275V/2=137.5V，整個勵磁回路（包括轉子繞組）對地是絕緣的。因此，當轉子繞組或勵磁回路發生一點接地時，由于未構成電流通路，對發電機不會造成直接危害，發電機仍能運行，但已經形成事故隱患。因為在一點接地后勵磁回路對地電壓會升高，容易誘發兩點接地。一旦發生兩點接地相當于轉子繞組一部分被短路，另一部分電流增加破壞了發電機轉子磁場的對稱性，將引起發電機劇烈振動，無功降低。轉子電流通過轉子本體，如果電流較大可能會燒壞轉子，還有可能造成大軸磁化，后果嚴重。以上問題得不到及時停機處理將會使轉子繞組絕緣和勵磁回路中的其他設備因嚴重過流而燒壞并導致失磁故障，危及發電機安全，造成經濟損失。特別是在汛期（6～9月），由于直崗拉卡電廠水庫庫容小，屬于不完全日調節電站，發生轉子一點接地故障，停機檢查必然棄水，造成更大的經濟損失。

3.轉子一點接地保護原理

直崗拉卡電廠機組保護轉子一點接地是單端注入式轉子接地保護原理，注入電源從轉子繞組的負端與大軸之間注入，注入電源的切換周期可根據轉子繞組對地電容的大小進行調整，實時求解轉子一點接地電阻，保護反應發電機轉子對大軸絕緣電阻的下降。

該原理具有以下特點：轉子接地電阻的計算與接地位置無關，保護沒有死區；轉子接地電阻的計算精度高，注入電源的頻率可根據轉子繞組對地電容的大小進行調整，不受轉子繞組對地電容的影響；轉子接地電阻的計算與勵磁電壓的大小無關，在未加勵磁電壓的情況下，也能監視轉子的絕緣情況；其工作電路如下圖所示，圖中Rm為測量回路電阻，Ri為注入大功率電阻，Us為注入電源模塊，Rg為轉子繞組對大軸的絕緣電阻

4.轉子一點接地查找及處理方法

當保護發出轉子一點接地信號后，停機檢查判斷是勵磁裝置接地還是轉子繞組接地，一般情況下多為刷架、滑環上碳粉堆積造成絕緣降低。如果是轉子繞組接地，還需判斷接地是金屬性的還是非金屬性的。如果是非金屬性接地可在較暗的環境中用兆歐表對轉子繞組進行搖測，并對轉子繞組進行觀察，由于非金屬性接地存在較低接地電阻值，在兆歐表的直流電壓下接地點會產生放電現象，可根據火花位置找到接地點。如果是金屬性接地傳統方法是將轉子磁極數目一分為二，斷開極間連接線，用兆歐表表，判斷故障點在哪一邊，接著再將有接地故障的那一邊磁極又一分為二，再用兆歐表，判斷故障在哪一邊，直至分到最后兩個磁極，找出故障磁極為止。找到接地磁極后將風洞進人孔邊的擋風板切割開，盤車將故障磁極轉到該位置拔出磁極，對損壞的絕緣進行處理，此方法看起來簡單，但在實際工作中十分費時費力。

使用電壓法查找相對傳統方法可以減少工作量，原理是因為發電機轉子繞組是由若干個磁極串聯組成，且每個磁極阻值是相等的，即轉子繞組的電阻值除以磁極個數，就是每個磁極的電阻值，通過測量轉子繞組的正極對地或負極對地的電壓值或電阻值，以及占整個磁極電壓值或電阻值的比例，就能計算出接地點的具體位置。現就通過一例故障處理，來說明此方法具體應用。

直崗拉卡電廠#2機組，容量38MW，轉子額定電壓275V，轉子共60個磁極。2012年11月機組運行中保護裝置報轉子一點接地，在運行中用0.5級直流電壓表對勵磁電壓進行測量，正極對地47V，負極對地為187V。停機檢查解開集電環與磁極引線連接，發現接地點在轉子繞組側，根據停機前測得的數據，勵磁電壓為235V，正極對地47V，負極對地為187V，根據公式

V1/V =R1I/RI=R1/R

V-運行時勵磁電壓

V1-運行時正對地電壓

R-轉子直流電阻

R1-轉子繞組正極至接地點的電阻

I-流經轉子繞組的勵磁電流

V1/V=47V/235V= R1/R=0.2

根據以上計算分析接地點距轉子繞組正極的電阻值占整個轉子繞組電阻值的20%，接地點距轉子繞組負極的電阻值占整個轉子繞組電阻值的80%，由于每個磁極電阻值相等，因此接地點應在轉子繞組的60極×20%=12極，即接地點在距轉子繞組正極的第12個磁極附近，重點檢查11、12、13這三個磁極，這樣大大縮小了查找范圍，減少了工作量。

將11極與12極斷開搖測絕緣，0-11極絕緣為0，12-60極絕緣為800MΩ，將10與11斷開搖測絕緣，0-10極絕緣為1.1GΩ，11極絕緣為0。將第11號磁極拔出，發現磁極線圈與轉子鐵芯接觸處絕緣燒焦破壞，造成線圈與鐵芯接地。處理后線圈與鐵芯絕緣恢復，回裝磁極恢復極間連接線，搖測勵磁系統絕緣，勵磁系統絕緣正常。發電機重新啟動，勵磁系統和發電機運行正常，保護裝置無告警。轉子一點接地故障消除。

5.結束語

通過上述分析得知，引起發電機轉子一點接地故障的原因很多，但是掌握轉子一點接地的保護原理，定期對勵磁系統進行檢查、清掃，

能很好的預防故障的發生，同時運用測量與計算相結合的方法能更快的查找故障點，不但省時省力，增加發電機利用小時數，而且能夠提高發電廠的經濟效益。