雙水內冷發電機轉子接地電阻降低的原因分析

蔣 翔，張小飛

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼熱電總廠2#發電機為上海電機廠生產的QFS-60-2 型雙水內冷汽輪發電機組，B 級絕緣，采用直流勵磁機勵磁，于1993 年7 月正式投入運行。發電機轉子接地保護采用RCS985 型發電機變壓器組成套保護裝置，轉子接地保護采用切換采樣原理（乒乓式），于2014 年改造完成并投入運行，運行一直正常，未出現過異常報警。

發電機轉子接地是發電機常見的故障形式之一，當發生轉子一點接地故障時，由于造成轉子接地保護動作的因素較多，故障定位非常困難，且運行中無法檢查發電機內部，因此，要確定是轉子本身故障還是外部回路故障或保護裝置誤動引起的具有非常大的難度。2017 年8 月6 日至2018 年5 月3 日期間，馬鋼熱電總廠2#發電機反復出現轉子接地電阻降低的現象，筆者結合馬鋼熱電總廠2#發電機轉子接地電阻降低故障的處理，總結了幾種典型的非轉子繞組本身故障造成的接地電阻降低的因素。

1 發電機轉子接地電阻降低的處理

1.1 第一階段：勵磁機因電樞繞組絕緣降低燒毀

2017 年8 月6 日2#發電機“轉子一點接地”報警，接地阻值3.3 kΩ，接地位置50%。通常接地位置在50%左右有以下幾種情況：（1）轉子繞組的正中間位置一點接地；（2）勵磁回路的交流側接地。（3）轉子繞組整體絕緣降低；（4）外部回路和附加元器件接地。針對第（1）、（2）種情況在機組運行時無法檢測，只能監視運行，等到停機時才能處理；針對第（3）種情況，因內冷水電導率一直在規程規定的范圍內，排除內冷水電導率對轉子絕緣的影響；針對第（4）種情況，我們對相關回路進行了仔細檢查和驗證，基本排除了外部回路的影響。由此，初步判斷此次轉子一點接地可能是勵磁機電樞回路或轉子繞組本身絕緣降低所致。后接地阻值回升至10 kΩ左右,9月1日2#發電機停機檢修，測得發電機轉子繞組絕緣1.5 MΩ，勵磁機電樞繞組絕緣0 MΩ。于是對勵磁機進行吊罩檢查，發現勵磁機電樞端部（發電機側）積灰較多（主要成分為碳粉），清理烘干勵磁機端部積灰后，勵磁機電樞繞組絕緣上升至0.4 MΩ，9月6日2#發電機與系統并列。

2#發電機并網運行后，為監視發電機轉子接地電阻（Rg）變化情況，對轉子接地電阻進行統計。統計數據歸納如下：

9月6日2#發電機并網運行后，Rg為300 kΩ；

9 月8 日至12 日，Rg在220～300 kΩ 之間變化，9月12日至22日，Rg穩定在300 kΩ；

9 月22 日 至10 月1 日，Rg逐漸降低至80 kΩ左右；

10 月24 日（10 月2 日至23 日2#發電機停機）Rg在100 kΩ左右；

10 月27 日Rg降低至70 kΩ 左右，之后Rg一直在降低；

12 月4 日Rg降低至4 kΩ，當日降低至1 kΩ以下；

12月19日Rg恢復至5 kΩ左右。

期間接地的位置均在50%左右。

由以上轉子接地電阻統計數據可看出，勵磁機電樞繞組清灰處理后電樞繞組絕緣有所上升，但仍偏低，隨著運行時間的延長，電樞繞組端部積灰（碳粉）越來越多，電樞繞組絕緣呈下降趨勢。

2017 年12 月21 日2#機勵磁機電樞繞組發生短路事故，導致2#發電機失磁保護動作跳閘。檢查勵磁機發現：勵磁機電樞繞組端部（發電機側）有兩處燒融，電樞繞組端部積灰較多（碳粉）。主要原因：由于2#發電機勵磁機運行年限較長，電樞繞組絕緣已老化，隨著電樞繞組端部碳粉積聚，電樞繞組的絕緣持續下降，導致電樞繞組絕緣最薄弱的兩點通過碳粉短接而燒毀。

從統計數據及勵磁機燒毀的事故來看，發電機轉子接地保護檢測的接地電阻Rg基本反映了發電機轉子回路（含勵磁機電樞繞組）的絕緣情況。

1.2 第二階段：備用勵磁機運行時的轉子接地電阻降低情況

2017 年12 月21 日2#機勵磁機故障燒毀后，更換備用勵磁機（1#發電機更換下來的），該勵磁機與原勵磁機各項參數相同，運行年限也相同。2018 年1 月28 日，檢查發現2#發電機轉子接地電阻Rg低于正常值300 kΩ 且有下降趨勢。轉子接地電阻統計數據如下：

1 月28 日至2 月22 日Rg在180～300 kΩ 之間波動；

2月22日至2月27日Rg基本穩定在300 kΩ；

2 月28 日至3 月20 日Rg在200～120 kΩ 之間波動，總體趨勢在降低；

3月15日突然降至88 kΩ；

期間接地的位置均在50%。

由于送修的勵磁機需要到4 月中旬才能返廠，且轉子接地電阻下降較快，為防止再次發生勵磁機燒毀事故，3 月20 日2#發電機停機檢查，檢查發現：勵磁機電樞繞組端部有大量的碳粉，且勵磁機電樞繞組絕緣僅0.1 kΩ。清除碳粉后勵磁機電樞繞組絕緣恢復至10 MΩ，此次停機在勵磁機端部加裝了臨時在線吹灰裝置。當日2#機組并網后，轉子接地電阻Rg為290 kΩ。于是對勵磁機端部進行在線吹灰，剛開始有一點效果，后期效果不明顯，轉子接地電阻也在持續降低，最低降至75 kΩ，此種情況一直持續到4月16日。

1.3 第三階段：新勵磁機（更換了全部繞組）的運行情況

4月16日2#發電機停機小修。停機時轉子絕緣0.1 MΩ，勵磁機絕緣10 MΩ，因要更換勵磁機，故此數據未引起重視。4 月21 日開機前測絕緣：轉子回路0.2 MΩ，勵磁機回路3 MΩ，符合規程要求（通水后≥2 kΩ）。4 月22 日發電機升壓過程中，升壓至70%空載額定電壓時轉子接地電阻230 kΩ 左右，接地位置在59%，用萬用表測量轉子正、負對地電壓也不對稱（正對地36 V、負對地26 V，與轉子接地保護檢測的數據一致），此數據與轉子繞組中間位置一點接地的現象相似。為區分故障范圍，在現場通過技術手段判斷勵磁機絕緣正常，故排除勵磁機絕緣低的因素，絕緣低的部位應該在轉子回路，故要求停機檢查處理。停機后測轉子絕緣1.5 MΩ，電纜及銅排絕緣為2 MΩ，刷架絕緣為0.2 MΩ，由此初步判斷刷架絕緣低是造成轉子接地電阻低的主要因素。于是對轉子滑環的刷架、銅排、絕緣墊塊等相關附件進行徹底清理，清理后轉子回路整體絕緣恢復至0.5 MΩ。2#發電機組重新啟動，升壓至額定值，轉子接地電阻穩定在300 kΩ，4 月23 日2#發電機組并網運行。

5 月1 日2#發電機轉子接地電阻突然降至80 kΩ，接地位置55%，萬用表測量轉子正、負對地電壓對稱，保護檢測和人工測量的數據一致。現場檢查勵磁機和轉子回路均未發現明顯異常，檢查內冷水電導率：2#機內冷水電導率為5 μs/cm，符合規程要求（≤5 μs/cm）。分析認為：（1）勵磁機為新換的，絕緣應沒有問題，且開機時已排除勵磁機絕緣低的情況；（2）轉子外部回路（含刷架、絕緣墊塊及相關回路等）已徹底清理，且未發現漏油等異常現象，在機組正常運行的情況下，絕緣突然降低的可能性很小；（3）轉子繞組在通水的情況下有1.5 MΩ，說明轉子繞組絕緣很好，基本上可以排除轉子繞組故障。基于以上分析，結合前期轉子接地電阻波動的情況綜合分析，引起轉子接地電阻降低的最大可能因素是：內冷水電導率。于是對2#發電機內冷水電導率進行調整，當電導率調至3 μs/cm 以下時，2#發電機轉子接地電阻恢復至300 kΩ，且穩定。

2 影響發電機轉子接地電阻降低的幾種典型因素

本次2#發電機轉子接地電阻降低的處理過程共分為三個階段，每個階段影響轉子接地電阻降低的主要因素都不一樣，干擾因素也較多，其中內冷水電導率的變化應該是最大的、最不明顯的、也是最容易忽略的因素（主要是沒有內冷水電導率與轉子接地電阻關系的歷史數據，同時也受到發電機運行規程標準的限制）。

2.1 第一階段的主要因素

發電機轉子接地電阻Rg降低的主要因素是勵磁機電樞繞組絕緣老化，受積聚碳粉的影響，Rg持續降低，其中內冷水電導率的變化引起Rg反復波動。在后期，由于勵磁機電樞繞組絕緣已降至很低，內冷水電導率的變化對Rg的影響也變得不明顯，但仍有一定的影響（2017 年12 月19 日Rg由1 kΩ 以下恢復至5 kΩ 可驗證），期間，轉子接地電阻的位置始終在50%的位置，理論與實際情況也是一致的。

2.2 第二階段的主要因素

停機前與第一階段情況基本相同，這從停機后勵磁機的絕緣數據（停機時僅0.1 kΩ，清理后即恢復至10 MΩ）可得到驗證。從第一階段的運行情況來看，該絕緣尚能維持較長時間的運行，但因3月15日轉子接地電阻突然由140 kΩ降低至88 kΩ（應該是內冷水電導率變化引起的），同時受第一階段勵磁機燒毀因素的影響，由于擔心同類事故的再次發生，故提前申請停機對勵磁機進行清灰處理。從絕緣數據來看，本次停機處理是必要的。

停機處理后Rg降低的主要因素是內冷水電導率的變化和刷架附件絕緣低等兩個因素，這從4 月16 日停機時測量的數據可得到驗證。因忽略了內冷水電導率的影響及無法在線測量轉子回路絕緣，同時受勵磁機燒毀事故的干擾，致使誤判勵磁機絕緣低，因而造成了不必要的擔憂和困擾。

2.3 第三階段的主要因素

更換新勵磁機后開機時，轉子刷架等附件絕緣低是Rg降低的主要因素，這從滑環清理后轉子接地電阻立即恢復至300 kΩ的數據可得到驗證。

并網運行后內冷水電導率是Rg降低的主要因素，這從內冷水電導率調整至3 μs/cm 以下時轉子接地電阻即恢復至300 kΩ的情況可得到驗證。

3 結束語

本次2#發電機轉子接地電阻降低故障持續時間較長，影響因素主要有勵磁機電樞繞組絕緣、轉子滑環及附件絕緣、內冷水電導率等三種。三種主要因素相互影響、相互干擾，當內冷水電導率在5 μs/cm 左右時，對轉子接地電阻影響較大，且會掩蓋其他影響轉子接地電阻降低的因素，因此，建議：

（1）在處理轉子接地電阻降低或轉子一點接地故障時應保證內冷水電導率在3 μs/cm 以下且應保持穩定，排除內冷水電導率的干擾。

（2）處理轉子接地故障應先排除外圍回路（包括刷架、絕緣墊塊、接地碳刷、電纜等），即確保外圍回路絕緣良好，防止外圍回路絕緣低引起誤判，造成不必要的停機損失。

（3）當確認是發電機轉子或勵磁機絕緣低造成的，尤其是運行年限較長的機組，應盡快停機處理，防止類似勵磁機短路事故發生。