直流系統(tǒng)接地故障分析及處理

摘? 要：轉(zhuǎn)子接地故障現(xiàn)象在水電站時(shí)有發(fā)生，輕則一點(diǎn)接地報(bào)信號(hào)故障，如果發(fā)生兩點(diǎn)接地就會(huì)嚴(yán)重會(huì)影響機(jī)組設(shè)備、系統(tǒng)的安全運(yùn)行，通過(guò)多次對(duì)電站直流系統(tǒng)接地的分析，特別是對(duì)直流回路的碳刷、磁極線(xiàn)圈、引線(xiàn)的絕緣研究。對(duì)雙灘水電站的實(shí)際案例分析和對(duì)故障的處理，確定了直流系統(tǒng)故障處理時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)思考的故障點(diǎn)，從而為電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題有針對(duì)性地提出解決思路和指導(dǎo)方法。

關(guān)鍵詞：磁極;軸領(lǐng);盤(pán)車(chē);操作油管

Abstract：Rotor grounding fault often occurs in hydropower stations. If there is light grounding fault，one point grounding will report signal fault. If two-point grounding occurs，it will seriously affect the safe operation of the unit equipment and system. Through the analysis of the grounding of the DC system of the power station for many times，especially the insulation research of the carbon brush，pole coil and lead wire of the DC circuit. Based on the analysis of the actual case of Shuangtan hydropower station and the treatment of the fault，the fault points that should be considered in the DC system fault treatment are determined，so as to put forward the solutions and guidance methods for the similar problems of the power system generating units.

Keywords：magnetic pole;shaft collar;turning gear;operating oil pipe

0? 引? 言

水電站水輪發(fā)電機(jī)是發(fā)電系統(tǒng)重要的設(shè)備核心部件，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，碳刷長(zhǎng)久磨損并日積月累產(chǎn)生大量的粉塵，在滑環(huán)、絕緣膠木、碳刷吊架之間造成直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地;也有可能轉(zhuǎn)子繞組磁極線(xiàn)圈絕緣老化造成接地;也可能磁極線(xiàn)圈之間接頭的直流電阻過(guò)大進(jìn)而由于Q=I2RT溫度升高使其絕緣破壞而形成轉(zhuǎn)子接地故障;也有可能是磁極引線(xiàn)長(zhǎng)期在高溫的環(huán)境中工作老化，絕緣被破壞。本文通過(guò)分析處理雙灘水電站轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障實(shí)例，提出了實(shí)用可靠的分析方法和處理措施，總結(jié)出可行的經(jīng)驗(yàn)。

1? 機(jī)組概況

雙灘水電站位于巴中市通河下游距離平昌縣城20 km處，該電站水輪發(fā)電機(jī)組型號(hào)為SF12-28/5100，結(jié)構(gòu)采取普通傘式，額定功率為12.43 MW。發(fā)電機(jī)采用三相凸極同步發(fā)電機(jī)，功率因數(shù)為0.8（滯后），額定勵(lì)磁電流590 A，額定勵(lì)磁電壓210 V，勵(lì)磁方式為可控硅靜止自勵(lì)，額定轉(zhuǎn)速為214.3 r/min。于2009年修建成功投產(chǎn)，全自動(dòng)化運(yùn)行至今安全運(yùn)行10年。

2? 事件概況及判定

2.1? 事件概況

2019年9月28日，值班人員在雙灘水電站1號(hào)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中聽(tīng)到中控室監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)報(bào)警“1G轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”，運(yùn)行值班人員迅速趕赴發(fā)電機(jī)層查看保護(hù)屏柜保護(hù)裝置，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地呈現(xiàn)紅色報(bào)警信號(hào)，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)，失磁保護(hù)，后備保護(hù)均正常，且機(jī)組運(yùn)行正常，巡視人員查看各表計(jì)：

（1）有功功率;

（2）無(wú)功功率表;

（3）發(fā)電機(jī)母線(xiàn)電壓表;

（4）機(jī)組推力油槽、瓦溫、上導(dǎo)、下導(dǎo)瓦溫度均正常;

（5）巡視人員連續(xù)幾次手動(dòng)復(fù)歸轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地，復(fù)歸后很快又報(bào)動(dòng)作信號(hào)，根本不能復(fù)歸，說(shuō)明不是誤動(dòng)，系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)出警報(bào)。

于是巡視人員立即報(bào)告中控室內(nèi)值班長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)情況，運(yùn)行負(fù)責(zé)人決定征得省調(diào)同意后迅速將負(fù)荷轉(zhuǎn)到2G，停1G，隨即匯報(bào)公司技術(shù)部負(fù)責(zé)人處理。

2.2? 事故的分析以及處理

雙灘水電站發(fā)電機(jī)組采用BD-13轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)子直流系統(tǒng)只有一點(diǎn)接地時(shí)，因?yàn)闆](méi)有電流通過(guò)故障點(diǎn)，不會(huì)對(duì)機(jī)組造成任何危害。如果發(fā)生兩點(diǎn)接地則故障電流非常大，會(huì)破壞轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性而產(chǎn)生不平衡磁場(chǎng)和機(jī)械力，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生劇烈震動(dòng)，機(jī)端出口電壓下降（欠勵(lì)）定子電流急劇上升，此時(shí)兩點(diǎn)接地應(yīng)動(dòng)作跳閘，而造成機(jī)組非停受省調(diào)考核。

檢修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，分析該現(xiàn)象的各種可能：

（1）保護(hù)裝置軟故障造成誤報(bào)，保護(hù)裝置本身故障;

（2）滅磁開(kāi)關(guān)接地故障;

（3）碳刷經(jīng)常運(yùn)行而磨損的灰塵與大軸、刷架、集電環(huán)連成一體造成接地;

（4）磁極和磁極相連接的地方，接觸不良而直流電阻增大，機(jī)組帶滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)勵(lì)磁電流大，接觸點(diǎn)溫度升高，接頭融化與阻尼環(huán)接觸造成接地故障;

（5）任何一極磁極引線(xiàn)在長(zhǎng)期運(yùn)行中因溫度高而老化損壞造成接地。

針對(duì)以上集中情況，檢修班組按照操作規(guī)程、安全規(guī)范落實(shí)好安全措施，填寫(xiě)好工作票并經(jīng)過(guò)許可，開(kāi)始制定檢修方案計(jì)劃，包括進(jìn)度和質(zhì)量。首先檢查保護(hù)裝置，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并用同型號(hào)的新的保護(hù)裝置代替舊裝置，故障并沒(méi)有消除。于是解開(kāi)滅磁柜下端勵(lì)磁回路正負(fù)極引線(xiàn)，檢查柜內(nèi)沒(méi)有任何異常。用500 V絕緣表測(cè)試轉(zhuǎn)子回路，絕緣阻值為0 Ω。判斷問(wèn)題出在勵(lì)磁引線(xiàn)到磁極這一部分，首先在集電環(huán)上下分別解開(kāi)兩根正、負(fù)極引線(xiàn)，并用500 V絕緣表分別測(cè)試引線(xiàn)的正、負(fù)極的絕緣，測(cè)試結(jié)果均為6 GΩ，說(shuō)明引線(xiàn)完好無(wú)損。再同樣測(cè)試滑環(huán)與磁極連接的部分，測(cè)得阻值為0 Ω。運(yùn)用多年的檢修和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先用低壓氣反復(fù)吹掃上、下集電環(huán)、碳刷、刷架，以及磁極引線(xiàn)與大軸的連接部分，并用白布加汽油逐一擦拭干凈。再打開(kāi)發(fā)電機(jī)蓋板，仔細(xì)分別檢查了14對(duì)磁極的連接處是否有燒毀后接地的跡象，目測(cè)均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。系統(tǒng)接地問(wèn)題仍然無(wú)法得到解決。于是決定將轉(zhuǎn)子兩端的磁極與通過(guò)軸領(lǐng)下端引出線(xiàn)的接頭拆卸下來(lái)，再用絕緣表分別測(cè)試整個(gè)轉(zhuǎn)子部分的絕緣，引線(xiàn)經(jīng)過(guò)軸領(lǐng)的正負(fù)極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)28個(gè)磁極相連完好無(wú)損，絕緣也符合要求，正極至磁極的那部分絕緣完好，但負(fù)極至磁極部分絕緣阻值為0 MΩ。這段引線(xiàn)從上軸領(lǐng)進(jìn)到下軸領(lǐng)出，一共只有1.50 m長(zhǎng)度，銅排全部嵌進(jìn)了軸領(lǐng)然后用絕緣膠木壓板壓緊。為找到準(zhǔn)確的接地點(diǎn)，檢修人員拆掉受油器、上操作油管、油盆、發(fā)電機(jī)端罩、集電環(huán)等相關(guān)部件，將引線(xiàn)進(jìn)出端外層的絕緣木剝開(kāi)，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)上端頭絕緣良好，但下端與大軸相連接處以前纏的絕緣玻璃絲帶、涂刷的絕緣漆都已經(jīng)老化脫落，銅排外露并無(wú)大軸體相接觸而形成接地。

3? 故障處理

為了將問(wèn)題根除，決定還必須拆除發(fā)電機(jī)上導(dǎo)瓦、油盆、受油器等相關(guān)部件，拔出嵌入軸領(lǐng)的全部引線(xiàn)，并重新做絕緣防護(hù)措施。采用三相交流大電流發(fā)生器，12個(gè)發(fā)熱板，連續(xù)加熱整個(gè)軸領(lǐng)。引線(xiàn)上端頭用卸扣通過(guò)2 T的葫蘆懸吊在行車(chē)的吊鉤上，利用金屬熱脹冷縮特性的原理，當(dāng)軸領(lǐng)整體溫度升高后，提升行車(chē)，拔出磁極引線(xiàn)。逐層剝?nèi)ヒ郧鞍惭b時(shí)的絕緣層，用特制的專(zhuān)用工具清潔軸領(lǐng)上引線(xiàn)槽的殘留絕緣料，并用汽油清洗干凈，引線(xiàn)的兩端20 cm內(nèi)采用砂紙打磨干凈，除去銹跡和殘留物。使用絕緣紗帶重新嚴(yán)密層層纏繞，四周涂抹絕緣漆，盡量讓絕緣漆浸透白紗帶，正面上下層用絕緣電膠木遮擋，軸面先涂抹一層絕緣漆，經(jīng)過(guò)500 V搖表測(cè)量，重新纏繞的引線(xiàn)絕緣為10 GΩ，符合要求，如圖1所示。然后將引線(xiàn)以及絕緣墊層使勁嵌入到軸領(lǐng)原來(lái)的引線(xiàn)槽內(nèi)，兩側(cè)分別嵌入絕緣板并緊固引線(xiàn)上下端頭，引線(xiàn)兩端用自攻螺絲緊固，再做整體絕緣測(cè)試符合要求，引線(xiàn)兩段出軸領(lǐng)處用環(huán)氧樹(shù)脂做加固處理，避免機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中引線(xiàn)再次震動(dòng)松脫而與大軸摩擦，損壞引線(xiàn)的絕緣。

4? 機(jī)組回裝

故障點(diǎn)處理完畢，回裝上導(dǎo)瓦、上操作油管等，盤(pán)車(chē)機(jī)組操作油管，軸領(lǐng)找正，通過(guò)用行車(chē)對(duì)機(jī)組連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周甚至數(shù)周，在軸領(lǐng)上下和水導(dǎo)+x和+y方向均架設(shè)一只合格的百分表，分別均勻找8點(diǎn)測(cè)試，記錄相關(guān)擺度數(shù)據(jù)并分析，如圖2如示。同樣的方法對(duì)上操作油管盤(pán)車(chē)找正。盤(pán)車(chē)是回裝調(diào)試的重要內(nèi)容，必須把擺度調(diào)整到最小范圍，雙向擺度一般不超過(guò)0.2 mm，并對(duì)比上次機(jī)組大修時(shí)的檢修盤(pán)車(chē)記錄，綜合分析機(jī)組狀態(tài)符合要求后，方可回裝油蓋、端罩、受油器、槳葉傳感器和指針等其他相關(guān)附屬設(shè)施?；匮b過(guò)程中特別注意用白布填塞住操作油管的孔口，避免雜物誤入。

發(fā)電機(jī)主要設(shè)備部件回裝完畢并符合要求，連接磁極正、負(fù)極引線(xiàn)至上下滑環(huán)，清潔碳刷和刷架，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范連接軸領(lǐng)兩側(cè)引線(xiàn)和磁極兩段，安裝好碳刷及彈簧，然后對(duì)整個(gè)回路做清掃，在勵(lì)磁柜出口端用500 V絕緣變測(cè)試整個(gè)磁極回路絕緣為4 GΩ，符合要求。同時(shí)用直流電阻測(cè)試儀測(cè)直流電阻為0.02 MΩ，符合設(shè)計(jì)要求，然后將其回路接入柜內(nèi)，重新開(kāi)啟1G并入電網(wǎng)運(yùn)行，投入保護(hù)屏的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地裝置，故障消失復(fù)歸，裝置不再報(bào)警。

5? 結(jié)? 論

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地是機(jī)組不正常的運(yùn)行狀態(tài)，盡管一點(diǎn)接地時(shí)并沒(méi)有電流流過(guò)故障點(diǎn)，勵(lì)磁回路的參數(shù)會(huì)保持不變，發(fā)電機(jī)仍可繼續(xù)運(yùn)行，但其對(duì)地電壓有所改變，在最不利時(shí)有可能產(chǎn)生兩點(diǎn)接地，所以應(yīng)該選擇停機(jī)檢修消除故障。因?yàn)橐稽c(diǎn)接地往往是兩點(diǎn)接地的前奏，如果造成兩點(diǎn)接地，兩個(gè)接地點(diǎn)之間流過(guò)很大的短路電流，所產(chǎn)生的電弧可以燒毀勵(lì)磁繞組的鐵心和繞組，氣隙對(duì)稱(chēng)性遭到破壞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子劇烈震動(dòng)，這對(duì)發(fā)電機(jī)本身都十分有害，對(duì)凸極式轉(zhuǎn)子的水輪發(fā)電機(jī)危害更大，因此在保護(hù)系統(tǒng)報(bào)警轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)必須足夠重視，停機(jī)排除故障或檢修，確保機(jī)組運(yùn)行可靠安全。通過(guò)本次對(duì)故障點(diǎn)的分析和排障，給我們以后同樣的問(wèn)題提供了借鑒的依據(jù)、思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 練靜，楊曉斌.對(duì)直流系統(tǒng)接地故障的分析與處理 [J].中國(guó)科技信息，2008（18）：132.

[2] 陳肇輝.變電站直流系統(tǒng)接地故障的處理方法 [J].廣東科技，2008（20）：118-119.

[3] 徐海明，王全勝.變電站直流電源設(shè)備使用與維護(hù) [M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：李志瓊（1982.07—），女，漢族，四川巴中人，電氣工程師，本科，研究方向：水利發(fā)電。