1 080MW汽輪發電機轉子內部短路故障分析

康逸群 宋夢瓊 宋 楊

1 080MW汽輪發電機轉子內部短路故障分析

康逸群1宋夢瓊2宋 楊3

（1. 國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，武漢 430077；2. 國網湖北省電力有限公司技術培訓中心，武漢 430071；3. 湖北方源東力電力科學研究有限公司，武漢 430077）

轉子接地短路故障是發電機常見故障之一，對設備本體以及電網安全造成嚴重威脅。本文以一臺1 080MW汽輪發電機轉子內部短路故障為案例，詳述故障的過程、診斷及后續處理。通過現場檢查、交流阻抗試驗、重復脈沖（RSO）試驗和小電流開環試驗等檢測方法確定短路點位于轉子導電桿，并在故障部件解體后確定故障由導電桿內部兩極間短路造成。

轉子短路故障；RSO試驗；勵磁系統；故障分析

0 引言

大容量發電機組安全運行對電網穩定性至關重要。轉子短路故障是汽輪發電機常見故障之一，故障較嚴重時，可能造成大軸磁化、設備燒損等情 況[1-4]。發生短路故障的原因主要有兩點：①由于運行過程中的機械力、電磁力導致絕緣變形或局部損壞；②由于制造工藝不足造成的絕緣損壞。查找轉子接地故障常用的檢測方法有交流阻抗與功率損耗試驗、重復脈沖（recurrent surge oscillograph, RSO）試驗、繞組電壓試驗和極電壓平衡試驗等[5-6]。

本文以某電廠1 080MW發電機轉子短路故障為例，論述采用相關試驗等方法進行故障診斷和分析的過程；并對比故障前后的試驗結果，說明試驗分析與故障判定結果正確，確保缺陷消除后發電機狀態正常。

1 轉子接地故障過程與記錄

某廠一臺1 080MW汽輪發電機組在168h試運期間發生滅磁開關跳閘動作致使機組解列，隨即針對故障開展診斷分析工作。發電機額定參數、故障前運行參數見表1。

1.1 發變組保護動作記錄

檢查發變組保護裝置，相關電氣保護動作過程見表2。

其中，發電機轉子接地保護由勵磁系統的轉子接地保護裝置提供，轉子接地Ⅰ段定值10kW動作于報警，Ⅱ段定值5kW動作于跳閘；勵磁系統故障跳閘設有0.5s延時動作，轉子接地Ⅱ段跳閘設有5s延時動作。

表1 發電機額定及故障前運行參數

表2 發變組保護裝置動作記錄

1.2 故障錄波波形記錄

查看故障錄波裝置，在滅磁開關跳閘前，發電機運行正常，機端電壓、電流無異常，如圖1所示。

而在滅磁開關跳閘前，勵磁電流和勵磁變高壓側電流明顯上升，勵磁電壓小幅下降情況，如圖2所示。

保護動作、開關變位的時間及順序記錄如圖3所示，其結果與發變組保護裝置事件記錄相符。其中，“轉子接地保護跳閘（A屏）”“轉子接地接地保護跳閘（B屏）”未保護啟動時，延時（定值5s）動作未計入。

1.3 勵磁系統記錄

為準確分析故障時刻工況，查看勵磁系統故障波形，如圖4所示。

圖1 發電機機端電壓、電流波形記錄

圖2 勵磁電壓、電流波形記錄

圖3 保護動作及開關變位記錄

圖4 勵磁系統故障波形記錄

勵磁系統中、基準值為1 200MV·A；發電機電壓g基準值481V，電流g基準值25 661A；勵磁電壓f基準值481V，勵磁電流f基準值5 327A。根據波形記錄可知故障時刻f最高達到3.08倍基準值，約為16 407A。

由以上各裝置的數據波形檢查可以判斷故障過程為：勵磁系統發生勵磁過流，導致滅磁開關跳閘；勵磁系統故障跳閘信號至發變組保護裝置，經0.5s延時后保護動作，啟動廠用電切換，發關主汽門信號；隨后ETS動作，發熱工保護至發變組保護裝置，聯跳主變高壓側斷路器；熱工保護動作后延時約15s保護裝置收到轉子接地保護跳閘信號。

2 現場檢查與試驗分析

2.1 現場初步檢查

發電機跳閘后，轉子接地保護裝置顯示接地Ⅱ段動作、絕緣電阻1kW，且裝置不能復歸。斷開發電機大軸至轉子接地保護裝置接線，拆除勵磁碳刷后，轉子接地保護裝置可復歸，此時顯示絕緣電阻2MW，說明轉子接地保護裝置功能正常。

檢查發電機勵磁各部件無明顯損壞痕跡，經測量勵磁直流母排絕緣電阻為2MW，轉子對地絕緣電阻0.1W，轉子繞組直流電阻0.029W（其出廠值為0.069W）。

為進一步查找故障原因，采取試驗方法進行檢測分析。

2.2 轉子交流阻抗試驗

測量轉子繞組交流阻抗參數，并與歷史數據對比變化趨勢，是判斷轉子繞組是否存在短路故障的常用方法。故障前后，發電機盤車工況的交流阻抗試驗數據見表3。

表3 故障前后轉子交流阻抗試驗對比

根據兩次試驗數據的明顯差異，可以判斷轉子內部發生短路故障。

2.3 轉子繞組RSO試驗

RSO試驗原理基于行波過程理論，在轉子繞組兩端同時注入脈沖波，通過分析注入點波形和特性波形判斷繞組是否存在故障。繞組在正常情況下由于其結構對稱性，當兩端同時注入一致的脈沖波時，其特性波形應為平直直線。當繞組存在故障時，繞組阻抗分布變化將產生反射波，則兩端呈現不同的合成波，在特性波形上表現為突起的尖峰。特性波形尖峰的位置、幅值與故障程度、位置有關。故障后盤車工況的RSO試驗波形如圖5所示。

圖5 故障后RSO試驗結果

根據特性波形曲線存在明顯尖峰，同樣可以判斷轉子內部存在短路故障。

2.4 勵磁小電流開環試驗

為確定勵磁系統設備完好、功能正常，測量勵磁系統交、直流側絕緣結果合格，并進行小電流開環試驗，結果見表4。

表4 勵磁小電流開環試驗結果

根據試驗結果可以判斷勵磁系統功能正常。

綜合上述多項試驗結果可以確定，此次勵磁系統過流引起的發電機解列事故，是由發電機轉子內部發生接地短路故障造成。

3 故障原因分析

根據前文所述試驗結果，并結合發電機結構特點，推斷故障可能發生在轉子繞組前端及引出線導電桿兩個部位。為確認故障發生部位，脫開發電機側導電螺釘后，分別測量轉子繞組和導電桿對地絕緣電阻。結果顯示，轉子繞組對地絕緣電阻為93MW，導電桿對地絕緣電阻為0.1W。由試驗數據可以基本排除轉子繞組短路情況，可進一步確定故障點發生在導電桿處。

抽出導電桿后，發現靠發電機側表面存在明顯燒損痕跡，并且有一處碳化擊穿點，導電螺釘孔底部有金屬熔融物。將導電桿返廠解體檢查發現故障點銅體局部燒損，合縫處絕緣隔板燒損、碳化；接地點熔融物沿導電桿合縫面軸向流動，并沿寬度方向流動至導電螺釘孔底面。

圖6 導電桿內部損壞痕跡

由此確定引起接地故障的原因是，導電桿內部兩極間短路，產生高溫熔化局部導電桿并使導電桿對地絕緣碳化損壞造成接地故障。根據返廠檢查結果判定此次故障由導電桿內部絕緣損壞，導致兩極間短路，產生高溫熔化局部導電桿并使導電桿對地絕緣損壞造成接地。

在完成導電桿修復安裝后，發電機在靜態工況下進行相關試驗檢查以確保缺陷已消除。靜態工況轉子交流阻抗試驗結果見表5。

試驗數據表明修復后交流阻抗參數無異常。

靜態工況轉子繞組RSO試驗結果如圖7所示，可以看出合成的特性波形曲線為一條平展直線，表明無阻抗突變點，轉子繞組無異常。

通過上述試驗以及相關檢查工作可以判斷轉子內無異常，修復后短路故障已排除，可正常投運。

表5 修復后轉子交流阻抗試驗結果

圖7 修復后RSO試驗結果

4 結論

本文詳細論述了一臺1 080MW汽輪發電機轉子短路故障的發展、診斷及處理過程。通過多項試驗分析確定該故障由導電桿內兩極間短路造成，但由于故障部位損壞嚴重，尚未確定極間短路原因。為避免同類故障的發生，提出幾點防范措施：

1）發電機在制造、運輸、安裝、維護時需進行嚴格質量管控，以免在運行前造成設備缺陷。

2）發電機在運行過程中需對相關參數加強監測和分析，及時發現異常狀態。

3）RSO試驗在判定轉子狀態、故障定位等方面有獨特優勢，可以建立RSO試驗數據檔案，并進行長期跟蹤。

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Analysis of internal short-circuit fault in rotor of 1 080MW turbine generator

KANG Yiqun1SONG Mengqiong2SONG Yang3

(1. State Grid Hubei Electric Science and Research Institute, Wuhan 430077；2. State Grid Hubei Technology Training Center, Wuhan 430071；3. Hubei Fangyuan Dongli Electric Power Science and Researche Limited Company, Wuhan 430077)

Rotor short-circuit fault is one of common fault of turbine generator, threating safety of equipment and power system. This paper takes rotor short-circuit fault of 1 080MW turbine generator as example, discussing the process, analysis, and treatmen of fault. Locating fault point at conductor pole in rotor by field examination, AC impedance test, RSO test, and excitation system test. Then determing the rotor grounding fault was caused by short circuit between positive and negative electrode in conductor pole after disintegrating faulty components.

rotor short-circuit fault; RSO; excitation system; fault analysis

2020-06-09

2020-07-30

康逸群（1990—），男，湖北省武漢市人，碩士，工程師，主要從事電力系統繼電保護及自動化工作。