摘 要:发电机的励磁回路中,绝缘最薄弱的环节就是转子部分，为使发电机组安全运行更可靠,通过陕西某发电厂长1号发电机转子接地故障实例，对转子接地故障原因及处理方法进行了分析。
关键词：发电机；接地故障；处理措施
发电机转子接地故障,一般按接地的稳定性可分为两种:即稳定性接地和不稳定性接地,按接地程度亦分为两种:即直接接地(金属性接地)和不完全接地(高阻接地)。如果在绕组内部或励磁回路发生另一点接地,构成两点接地时,转子绕组、转子铁心或护环可能被短路的直流电流烧损,同时因部分短路匝而形成的磁路不对称,会造成机组振动增大,甚至会造成转子本体磁化。
1、转子绕组发生接地故障的原因
(1)制造和检修工艺不良。如导线焊接质量不良、槽衬受损、转子绕组至滑环的引线及导电螺钉绝缘受损、遗留焊渣、导电粉尘等异物。
(2)运行维护不当。如氢气湿度大、氢中含油,集电环与轴之间的绝缘筒、集电环与引线连接处积存碳粉、污垢等。
(3)设计结构缺陷。如老式结构转子主绝缘外敷保护钢甲,运行中在发热膨胀和机械作用下,主绝缘受损,导致接地故障。
(4)选材质不好。制造厂选用的导线、绝缘材料质量不好,存在先天缺陷。
(5)运输保管不当。转子在运输保管过程中绝缘受潮、赃污或通风孔进入异物。
2、故障检测
2.1故障现象
某发电厂发电机,1998年末投入运行,运行一直良好。2009年8月18日16:00，“发电机发生一点接地”发出报警信号,发变组保护装置显示转子绝缘电阻为0Ω,机组无异音、且振动正常。故障前负荷有功69 MW,无功60Mvar,定子电压15.77 kV、定子电流3400A,转子电压220V、电流1165A。发电机入口风温34℃,出口风温39℃。
检查励磁回路外部设备、集电环未见异常。对刷架积存的碳粉和油污进行清扫后,接地信号仍不消失,发变组保护装置显示绝缘电阻仍为0Ω.将负荷降至0,发电机解列,维持3000 r/min转速,将刷握全部拆下,检测绝缘,发现外部绝缘良好。直接用专用工器具接触滑环表面, 用500V兆欧表测量转子绝缘,结果为0MΩ,由此判断接地部位确在转子上,投入盘车运行。
2.2 故障检测
盘车停止后,用万用表测量集电环两极对地电阻,分别为1.6Ω、1.3Ω。转子轴出前,为初步判断转子绕组接地点的电气位置及接地电阻数值,采用直流电阻法进行测量和计算。测量转子绕组的直流电阻Rab和正、负滑环对地的直流电阻Rag、Rbg, 结果为R ab=0.1940; Rag =0.0769Ω；Rbg=0.1185Ω。
接地点电阻:
Rg=1/2(0.0769+0.1185-0.1940)=0.0007Ω
转子绕组属稳定性金属接地故障。接地点距正、负滑环间的电阻分别为：
R1=Rag-Rg=0.0769-0.0007=0.0762Ω
R2=Rbg-Rg=0.1185-0.0007=0.1178Ω
接地点距正滑环的电气距离:
根据转子线圈装配结构,其轴向位置应在外环第7套线圈。转子抽出后,因发电机转子采用气隙取气斜流通风方式,在拔下转子护环前,在正、负滑环上加24V直流电源,用探针插入通风孔内,测量槽内各线匝导体对地电位,发现第7套线圈对应的通风孔电位较其它线圈低,尤其是靠近励端护环北侧的通风孔电位最低。第6套线圈在靠近励侧、汽测护环对应的通风孔内线匝对地电位见表1。
表1第6套线圈部分线匝对地电位
第7套线圈靠近励侧、汽测护环对应的通风孔内线匝对地电位见表2。
表2 第7套线圈部分线匝对地电位
根据测量数据和转子线圈内部装配结构, 接地位置应在第7套线圈励端护环下, 可能发生在槽口或端部。
为验证转子绕组在接地故障发生的同时是否并存匝间短路故障, 在转子拔护环前进行了交流阻抗和功率损耗测试, 交流阻抗与历次测量值相比有所减小, 功率损耗有所增大, 但变化趋势不明显, 试验结果见表3。
表3 转子交流阻抗和功率损耗测试数据
2.3解体检查
拔下励侧护环后, 发现接地点在励侧端部第7套线圈横向顶部, 具体损坏情况如下。
(1)第6、第7套线圈顶匝线圈上股导线严重过热变形向内塌陷, 长度约10 cm。
(2)第6、第7、第8套线圈之间的横向绝缘隔板, 故障范围内顶部已烧焦, 第6、7线圈间的隔板较为严重, 已烧出缺口, 并和覆盖其上的绝缘瓦炭化粘接在一起。
(3)与故障区域相对应, 护环下2 层绝缘瓦(上层厚3 mm, 下层厚4 mm ) 被烧焦, 且烧出孔洞。其内表面与横向绝缘隔板的边缘烧焦部分已粘接在一起。
(4)在励侧护环内表面上, 对应与故障区域有过热烧痕。
(5)与故障区域相对应, 第6、第7套线圈的顶匝导线和下部的第2匝导线间绝缘垫条已烧焦碳化, 顶匝的下层导线和第2匝上层导线局部烧结在一起。
3 、故障原因
从设备损坏情况看,接地点发生在转子绕组端部顶匝导线与护环之间,顶匝导线与护环间2层绝缘瓦(共厚7mm)被烧焦是因导线严重过热而造成的。检查导线材质均匀、表面无裂纹, 且过热部位不在焊点处,因此,不是导线本身质量问题。检查顶匝导线内由双股凹型导线构成的通风道内部无异物,也不是导线内部风道阻塞、通风冷却效果下降造成的导线过热。因第6、第7套线圈间的顶匝导线和下部的第2匝导线间绝缘垫条已严重烧焦碳化,有可能是顶匝线圈与下部线圈匝间短路,造成顶匝导线严重过热。上股导线因过热向内塌陷后使由双股凹型导线构成的通风道变得狭窄,冷却效果下降,加剧了顶匝导线发热。结果,顶匝导线严重过热,将紧靠的绝缘瓦烧焦、穿孔而接地。因故障位置距导线焊口较近, 很有可能在制造过程中, 导线焊口处焊渣未清理干净残留在导线绝缘垫条上。在转子强大离心力的作用下,在端部横向导线受热沿切线方向膨胀的推动下,端部横向的匝间垫条被渣粒挤压磨损,甚至磨穿,形成匝间短路。因匝间短路发生在第6、第7套线圈间的顶匝导线和下部第2匝导线上,短路匝数较少(每套线圈10匝,每极80匝)。由于短路匝数较少,运行中未出现振动。事发后进行交流阻抗测试,数据与出厂试验及上次测量结果相比变化也不很明显。
4、 修复
因导线发生缺陷的位置距离焊口处较近,先将第6、第7、第8套线圈从励侧端部横向部分的焊口处断开,用气焊加热导线,修整顶匝变形部分上层导线的平面与棱角。更换第6套线圈过热受损的匝间绝缘垫条,再将割下的导线在割断处焊接恢复。按同样的办法依次处理第7、第8套线圈受损部分。线圈处理后,更换损坏的绝缘隔板,再对端部线圈用卡环加压整型,然后回装绝缘瓦及护环。
5 、结束语
发电机转子接地故障是设备制造过程中工艺粗糙留下的工艺性缺陷,设备制造厂应提高设备制造工艺质量。另外,该起故障是由匝间故障发展成为接地故障,提醒各运行单位在发电机订货时要求制造厂在制造过程中安装微分探测线圈并配备转子匝间短路在线监测装置,以便早期发现转子匝间短路缺陷。
参考文献
[1] 张国强，汽轮发电机故障分析与诊断[D]华北电力大学（北京），2011.03
[2] 王晓宁 朱德恒 李福祺，大型汽轮发电机故障模式与故障树分析[J]大电机技术 2004.07
《汽轮发电机故障分析及处理》
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