水轮发电机组不平衡电流过大的原因分析及处理方法

丁 凯

(国电大渡河深溪沟水电有限公司，四川汉源 625300)

1 电站概况

深溪沟水电站位于四川省汉源县，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为瀑布沟水电站，下一级为规划中的枕头坝电站。深溪沟水电站为河床式布置，主要任务为发电。电站装设4台165 MW轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660 MW。发电机额定电压为15.75 kV，电站发电机与主变压器组成两组扩大单元接线，发电机通过离相封闭母线引出与主变压器低压侧连接，主变压器高压侧直接与500 kV SF6管道母线(GIS管道母线)连接，发电机中性点经接地变压器接地，500 kV侧为四角形接线，电站按无人值班(少人值守)原则设计。深溪沟水电站4F机组于2011年6月成功投产。

深溪沟水电站发电机定子绕组为分数槽波绕组，共585槽，每相3分支，每分支65个线圈。发电机机端设有断路器，升压变及系统等值电抗(折合到发电机额定容量)约为0.2 p.u。根据设计文件，深溪沟水电站机组不完全裂相横差保护为发电机内部短路主保护，并配置了A、B两套发电机不完全裂相横差保护(87GU－A/B)，该保护为三相式横差保护，保护采集发电机绕组中性点每相分支1电流和分支3电流，能反应发电机定子绕组相间短路故障、定子匝间短路故障及分支断线故障。

深溪沟水电站发电机每相的第i分支接在一起，形成中性点 Oi(i=1，2，3)，然后在O1－O3、O2－O3之间接两个电流互感器TA01和TA02，构成零序电流型横差保护1(TA01)和零序电流型正横差保护2(TA02);并在每相的第1和第3分支上装设分支电流互感器TA1～TA6，且有机端相电流互感器TA7～TA9，构成不完全纵差保护1、不完全纵差保护3和不完全裂相横差2(图1)。

图1 发电机差流保护配置图

2 故障情况

常情况下，发电机不完全裂相横差保护差流采样值在0.01～0.02 Ie左右，但在深溪沟水电站4号机组进行并网运行试验时发现，在发电机空载试验和负载试验时，不完全裂相横差保护差流采样值均偏大，最大为B相0.12，超过报警整定值，其次是C相、A相，横差电流2最大已达0.25，在短路升流试验时，不平衡电流采样正常。从采样表中可以发现其具有明显的规律，差流值大小与机组定子电流大小无关，只与发电机电压大小有关，发电机建压后即产生差流，且在额定电压时达到最大。

3 原因分析及检查处理过程

3.1 原因分析

在发现该问题后，我们对出现差流过大的原因做了以下初步分析:

(1)继电保护装置采样误差;

(2)负荷不平衡;

(3)电流互感器特性差异过大;

(4)定子绕组线棒接线设计缺陷或安装接线错误;

(5)定子绕组各相分支阻抗不平衡;

(6)定子和转子不圆度超标或定转子偏心，定转子空气间隙不均匀。

3.2 检查处理过程

由于该电站4号机组已投入商业运行，考虑到查找和解决该问题的可操作性及工作难度，针对上述可能造成差流过大的原因，我们组织各参建单位对4号机组差流过大可能的6个原因进行逐一排查，从排查顺序上采取从易到难，先查二次设备、后查一次设备、机械设备，具体分析及检查处理情况为:

(1)继电保护装置采样误差。

在4号机组运行过程中出现差流时，用钳形电流表检测电流互感器引出线中转端子箱处的实际电流值与继电保护装置采样值一致;后又在停机时用标准校验仪对继电保护装置进行再次校验，A、B两套保护装置测量、告警均正常，因此，可排除此项原因。

(2)发电机所带负荷不平衡。

由此可见，今人眼中人工智能和人的不同，和时人眼中女性和男性的不同其实并无性质上的差异：他们都被认为具有本质上的、根本能力上的差异，故所具有的法律人格自然也应有所区别。但正如约翰·穆勒在那个年代便已意识到的一样，这些被称为女子气质的东西其实是人为制造出来的。[注][英]玛格丽特·沃特斯：《女权主义简史》，第76—77页。按此观点，上述所谓本质差异本身便是建构出来的，建基于此的法律人格差别自然也是如此。女性的法律人格在日后的发展，也显示出这一点：到了今天，我们至少在理论上承认了女性和男性之间并无本质不同，故也应具有同等的法律人格。

由试验中继电保护装置采样数据可见，不完全差动差流、裂相差流以及横差电流与所带负荷以及定子绕组流过的电流值没有关系，只与发电机的电压值有关，因此，可排除此项原因。

(3)机组继电保护用电流互感器特性差异过大。

可能的原因是电流互感器非同一个厂家、非同一个批次、非同一个型号，从而造成各电流互感器特性差异较大，或产品制造存在缺陷。经过核查，差流用6只电流互感器均为沈阳互感器厂同一批次产品，型号均为LMZB9－20型双绕组，变比4000/1，准确级5PR30，额定输出20 VA;电流互感器出厂试验报告中反映，绝缘电阻、伏安特性、误差试验、绕组直流电阻等测试均满足国标。随后又对4号机组差动保护相关CT进行了绝缘、变比、伏安特性等试验复查，也未发现异常。

为彻底排除从电流互感器本体至继电保护装置整个回路无异常，我们又对4号机组中性点各相裂相横差CT做了一次通流试验:试验时，采用了大电流发生器作为一次电流源，将一次电流同时同方向穿过发电机裂相横差保护用的中性点CT，然后投入发电机裂相横差保护，在保护装置上记录采样和差流值(表1)。

表1 电流互感器一次通流试验采样值表

经对上述试验数据进行分析，4号机组发电机差动保护CT本体无故障，不存在造成机组运行出现差流的因素。

(4)定子绕组线棒接线设计有缺陷或安装过程中接线有错误。

因深溪沟水电站4台机组型号和生产厂家均相同，之前投运的机组都没有出现差流过大问题，故可排除接线设计的问题。因此，我们在4号机组检修期间，按照定子绕组接线图纸对4号机组定子绕组接线进行了逐一检查，未发现错误接线，故该原因亦可排除。

(5)定子绕组各相分支阻抗不平衡。

可能的原因有两点:一是由定子绕组线棒端接头接触电阻差异造成，与端接头的焊接工艺有关;二是定子线棒、定子铁心、磁极铁心形状尺寸有差异。

深溪沟水电站发电机绕组采用银铜焊接法。银铜焊料允许通过的电流密度高，抗拉强度也高，但银铜焊接温度高，对焊接工艺要求也高。若焊接时工艺不合乎要求，其内部都有可能存在焊接物不严实的情况，其不严实度将直接影响到接头接触电阻值的大小。若各接头接触电阻差异较大，可能会造成定子绕组三相各分支直流电阻不平衡，从而各分支间会产生差流。但从我们对4F定子绕组的分支直流电阻试验数据进行分析看未见异常。

由于定子线圈、定子铁心、磁极铁心都是采用模具制作的，其形状尺寸一致，因此，发电机每相及各支路间的电抗值应是一致的。既使由于制造过程中的偏差引起电抗值的少许偏差，其引起的支路电流的偏差值最多就在百分之几以下。

(6)定子和转子间隙不均匀。

定转子空气间隙的不均匀。比如定转子之间偏心、定转子圆度不良，在相同的旋转速度下会使气隙磁密分布不均匀。由于线圈切割的磁场密度不均，而引起相间以及同相并联支路之间感应电压(内电势)不同，从而引起并联支路间的不平衡电流(循环电流)。并联支路间内电势之差和相关支路阻抗的大小，决定了该不平衡电流即裂相横差电流的大小。

如果定转子偏心的方向相对于各支路导体所在的位置不同，而各位置的气隙大小不同、气隙磁密不同、感应的单体电势不同，最终也会引起支路间总的感应内电势不同。

通过上述分析，并结合4号发电机定、转子安装记录、空气间隙监测装置的数据报告，得出4号发电机因为定转子偏心或定转子的圆度不良引起气隙不均匀，进而引起支路间感应内电势的不同，并联支路之间发生循环电流;感应电势大的支路在正常电流之外叠加循环电流，而感应电势小的支路在正常电流之外会减去循环电流，从而表现为裂相横差的电流过大。

4 结论及处理结果

通过对各项原因进行排查分析，我们得出了最终结论:深溪沟水电站4号发电机裂相横差电流过大的主要原因是定转子气隙不均匀。因此，我们在4号机组检修期间，下决心对机组转子圆度及机组轴线进行了检查和调整。

从4号机组检修后启动试验时的机组状态监测数据中可以看出，定子、转子的不圆度和同心度得到了很大的改善。在检修后的机组启动试验中，4号机组空载及负载各工况下的不完全裂相横差电流及横差差流均恢复到正常值范围，4号发电机不平衡电流故障得到了成功的处理。

5 结语

通过对深溪沟水电站4号发电机不平衡电流故障的处理，我们总结出以下经验:在机组安装调试过程中，一定要严格按照厂家作业指导书进行施工，必须对设备及关键材料进行交接试验，并在满足各项规程规范的同时，对发电机定转子圆度及机组轴线的调整更应精细，以保证定转子圆度及机组轴线的数据优良。

水轮发电机组的安装调试是一项非常复杂繁琐的工作，涉及到土建和机电安装、设计、制造厂家等各参建单位的诸多协调和配合，并且在新电站建设期间，都存在工期紧张这一不可回避的现实问题。要做到“又好又快”的施工，需要组织各参建单位制定出科学有效的施工方案。作为建设管理单位，一定要协调好各参建单位及各个施工环节，要为重要的工序保证足够的时间，不能因工期紧张而放低任何环节的技术指标，否则就可能得不偿失。希望通过笔者的介绍，能够对其它水电站工程的施工和类似故障处理提供帮助和借鉴。