发电机定子接地故障点排查及故障分析

刘仁惠

（华能国际电力股份有限公司上安电厂，石家庄 050310）

1 概述

某电厂4号发电机的型号为 QFSN－300－2－20，额定容量300MW、定子额定电压20kV、额定电流10.19kA，冷却方式为“水－氢－氢”方式，定、转子绝缘等级均为F级。该发电机于1997年10月投运，发电机本体及TV、避雷器等主要附属设备均未发生过电气故障。

4号发电机与主变压器采用单元制接线方式，发电机出口经封闭母线与主变压器、厂用变压器、励磁变压器、出口TV、避雷器等设备相连，系统接线方式见图1。发电机保护R1盘95%定子接地保护零序电压取自发电机中性点电抗器，R2盘95%定子接地保护零序电压取自发电机机端TV3开口三角零序电压。2套接地保护动作电压定值均为5V，跳闸时间定值为0.2s。

图1 发电机接线示意

2 故障情况

在4号机组带有功负荷178MW稳定运行时，突然跳闸，“发电机95%定子接地”和“发电机定子接地”保护动作光字牌亮；R1盘内95%定子接地保护机端接地跳闸继电器动作；R2盘内95%定子接地保护跳闸出口继电器动作，跳闸灯亮。

根据保护动作情况和故障录波器波形分析，初步认定发电机接地保护范围内发生了接地故障。零序电压和电流的衰减过程表明，在发电机出口主开关跳闸后，接地故障仍然存在，表明接地点在发电机侧。从发电机电流、电压、温度等监视数据看，故障前定子铁心、定子绕组均没有明显的参数变化，跳闸前机组没有任何异常征兆，说明接地故障是突发性的。回顾机组运行情况，4号机组曾发生过较长时间的异常振动，使铁心端部压紧环多条螺栓松动，而且其中一条螺栓脱落，发电机内局部有绝缘材料由于振动摩擦而脱落的粉末。当时利用停机机会对发电机内部进行了检查，没有发现铁心或绕组损坏情况，但不能排除由于振动而在隐蔽部位出现故障隐患的可能。因此，故障发生后，怀疑发电机内部发生接地故障。

3 故障点排查及处理

3.1 设备检查

对发电机本体、出口封闭母线、主变压器低压侧、厂用变压器、励磁变压器、出口TV、出口避雷器、中性点电抗器等进行全面检查，具体步骤和结果如下：

a.发电机本体、出口封闭母线、主变压器低压侧、厂用变压器、励磁变压器等设备外观未见异常，无异味。将所有出口TV和避雷器拉出间隔，其外观完好，间隔内清洁无异物；

b.测量上述设备的绝缘，仪表显示绝缘良好，检查、测量TV二次回路，绝缘正常，外观完好；

c.将发电机和与其连接的设备分离，再次对各设备进行绝缘测量和耐压试验，结果正常。

3.2 继电保护装置检验

在设备检查没有发现异常的情况下，对2套定子接地保护装置再次进行校验，以重新确认发电机保护装置动作的正确性。保护装置校验结果为：R1、R2盘定子接地保护的动作电压分别为5.01V、5.03V，动作时间分别为0.198s、0.21s。

比较故障前后发电机定子三相工频电压录波数据（录波时间2.5s），波形显示定子电流故障前后无明显变化，均为5 100A左右。故障前，发电机定子电压三相对称，故障后，U、V相电压略有降低，W相电压略有升高，开口三角和中性点均出现零序分量，其中，发电机中性点三倍零序电流3I0为223 mA，三倍零序电压3U0为2 300V（正常运行中满负荷情况下，3I0、3U0约为50mA、200V）。发电机出口TV4开口三角零序电压故障前、后分别为0.297kV、2.353kV，发电机中性点TA零序电流故障前、后分别为0.025A、0.224A，发电机中性点电抗器电压故障前、后分别为0.210 8kV、1.384kV。

保护定值检查和装置校验结果表明，保护动作前后零序电压、电流参数均有明显变化，具有接地故障的典型特征，且达到保护动作条件，保护动作是正确的。

3.3 现场试验

为了尽快查明原因，分别对有关一次设备进行了2倍额定直流耐压和1.5倍额定交流耐压试验，各项试验数据均正常。对发电机出口三相避雷器进行电导电流测试，未发现异常。由于TV结构上采用分级绝缘形式，不宜进行耐压试验，所以用2 500 V摇表摇测TV绝缘，没有发现异常情况。对发电机做零起升压试验，定子电压升至4 200V时，保护盘定子接地动作指示灯亮，发电机定子接地保护再次动作跳闸。用于试验测量的表计显示3U0为7.8 V，录波波形显示3U0与定子电压同步出现，定子建立电压后677ms出现中性点零序电流，电流强度为80mA，接地特征明显。

检查各TV无断相、无接地、直阻正常，用2 500V摇表检测各TV绝缘，结果正常，TV二次回路检查未见异常，对TV进行30kV交流耐压试验，结果正常。

3.4 故障点确定

绝缘检测和直流耐压试验的结果表明不存在“发电机定子系统接地”，而保护动作情况和零起升压试验的结果表明存在“发电机定子系统接地”，两者矛盾。

通过梳理已经完成的检查、测试工作，唯一没有经过耐压试验的设备只有发电机出口TV。结合故障现象和零起升压试验情况，进一步分析认为，使用仪表绝缘测量与实际运行中TV的工作环境存在差别。同时，系统检查时的分割也改变了设备及系统的电气性质，这就是故障点一直没有暴露的直接原因。

因此，将故障点确定在TV一次侧，各组TV推入工作位置，模拟正常运行工况，按正常运行时的电气一次接线方式在发电机出口接入运行电压，依次对发电机出口三相TV进行试验。将W相和V相TV一次侧电压升至11.5kV，检测TV二次电压均为57V，说明W相和V相TV正常。在对U相加压时，故障现象出现了，表现为一次电压不能建立，且伴有电流明显增大，逐个测量U相各TV二次侧均无电压，至此故障点确定在U相。最后，采用排除法将U相的4个TV逐个拉出间隔进行排查，当拉出第4组TV即TV4时，故障特征消失，确定U相TV4存在故障。

更换新的U相TV后经全面检查，发电机重新启动并网，一切恢复正常。

4 故障原因及性质

由于发电机出口U相TV4的绝缘带缺陷长期运行，在发电机正常电压下，绕组绝缘发生电击穿，导致定子接地保护动作跳闸。而且TV4的绝缘击穿只是电气击穿，尚未形成物理击穿，外观没有烧损迹象，不带电压时绝缘性能可自行部分恢复，在摇表的电压作用下不被击穿，表现为绝缘正常，外观也完好。但是，其匝间绝缘性能已无法承受正常运行情况下和零起升压时的发电机出口电压，这就是TV接入发电机系统后升压时保护动作跳闸，而摇表测试时显示绝缘正常的原因。

绝缘材料的击穿有2种类型：电气击穿和物理击穿。一般绝缘击穿首先是电气击穿，故障切除前可发展为物理击穿，即永久性击穿。发生物理击穿的绝缘材料绝缘性能完全丧失，可伴有绝缘材料烧损、异味产生和外观损坏等；如果电气击穿后故障瞬间切除，或虽然故障延时切除，但电气击穿的能量较小，都可能不会发展为物理击穿，故障切除后绝缘性能可以自行恢复或部分恢复。此次，4号发电机出口U相TV4绝缘材料损坏状态处于电气击穿向物理击穿的发展阶段，绝缘材料尚未完全损坏。

5 结束语

该电厂4号发电机出口TV为浇注式单相电压互感器，型号为JDZX1－20，为早期产品，制造工艺相对落后，质量不稳定，生产厂家已经改进了生产工艺，产品进行了升级换代。故障后，利用停机机会更换了全部早期的TV产品，机组运行可靠性得到了提升。同时，应进一步强化绝缘监督工作，加强对TV设备的定期检查试验工作，以利于设备缺陷的早发现、早处理，确保机组安全稳定运行。