发电机转子接地故障分析及防范措施

付海金

(广州珠江电厂，广东 广州 511457)

发电机转子接地故障分析及防范措施

付海金

(广州珠江电厂，广东 广州 511457)

介绍了某燃气轮机发电厂发电机转子动态接地故障的处理过程；根据发电机故障后的检查情况及检修中发现的异常情况，分析该故障的各种可能原因；并通过对影响转子对地绝缘因素的分析，明确了引发此次故障的原因，提出了防范措施，以避免同类故障的发生。

燃气轮机；发电机转子；动态接地故障；防范措施

1 概述

2013-02-19T09:11，某燃气轮机发电厂2号发电机，继2012-11-20处理接地故障重新镶嵌发电机转子线圈，运行3个月后，再次出现接地故障。

该发电厂2号发电机总成及二端端盖由哈尔滨电机有限公司制造，定子由日本东芝公司制造，转子由韩国斗山公司制造。发电机型号为390H，额定容量468 MVA，额定功率397.8 MW，额定电压19 kV，出厂编号290T694。2011-09-10和2012-07-13，先后2次出现过转子接地故障，2次都由哈尔滨电机有限公司技术人员对该转子不稳定接地故障进行现场处理。2013-02-19，2号发电机转子再次发生接地故障，并于2013-03-02返回哈尔滨电机有限公司进行故障处理。

2 发电机转子运行中的绝缘状况

2013-02-19T09:11，2号机组运行中报“发电机转子磁场接地”警告和跳闸信号，机组解列，转速维持在3 000 r/min。经检查，保护动作时在线测量转子对地电阻值为83 Ω，接地点位置为0.556(正负极之间为0～1)。在对装置复位后，装置在线测量值为7 kΩ左右(测量过程中电阻值曾有波动)，在转子转速为3 000 r/min下拔掉转子碳刷，用500 V兆欧表摇测发电机转子回路对地绝缘为0。停机过程中，当转速为2 600 r/min左右时，对地绝缘电阻变为280 kΩ，盘车状态下对地绝缘电阻值为1.15 MΩ(上述数据均为在线测量值)；再次拔掉发电机转子回路的碳刷，用500 V兆欧表测量转子对地绝缘电阻为156 MΩ。在将发电机重新启动转速增至3 000 r/min时，转子接地情况又出现，盘车状态转子对地绝缘又恢复正常，显示出典型的转子动态接地现象。

3 故障检查情况及检修异常情况

3.1 发电机转子抽出后现场检查情况

3.1.1 转子检查

(1) 转子外观整体比较干净，表面无异物、无油迹、无粉尘积聚。

(2) 目测检查转子护环内无异物、无过热变色，导线及绝缘件等无位移等异常。用内窥镜对转子护环内部进行检查，未发现异物或异常情况。

(3) 检查引线小钉及集电环下绝缘筒，发现无异常。

(4) 检查转子本体表面、大齿表面、槽楔表面均正常。

(5) 逐一检查转子各通风孔，发现3处通风孔内表面绕组存在黑色痕迹，且不易擦拭去除。黑色痕迹呈圆形，范围较通风孔略小，分别在内环极4号线圈靠汽侧5个孔、6号线圈靠励侧3个孔、7号线圈靠汽侧4个孔附近。

(6) 抽出发电机转子后，按电气试验方案进行转子绕组的直阻、绝缘和交流阻抗试验，均无异常。3.1.2 定子检查

(1) 检查大端盖至内护板之间腔体及氢冷器散热片，干净整齐、无异物。

(2) 检查端部绕组表面及固定件，干净整齐、无异物。

(3) 检查定子膛内铁芯及槽楔表面，干净整齐，通风孔内无异物。

(4) 检查膛内汽励两端端部壳体底部及顶部固定筋等位置，发现有少量细小的油漆漆皮、绝缘纤维及1个呈螺旋状的机械加工的小铁屑。

(5) 拆开发电机底部人孔门检查发电机底部，发现有少量槽楔边角碎末及油漆漆皮。

(6) 吊出发电机4组氢冷器，检查确认氢冷器进风面散热片表面干净、无杂物、无灰尘，进风侧风道底部有少量楔边角碎末及油漆漆皮。

3.1.3 发电机外部励磁回路检查

检查发电机励磁系统调节器和一、二次回路，均未发现异常。

3.2 转子返厂解体检查情况

转子返运至哈尔滨电机有限公司后，在静态情况下对该转子进行绝缘电阻试验，其绝缘电阻测量值为3.87 GΩ。

(1) 退出槽楔，将转子线圈全部吊出，取出槽衬及副槽盖板，拆出导电杆、引线装配螺钉(大钉)、集电环导电螺钉(小钉)，检查确认无松动、过热异常现象；重点对槽内、槽口位置进行仔细检查，未发现槽绝缘破裂或金属颗粒等异物。

(2) 抬出线圈检查，发现线圈与槽衬有摩擦的痕迹，槽底有黄粉。

(3) 在退槽楔的过程中，少部分槽楔是通过反复敲打才取出的。取出槽楔后发现，在槽口处与槽楔接触部位出现一些银白色金属刮蹭物。该转子在2012年10月现场检修、装复转子槽楔时，也同样出现转子槽楔需要修磨、敲打才能装配的情况。

3.3 转子检修异常情况

从2012-07-13开始，2号发电机就出现过转子接地故障跳闸、转子绕组对地绝缘动态为0的情况。10月8日转入抢修，检修中对全部转子线圈进行了全面清理，发现了2个异常现象：

(1) 在热套汽励二端护环时，在温度的作用下浸渍在绝缘瓦内的绝缘胶漆被熔化、流出；

(2) 在对转子进行交流耐压试验，当电压升至1 800 V时，绝缘被击穿。经重新拔出励端护环检查，发现外环极1号线圈左侧(从励端向汽端看)槽口的第1块槽楔有放电现象，在2块楔下2条垫条接缝之间发现有黑色物质和焦煳味，阻尼条有很长的黑色胶体痕迹，经清理后绝缘恢复正常。

4 影响转子对地绝缘因素的分析

4.1 发电机腔内异物

390H型燃气轮机发电机转子通风冷却采用的是直接氢冷转子槽底副槽通风道冷却系统。发电机定子膛内冷却气流的主要流向是：转子风扇加压→转子端部线圈与转轴之间的空隙→转子槽底副槽通风道→转子线圈通风孔→定子铁芯通风孔(定子线圈)→定子铁芯与外壳之间的空腔→氢冷器进风口→氢冷器出风口→发电机端部空腔→转子风扇加压，具体风路如图1所示。

图1 燃气轮发电机内部冷却风路示意

发电机腔内冷却风需通过氢冷器进行冷却，但氢冷器的散热片相当密集，风在整个氢冷器内的通路曲折，任何异物要通过氢冷器散热片都是非常困难的。这从氢冷器进风口底部有少量异物，但其出风口十分干净，就可以说明。根据冷却风在发电机内部的流向可知，由于氢冷器散热片的过滤作用，在转子线圈通风孔以后，即定子铁芯通风孔(定子线圈)、定子铁芯与外壳之间的空腔、氢冷器进风口前通道内的异物都无法进入转子线圈内，所以这些部位内的异物不会引起转子线圈对地短路。

4.2 发电机转子槽底黄粉

该电厂2台机组几乎每日启停1次。启动时，发电机从零转速上升到额定转速(3 000 r/min)。由于离心力的作用，线圈将向外产生弹性变形，线圈将与槽两侧的槽衬相互磨擦，造成槽衬磨损而产生黄粉。停机时，发电机从额定转速3 000 r/min降至零转速，由于弹力的作用而使线圈恢复到初始状态的过程中也与槽两侧的槽衬相互磨擦，造成槽衬磨损而产生黄粉。另外，发电机在启停过程中，由于温度的变化，转子线圈在槽内由于热胀冷缩造成线圈与楔下垫块相互磨擦，楔下垫块被磨损而产生黄粉。由于槽衬和楔下垫块材料是环氧酚醛层压玻璃布板，其磨出粉末的主要成分是环氧树脂，并有极少量的铜末及铁末，总体来讲是绝缘材料，一般情况下不会对转子的对地绝缘产生影响，即不会引起转子对地短路。

4.3 金属刮蹭物

转子槽楔的材质为铝，在与铁质毛刺刮蹭过程中，会被刮蹭出铝质碎渣。这些碎渣会粘附在铁质金属上，而不会掉入转子内部，即使刮蹭出少量铝质粉屑，由于量微，这些铝质碎渣尚构不成转子线圈对地的通路。同时由于槽楔位于转子槽的最外部，在转子高速旋转时这些铝质碎渣会被甩离转子而最终进入定子外腔，且由于氢冷器散热片的过滤作用难以再进入转子内部。即使是有少量的铝质碎渣进入转子，要么使转子对地产生稳定的接地现象；要么在发电机冷却风力、振动的作用下，可能会引发不稳定接地现象，但不会产生与转子转速相关的不稳定的动态接地现象。

4.4 汽励两端部内的杂物

发电机转子内部只有进入了导体异物才可能引起接地故障。根据对发电机内部冷却风的分析可知，存留在发电机膛内汽励两端部空腔内的任何异物，在受到冷却风力和发电机运行振动的长期影响(铁磁物质还受到发电机端部漏磁的影响)下，很可能进入转子内部而造成转子接地短路故障。导体异物还可能进入转子的端部及转子槽部。

4.4.1 槽口处的异物影响分析

发电机转子端部槽口对地绝缘状况如图2所示。发电机转子端部拆除槽口块及极心垫块后槽口对地绝缘状况如图3所示。

图2 槽口对地绝缘状况

图3 拆除槽口块及极心垫块后槽口对地绝缘状况

在槽衬、槽下垫条、槽口块及极心垫块完好的情况下，由于槽口块及极心垫块的存在，槽口部位线圈对地短路是不可能的。但若槽衬及槽下垫条出现问题(如粘结不牢固等)，在运行中作轴向移动，就会在极心垫块(或槽口块)与线圈之间出现缝隙，当槽衬及槽下垫条作轴向运动而退至与转子铁芯平齐之后，在导体异物进入这个缝隙而抵达槽口后，即会造成转子线圈对地短路。

在发电机转子返厂拔出护环后，并未发现槽衬及槽下垫条有位移现象，因此排除由此造成的发电机转子对地故障。

4.4.2 护环底部的异物影响分析

发电机转子端部护环底部的线圈若要对转轴形成短路，由于其间距离为5 cm左右，因此需要有一个长度大于5 cm的导体存在于护环底部空腔内才有可能；但在转子抽出后及线圈抬出后的检查中并未发现转子内部存在此类导体异物。一般异物进入转子端部护环底部之后，由于受风力的作用，必将被风吹入转子槽部，即此种接地为不稳定接地，这与此台发电机接地故障时的现象不符。

4.4.3 通风口的异物影响分析

发电机在正常运行中转子槽部通风口存在的异物通常受3种力的作用：第1种是径向离心力，它随着转子转速的降低而减小；第2种是径向向外的冷却风的吹力，它随着转子转速的降低而减小；第3种是对铁磁导体异物的磁力，它使铁磁导体异物附着在转子通风口处，并随励磁电流的减小而减小。发电机在正常运行过程中，转子槽口的非铁磁导体异物受到第1，2种力的作用，如果不被卡住将不可能永久停留在转子槽口处，即此时异物造成转子对地短路是瞬时的。若是铁磁导体异物会受到上述3种力的共同作用，当磁力的作用较大时，会使铁磁导体异物附着在转子通风口处造成转子接地；但在发电机跳机解列后，由于磁力消失，铁磁导体异物也将被甩出，转子对地绝缘将恢复，这与此台发电机接地故障时的现象不符。如果导体异物在转子槽口处被卡住，那么在转子抽出后的检查过程中将被找到，这与检查结果不符。

4.5 绝缘胶漆熔化、流出后的影响分析

在拔/套转子护环时，浸渍在绝缘瓦内的胶漆会受到护环余热的作用而熔化成液体。如果这些胶漆粘有灰尘或金属颗粒流到了转子线圈槽内侧2个槽衬之间的缝隙中，并随着温度的降低而凝固时，则会在2条槽衬之间的缝隙中形成绝缘的薄弱环节，对转子线圈的对地绝缘产生影响。其影响的程度取决于粘有灰尘或金属颗粒的胶漆在接口处聚积的多少：如果聚积得足够多，在对转子进行绝缘电阻测试或耐压测试时即可被发现；如果聚积得不多，则不容易被检测发现。在运行中，发电机转子线圈由于受到机组不断启停、温度不断升降的影响而在槽内不断伸缩，与槽衬发生磨擦，使槽衬不断变薄，在接口处线圈对地绝缘距离不断减小，最终被击穿。但这种状况下转子对地绝缘的情况与发电机转子的转速无关，即不会产生与转速相关的动态接地现象。

当粘有灰尘或金属颗粒的胶漆流到了转子线圈楔下2个垫条之间接口缝隙处，并随着温度的降低而凝固，在2条楔下垫条之间的缝隙中形成了绝缘的薄弱环节时，同样会对转子线圈对地绝缘产生影响。其影响的程度同样取决于粘有灰尘或金属颗粒的胶漆在接口处聚积的多少：当聚积得足够多时，在对转子进行绝缘电阻测试或耐压时即可被发现，如2012年10月转子线圈检修后在试验中被击穿的情况；如果聚积得不多，则不容易被检测发现。使楔下垫条接口缝隙处对地绝缘距离减小的因素有2个：

(1) 运行温度的变化，使得线圈与垫条产生磨擦而使垫条变薄；

(2) 一方面，楔下垫条受到高速旋转下的离心力作用，同时又受到槽楔的限制而被挤压变薄；另一方面，楔下垫条受到线圈在高速旋转下离心力的挤压作用而变薄。当运行中发电机转子在高速旋转时，由于垫条受到磨擦、挤压而变薄到一定程度时，转子线圈即会对地产生短路；而当发电机停机后，楔下垫条受离心力的挤压作用消失，在垫条弹力的作用下，垫条接口处缝隙的对地绝缘距离变长，线圈对地绝缘又恢复到一定的水平。此过程与该电厂2号发电机在运行中转子对地故障现象十分相似。

5 最终原因分析

5.1 发电机转子接地故障的原因

由于转子接地呈现出典型的动态接地特点，给故障查找、确定故障点带来很大困难。但综合上述对该电厂2号发电机转子接地后的各项检查情况及可能导致转子接地的各种因素的分析结果，认为该燃气电厂2号发电机在2013-02-19发生的转子接地故障部位极有可能是转子2根楔下垫条接缝处。

5.2 防范措施

根据上述分析，为了避免发电机转子接地故障的再次发生，首先应考虑改善转子护环绝缘瓦材料，即不能使用熔点低于套装护环温度的胶漆浸渍绝缘瓦；同时改善转子线圈装配环境、严格控制装配工艺，做到以下几点：

(1) 装配环境严格封闭，地面清洁，周围堆放的物件不留有粉尘；

(2) 线圈拆除后，对转子各部位进行彻底清洁，下线前对周围环境再次清理；

(3) 在物品搬入封闭区域前，彻底清洁；

(4) 封闭区域应设置预进间，在此预进间内，工作人员换上干净、不会掉毛的连体服，穿戴专用工作鞋、工作帽及工作手套；

(5) 转子线圈、绝缘件在装复前仔细清洁，并且清洁1件装复1件；

(6) 在对发电机转子抬线圈的检修中，增加对转子槽楔进行修正的工序。由于转子槽楔质软，在运行离心力的长期作用下，难免会产生变形，因此，在转子下线前，增加对转子槽楔进行修正的工序，而不是在下线完成后，在打槽楔受到阻力时再退出、修整。只有这样，才能避免转子铝质槽楔被刮蹭，防止蹭出的铝质影响发电机绝缘的现象发生。

在发电机检修工作中，只有严格执行上述工艺措施，加上其他已有的严格工艺控制，才能防止浸渍在绝缘瓦中的胶漆熔化以及流动过程中沾带灰尘或金属颗粒形成绝缘薄弱环节，防止同类发电机转子接地故障的发生。

2014-10-19；

2014-12-05。

付海金(1961-)，男，高级工程师，主要从事燃煤、燃气轮机电厂电气设备检修的技术管理工作，email：jxgldqzygcs@gdpgc. com.cn。