大型水轮发电机接地故障分析与现场查找探索

张 强,邹 科

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

大型水轮发电机接地故障分析与现场查找探索

张 强,邹 科

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

大型水轮发电机在开机运行中报转子接地,停机故障消失,故障点查找困难,采用交流阻抗法排查转子接地故障准确性更高。定子接地故障通常采用大电流燃烧方式查找,这样有可能会给发电机铁心造成新的损坏,为此探索了一种现场故障查找技术,通过自制CT工具测量定子线棒电流来确定接地故障点具体位置,这样可在保证发电机安全的情况下,快速、科学地查找出接地故障点。

水轮发电机；定子接地；转子接地；故障分析；现场故障查寻；龙滩水力发电厂

0 引 言

发电机定子接地故障和发电机转子接地故障是发电机最典型的两个故障。在生产现场能够安全、快速、正确查找到故障点,是成功处理故障最关键的一个环节。大型水轮发电机由于其体积庞大、结构复杂,发电机定子接地故障和发电机转子接地故障的现场查找较其他发电机的困难要大很多,采用类似于体积较小的火电机组发电机用眼睛看、鼻子闻的直观检查方式,查找到故障点非常困难。

1 转子接地故障的分析与查找

查找普通转子接地故障较为简单。发电机转子接地,在机组停机后接地故障依然存在,用1 000 V摇表加压,配合观察放电,可以较容易地找到接地点；也可以测量转子滑环处对地阻抗并结合每个磁极阻抗,比较容易查找出接地点故障点。

大型水轮发电机在开机运行中报转子接地,停机后故障即消失。这种情况,在现场查找故障点较为困难。在机组停机后所有数据正常,故障现象消失,只有通过人工现场观察发电机转子本体来发现故障点。龙滩水电站水轮发电机转子体积庞大(直径14 932 mm,高2 900 mm)、结构复杂、磁极对数多(28对),现场目视查找较为困难。如果没有理论指导和数据支撑,很难快速、准确地找到故障。

龙滩水电站发电初期1号机、2号机反复出现转子接地,时有时无、时好时坏,用了近两个月时间多次查找才将故障查出。 机组制造厂家的发电机保护的转子接地保护也有接地故障测距功能,原理为注入方波信号检测,但1号机、2号机的接地点测距显示各次变化很大,误差大,数据基本不能使用,对故障点查找指导性不强。故,找到通过理论分析并结合现场实际的好方法,对故障查找具有现实意义。

1.1 交流阻抗法分析

采用直流电阻测量方法在实际工作中更为方便,但本次故障排查采用交流阻抗法,其原因是采用交流阻抗法受励磁引线、碳刷的影响较小。表1是某777.8 MV·A、56个磁极的水轮发电机转子的主要测量数据。由表1可看出,各种工况下采用直流电阻法所测得的总电阻值很小,均为毫欧数量级,且励磁引线、碳刷的电阻占比较大,影响故障点的准确定位；同时也可看出若采用交流阻抗法,励磁引线、碳刷的影响将减小很多,基本为0,总阻抗增大到90 Ω,总阻抗基本由56个磁极的阻抗组成,分辨率更高,准确性更高,可以准确定位故障磁极的位置。

表1 某777.8 MV·A、56个磁极的水轮发电机转子的主要测量数据

1.2 测量分析

对于发电机转子在开机转动中接地,停机故障消失的故障,开机过程中在碳刷处测得3个数据R、Ra、Rb。其中,R为转子交流阻抗；Ra为开机测量的转子正极对地阻抗；Rb为开机测量的转子负极对地阻抗,见图1。

图1 发电机转子接地各部电阻分析

图1中,R1为转子接地处到转子滑环正极阻抗；R2为转子接地处到转子滑环负极阻抗；R0为转子接地电阻。其中,R=R1+R2；Ra=R1+R0；Rb=R2+R0。若测得R、Ra、Rb,则可计算出R0、R1、R2,即R0=(Ra+Rb-R)/2；R1=Ra-R0；R2=Rb-R0。

由表1可知,励磁引线、碳刷交流阻抗基本为0,则R1值即是正极方向的磁极阻抗的和,R2值即是负极方向的磁极阻抗的和,总阻抗除以磁极数得到每个磁极阻抗。本文中每个磁极交流阻抗为1.6 Ω 左右,对照R1、R2值,容得查到找故障点在哪个磁极。若R1=0,R2=R,则接地点在励磁引线正极部分；若R2=0,R1=R,则接地点在励磁引线负极部分。

1.3 注意的问题

本测试需要注意的、也是容易被忽略的是必须通过隔离变压器或开关电源获得测试电源；否则400 V 系统的中性点“地”将和故障接地点形成回路,严重影响测量值,计算结果将出现比较大的误差。

应特别注意的是,R0实际为一个过渡电阻,这个电阻值不是定值。为了减少测量误差,接线必须通过双掷刀闸进行正对地、负对地测量的倒换,倒换要尽量快,以减少接地点电阻随时间产生的电阻值变化在正对地、负对地测量时出现电阻不一致现象。测量过程也可以通过多测量几组数据取均值的方法减少误差。

2 发电机定子接地分析与查找

发电机定子接地故障的查找,传统方式一般是通入5 A左右电流让线棒产生比发电机运行期间接地更强的燃烧,通过观察电弧、烟雾,以判断接地点；但有时也可能会发生在查找定子接地故障时,定子铁心铁心被烧损,对发电机造成不必要的二次伤害。定子铁心的修复、铁心绝缘处理会造成拖延工期和相关的经济损失巨大。

大型水轮发电机由于体积庞大、铁心结构复杂,定子绕组接线复杂,发电机定子接地故障点安全、精确的查找非常困难。《发电机变压器继电保护应用》[1]等资料显示,1 A电流为大型发电机定子接地的安全电流,当发电机接地电流达到1 A时,0 s立即跳闸,定子接地电流超过1 A后可能威胁到发电机铁心的安全。

龙滩水电厂在查找5号发电机定子接地故障时,将转子的上、下旋转挡风板全部拆除,在转子上、定子下布满工作人员,观察定子接地点的烟雾、电弧等异常现象,仔细检查定子端部、定子槽口部位,未发现故障点。所以,大型水轮发电机查找电流小于1 A时,采用观察发电机电弧、烟雾来查找故障点基本是不可行的。只有通过新的方法,在充分保证发电机安全的前提下(查找电流必须小于1 A)来查找故障点。

2.1 总体分析

如图2所示,断开发电机出口A、B、C三相出口软连接、拉开中性点刀闸,将与发电机连接的励磁变压器、发电机机端电压互感器、封闭母线、接地变压器隔离。检查发电机机端电压互感器、励磁变压器、封闭母线绝缘正常,再次测量发电机的绝缘,显示绝缘电阻仍为0,则排除了电压互感器、励磁变压器、封闭母线、接地变压器引起故障的可能。从而可以判断故障点在发电机本体上。先将发电机A相中性点2个软连接断引,用2 500 V兆欧表测得发电机A相绝缘电阻为0、发电机B、C相绝缘电阻为320 MΩ；则,可以确定故障点在A相定子。

图2 龙滩700 MW发电机定子接线示意

2.2 确定接地故障分支

断开A相前后端3个软连接,将A相隔离(见图3)。从A相发电机定子出口端施加电压,中性点端悬空。回路串入1个300 Ω的滑线变阻器限流,再串入电压、电流表观察回路电压、电流,测量1～8分支的中性点端电流。

图3 发电机接地相各分支电流关系示意

从图3可以看出,I0=I31+I32；I32=I1+I5+I7；则I1=I5=I7。2、4、6、8分支无电流回路构成,各分支电流为0。即,在偶数分支与奇数分支中,哪个分支的中性点端电流为其他分支的和,则该分支接地。

实际测量中,将4个分瓣的电流互感器分别装在第1分支的1、3、5、7支路上,在A相定子出口(首端)施加100 V左右的电压,将总支路电流控制在0.5 A左右,测得第1支路电流为1.4×70 mA,第3支路电流为4.1×70 mA,第5支路电流为1.3×70 mA,第7支路电流为1.3×70 mA。很明显,第3支路的电流约为第1、5、7支路的电流之和,可以肯定故障点就在第3支路内。

2.3 自制工具

如何测量定子线棒电流是一个大问题,由于发电机线棒尺寸大,测量空间狭窄,现有的仪器均无法测量发电机线棒电流。龙滩电厂在查找中,利用废旧定子铁心矽钢片,自制了一个开口CT。根据定子线棒现场安装位置尺寸剪裁矽钢片,各片应平整、无毛刺,左右各一瓣,叠层26层,用塑料扎带将自制铁心绑扎紧固成型,尽量减少铁心漏磁,用普通2.5 mm2导线绕二次线圈16匝,将二次线圈短接。配合保护专业用的毫安钳形表,在一次侧通入0.3 A电流时,二次侧可测量到10 mA左右电流,可满足定性分析。通过自制“CT”测量线棒电流如图4所示。

图4 自制“CT”在定子线棒上的测量

2.4 接地故障线棒的最后确定

本例发电机定子绕组共624槽,每槽分布上层和下层共两根线棒,总共1 248根线棒。定子绕组分A、B、C三相,每相为8个分支,则每个分支为(1 248/3)/8=52根线棒。以图5的10根线棒为例进行分析,1号线棒上端接试验电源,10号线棒上端悬空。接地分为上端部接地a,下端部接地b, 线棒接地c三种情况。

图5 发电机接地分支各线棒电流分析示意

在一次侧通入0.3 A电流,如果c点接地,则1号～7号线棒的上下部位有10 mA左右电流,8号线棒的下部有10 mA左右电流,8号线棒上部无电流,9号、10号线棒无电流；如果a点接地,则1号～8号线棒的上下部位有10 mA左右电流,9号、10号线棒无电流,即8号、9号线棒的连接的上端部处接地；如果b点接地,则1号～7号线棒的上下部位有10 mA 左右电流,8号、9号、10号线棒上下部位无电流,即7号、8号线棒的连接的下端部处接地。实际操作采用8421法,首先1/2处(5号线棒)下部测量是否有电流,如无,则接地点在1号～5号线棒内,如有,则接地点在6号～10号线棒间,再在有电流段1/2处测量,以此类推最后确认接地故障点。

本例在348号槽上层线棒下部测得电流为8.7 mA,而上部流出电流为0,348号槽上层线棒上部后的线棒至中性点(尾端)的所有线棒电流均为0,348

号槽上层线棒下部以前至出口(首端)的所有线棒电流均为8.7～10 mA左右,经过反复的核实,最后确定故障点就在A相第3支路的348号槽的上层线棒。

拔出348号槽正对的44号和45号磁极,对槽内进行详细的检查,发现在348号槽的中部,上层线棒与侧边铁心之间有明显的放电烧黑痕迹,故障点在线棒从下到上的约2/3处、距槽口2.5 cm处(面对定子左侧),故障点绝缘已经烧穿约0.5 cm直至线棒导体。

3 结 语

通过对龙滩水电厂水轮发电机定子接地、转子接地故障的查找实践和工作中的思考,认为类似故障查的找工作一定要突破传统,采用新思路,创造条件,理论指导实际,在绝对保证发电机的安全情况下,探索出适合大型水轮发电机典型故障的安全、科学的查找处理办法。

[1]王维俭. 发电机变压器继电保护应用[M]. 2版, 北京： 中国电力出版社, 2005．

[2]季一峰. 水电站电气部分[M]. 2版, 北京： 中国水利水电出版社, 1987．

[3]王士政, 冯金光. 发电厂电气部分[M]. 3版, 北京： 中国水利水电出版社, 2013．

(责任编辑 王 琪)

VF新型膨胀剂首次应用于300 m高水头堵头补偿收缩混凝土

由中国水利水电第十二工程局有限公司开发的VF膨胀剂在高水头堵头补偿收缩混凝土施工支洞中的应用通过了中国南方电网海南蓄能发电有限公司组织的专家评审。专家对高水头VF膨胀剂及补偿收缩混凝土研究的试验成果表示认同，一致同意应用于海蓄堵头补偿收缩混凝土中。

根据琼中抽水蓄能电站2号施工支洞堵头段埋深约50 m，3号支洞堵头埋深约210 m，4号施工支洞堵头段埋深约455 m高水头堵头的要求，按照常规方法施工，一期混凝土和围岩之间、一期混凝土和二期混凝土之间容易产生接缝漏水现象，因此需增加接缝灌浆工艺，至少延长施工工期60天，影响工程蓄水发电的关键结点工期。因此，采取行之有效的措施取消接缝灌浆工艺，确保蓄水发电工期的顺利实现，并且达到消除由于堵头混凝土体积收缩产生的一期混凝土和围岩之间、一期混凝土和二期混凝土之间接触缝隙漏水问题，提高堵头的防渗、抗渗能力显得十分重要。水电十二局在VF防裂剂的基础上经过半年多的试验研究开发的新型VF膨胀剂，各项技术指标满足强约束条件下混凝土力学性能和防渗、抗渗等性能要求。

水电十二局开发的VF防裂剂已成功应用于全国40多座大、中型堆石坝混凝土面板，均取得了良好效果，特别是在国家重点工程珊溪水库堆石坝面板混凝土中应用补偿收缩防裂技术效果显著。该项研究早在2000年就通过了浙江省科委组织的专家鉴定。该项技术达到国际先进水平，并多次获奖。利用补偿收缩混凝土技术不仅解决了混凝土面板裂缝的产生，还在洞室混凝土封堵的渗漏问题方面做了大量有效的试验研究和探索工作，并成功地将研究成果应用到河南盘石头水库、浙江滩坑水电站等工程的导流洞混凝土封堵上，取得了良好的防渗堵漏效果。该项成果也为堵头补偿收缩混凝土在南方电网梅州、阳江抽水蓄能电站建设中的推广应用奠定了良好基础。

(王云志)

Grounding Fault Analysis and Field Search of Large Hydro-generator

ZHANG Qiang, ZOU Ke

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

The rotor grounding fault of large hydro-generator is alarmed in operation, but the alarm is disappeared after shutdown. The fault point of rotor grounding is difficult to find. The actual experience finds that the utilization of AC impedance method to detect rotor grounding fault is more accurate. The stator grounding fault is usually found by using large current burning method, but it may cause new damage to generator core. So a field fault search technology is explored to find the point of stator grounding fault through using self-made CT tool to measure stator bar current. This method can quickly and scientifically find the fault point of stator grounding in the case of ensuring the safety of generator．

hydro-generator; stator grounding; rotor grounding; fault analysis; field fault search; Longtan Hydropower Plant

2017- 02- 16

张强(1968—),男,湖南永州人,高级工程师,长期从事水电站施工与运行管理工作．

TM312(267)

B

0559- 9342(2017)04- 0019- 04