6FA 发电机一次转子接地保护动作的处理

2018-02-05俞立凡程途

综合智慧能源 2018年1期

俞立凡，程途

(1.杭州华电下沙热电有限公司，杭州 310018；2.江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州 213011)

0 引言

发电机的无刷励磁系统具有可靠性高、无故障、维护费用低等优良性能，但当发生转子接地保护动作时，故障点的查找有很大难度。因此，分析已经出现过的故障，了解进口机组故障处理的过程，是大家共同关注的焦点。下面介绍一起6FA发电机旋转励磁二极管模块故障造成转子接地保护动作停机的案例，供参考。

1 6FA发电机概述

6FA燃气-蒸汽联合循环机组所配置的发电机型号为PG6111FA，是GE公司生产的闭式空冷、双极、交流发电机组，定子Y形接法，采用无刷励磁方式。ISO标准工况(环境温度15 ℃，大气压力0.10 135 MPa，大气相对湿度60%)下，额定参数为：三相，频率为50 Hz，电压为11.5 kV，转速为3 000 r/min，输出功率为73.1 MW，功率因数为0.85。发电机的定、转子靠空气自然冷却。发电机转子满载电压225 V，满载电流754 A。

由于6FA燃气-蒸汽联合循环机组在启动时，需要发电机当启动电动机使用，给整机启动提供初始动力，故配置了静态变频启动装置(SFC)，电源取自6 kV厂用电，经隔离变压器降压，交-直-交变频后输入发电机定子回路，并由EX2100静态励磁系统提供发电机励磁电流，在二者共同作用下使发电机运行在同步电动机方式下，将整机带至90%额定转速后，退出同步电动机方式转入发电机状态，满足同期条件后并网发电。以上过程由MARK VIe自动控制。

2 故障现象

2017年6月3日，某机组热态开机。06:00:00燃气轮机机组启动，06:21:32燃气轮机发电机并网成功并加负荷至20 MW运行，06:31:38燃气轮机发电机开关跳开，Mark VIe 界面报警信息为electric fault-normal shutdown。发电机解列后燃气轮机正常停机，Mark VIe Trip Diagram 1，2界面无跳机信号，且燃气轮机跳机累计次数没有增加。燃气轮机就地PECC间报警信号为mechanical protection 1A2A4A,1B2B4B，rotor earth fault alarm。

根据报警分析：初步判断为发电机电气故障(燃气轮机发电机转子回路对地绝缘下降导致“rotor earth fault alarm”报警，机组停机)所致。

检查电气各故障录波器波形，均无故障分量、突变分量。再对比历史曲线，也未发现异常，且前一天机组满负荷运行情况均正常。现场检查发电机、励磁机、保护柜、励磁柜等均未见异常。测试发电机转子回路绝缘为0.05 MΩ，用万用表测对地电阻为150 kΩ。说明保护装置动作正常，发电机转子回路确实存在接地情况。

注意：测试旋转励磁转子回路的绝缘电阻，一般应采用250 V及以下的摇表，若使用的兆欧表超过250 V，则二极管应被短接以避免测试过程中旋转整流二极管设备接地时可能出现的损坏。另外，针对PG6111FA发电机，在测试时需要将发电机转子监测保护装置的电源切断，否则可能损坏监测装置或测试数据不准确。另外，发电机转子线圈的电阻在25 ℃时为0.0 022×(1±5%)Ω，发电机定子线圈的电阻在25 ℃时为5.930 0×(1±8%)Ω。

3 分析处理

发电机旋转励磁原理如图1所示[1]，旋转励磁的转子回路(同轴旋转部分)主要包含以下几个部分:交流励磁机的转子线圈(提供励磁的主电源)、旋转整流器(将交流转换成直流，一般为三相桥式整流)、发电机转子回路绝缘监测保护装置(本机安装在旋转部分，通过电磁感应输出信号；也有通过电刷引出发电机转子电压，在外监测的)、发电机转子线圈。它们都是通过硬连接连接在一起的，拆卸很不方便。

图1 旋转励磁原理

为快速判断故障，先用简单方法，即采用内窥镜深入到发电机旋转励磁环(如图2所示)，检查旋转整流器模块是否有可见故障。因为之前有灰尘等造成短路、绝缘下降等案例可供参考[2]。

图2 旋转励磁环观测孔

检查没有发现问题，故进一步安排发电机励磁端解体检查。首先，将发电机转子线圈与旋转励磁的转子回路解开(即将发电机转子线圈正负引出端与旋转励磁的转子回路解开)，用250 V摇表直接测试发电机转子线圈对地绝缘电阻为150 MΩ，用万用表直接测试发电机转子线圈电阻为0 Ω，均正常。

然后，将励磁机的转子线圈与旋转励磁的转子回路解开，即逐一拆卸整流器模块并同步检测，当拆卸到正向#2整流器模块时，测试数据有变化：拆它前旋转励磁的转子回路对地绝缘接近零，拆它后绝缘恢复为10 MΩ，初步判定正向#2整流器模块存在异常，它是导致发电机转子接地的直接原因。

将所有整流器模块全部拆卸，测量励磁机的转子线圈绝缘为100 MΩ，电阻接近零，均正常。故除正向#2整流模块外，其他恢复接线，并做好设备保护工作。联系设备厂家购买正向#2整流模块备品；另外，联系国内整流器厂家，准备拆解分析整流器模块损坏原因及考虑如何修复。

根据设备厂家资料，此整流器模块与常规整流模块不同。常规整流桥为6个二极管组成三相桥式整流，每个二极管再串接一个快速熔断器保护。

本模块采用2只整流二极管串联冗余，代替常规的1个二极管模块(如图3所示)。每只二极管容量能满足发电机整个输出量，这提供了100%的二极管冗余度，使得励磁机在有一半二极管不运行的情形下便可传递发电机的整个输出。当然，这样的冗余是指发生1个模块中的1个二极管短路损坏时，机组可以继续运行；若损坏的二极管是开路时，则机组不能正常运行。另外，常规电感性负载的功率二极管两端需要接阻容吸收保护(电阻串联电容后并联在二极管两端)，作用是：二极管在关断瞬间，电感性负载产生的高压利用电容两端电压不能突变的特性，来保护二极管反向电压不超压；二极管在导通瞬间，电容会对二极管放电，利用电阻来限制放电电流，确保二极管瞬间不过流。但这里利用整流二极管特性和缓冲电路来抑制工作过程中出现的尖峰电压，即只装缓冲电容，未设限流电阻。原因是：整流型二极管的电极为面接触型，电流分散；若为晶闸管则必须设置限流电阻，它的电极为点接触型。

图3 整流器模块原理

随后，将#2正向整流器模块解体后检查发现：串接的一个二极管烧短路了(右侧)，另一个正常(左侧)；烧坏的二极管由于高温电弧作用，将二极管电极与散热器之间的绝缘损坏，导致发电机转子回路接地而使保护动作停机。损坏的二极管如图4所示。

在解体后发现，二极管损坏原因系模块制作工艺不良：二极管在模块固定压胶时，压紧力不足，胶水渗入二极管电极表面，造成二极管电极表面导流截面减少，运行中发热最终损坏。因为是一个二极管过热烧坏，并损坏了绝缘，造成励磁回路单点接地，停机；但串联冗余的另外一个二极管没有损坏，故没有短路电流[3]。这与此次故障瞬间各故障录波器电气波形无异常相吻合。于是，紧急采购备件后，回装发电机设备。

在完成所有发电机设备的电气连接、通风、检测回路的回装后，又在停机状态下分别用50，20，0 kΩ电阻模拟转子接地的3种情况，接地持续时间均大于3 min：50 kΩ无反应，其他2个均正常出口动作，即模拟检查接地监测装置正常。此发电机接地保护整定值为：绝缘小于40 kΩ时，时间180 s出口。

为保证可靠运行，将机组冷拖、全速空载，再次模拟机组运行时接地监测装置是否正常，结果3种情况均正常。随后机组并网，恢复正常运行。