八钢热电3#发电机转子接地故障分析及处理

王海涛

（新疆八一钢铁有限公司能源中心）

1 前言

为充分利用八钢富余煤气，降低煤气放散，实现清洁生产，2013年3月八钢热力分厂扩建一台25MW次高温次高压3#发电机组，机组通过富余煤气产生的蒸汽进行发电和冬季供暖，冬季利用蒸汽压差发电，为八钢老区供应低压蒸汽。3#发电机组自2013年11月安装完成并网后，每年冬季并网运行正常。2018年11月17日3#发电机并网发电后，正常运行至12月17日转子接地保护动作出口跳闸。笔者针对此次事故现象的检查、处理经过进行了分析，通过对故障的处理积累了经验，为同类故障的判断提供参考。

2 3#发电机转子接地对发电机运行的影响

3#发电机与励磁机的参数如表1。

表1 八钢热电3#发电机与励磁机设备参数

发电机在运行过程中，由于转子的转速高、离心力大、转子积灰、内部受潮、绝缘材料老化及振动等原因，易造成转子对地绝缘降低引发接地故障。转子励磁绕组与转子铁芯接触，造成转子一点接地故障，发电机转子一点接地是比较常见的故障，由于无电流通路，对发电机无直接危害，因此发电机可继续运行，待机组停机维修时进行处理。

转子发生一点接地后，如励磁绕组其他点绝缘降低时，可能发生转子回路的第二点接地。励磁回路两点接地后构成短路电流通路，可能烧坏转子绕组和铁芯。由于部分励磁绕组被短接，破坏了磁场的对称性，会引起机组振动加剧，此外转子两点接地使汽轮发电机组的轴系统和汽缸磁化。

因此，当发电机组转子一点接地以后，发电机保护装置会自动投入转子二点接地保护，如再出现转子其他点绝缘降低造成励磁绕组接地时，保护装置会判定转子发生了两点接地故障，发出跳闸命令解列发电机。

3 发电机转子接地故障判别、查找与处理

3.1 3#发电机转子接地故障简述

2018年12月17日17:02:17热电厂3#发电机保护装置发出转子一点接地低定值报警信号，电阻值7.3kΩ；转子一点接地保护定值段整定20kΩ，动作于信号。紧接着17:02:28背压发电机跳机，保护报文为：转子二点接地，跳机值Δα=50%；Δα为励磁绕组接地位置变化量，接地位置变化量定值为3%。技术人员用1000V摇表对发电机转子回路进行绝缘测量，发电机转子励磁回路绝缘电阻为600 MΩ，从绝缘电阻判断发电机转子绝缘电阻正常。初步检查提示此次故障存在以下疑点：发电机转子接地保护动作是否正确；发电机转子绝缘是否发生破坏。

3.2 转子接地故障判定

3.2.1 发电机转子接地保护工作原理

3#发电机转子一、二点接地保护(64R1、64R2)采用DEP-561N保护装置，接地保护采用乒乓（切换）采样原理。乒乓式转子接地保护装置内部设置电子开关S1、S2，在时序电路控制下周期性地导通、截止，即转子的正、负极人为地周期性接地来监测转子的对地绝缘状况。转子接地保护测量回路原理如图1所示。

图1 转子接地测量电路原理示意图

图1中E为发电机励磁电压，当转子绕组没有接地故障时，图1中的Rf不存在，电阻R1上电压为零，装置检测显示转子回路绝缘良好。当励磁绕组经电阻Rf发生一点接地时，正实数α为励磁绕组接地点的位置（0≤α≤1），励磁电势等效为αE和(1+α)E；电阻R为高阻，R1为低阻，装置在乒乓切换过程中取样电阻R1上电压分别为U1和U1＇，通过网孔方程计算Rf与α的值，确定接地过渡电阻的大小和故障位置。当Rf值小于设定值Rfset时，保护装置判定发生了一点接地故障。若此后再发生两点接地故障，则计算的α值发生变化。当变化值Δα值超过设定值Δαset时，保护装置判定发生了两点接地故障，发电机被立即跳闸。

3.2.2 转子接地故障判定

3#发电机及保护装置在11月17日并网开机前进行了全面检查与测试，转子励磁回路绝缘正常，保护传动试验正常，保护装置动作正确。跳闸前3#发电机所带功率约为15MW，发电负荷平稳，发电机两侧轴承振动值在要求范围内，不存在因负荷波动、振动增大导致的转子励磁回路绝缘降低。12月17日3#发电机保护报转子一点接地报警信号后，经过11分钟后发电机跳机，保护报转子二点接地；通过上述过程发现转子绝缘电阻下降过程迅速，由一点接地后迅速发展为两点接地，排除转子励磁回路由于绝缘缓慢劣化导致的接地故障。发电机跳闸后，技术人员检查发电机保护装置内部元器件，未发现异常；对励磁系统与转子连接的主回路绝缘电阻进行检查，励磁正、负极外观正常，调节器及灭磁电阻绝缘正常；对与转子回路有电气联系的电压、电流采样板件进行检查，未发现异常；对转子磁极引线、励磁系统直流汇流母排侧外观检查均正常。通过上述检查与分析，排除3#发电机保护装置误动的可能，同时排除转子励磁回路外部故障导致的绝缘突然降低，初步判定励磁回路转子旋转部分存在接地故障。

3.3 转子接地故障的查找

3.3.1 无刷交流励磁机工作原理

3#发电机配套的无刷交流励磁机由一台主励磁机和一台副励磁机组成，主励磁机采用一台三相交流无刷励磁机，副励磁机采用一台单相永磁发电机，转子通过法兰与同步发电机联接在一起。其系统原理见示意图2。

图2 无刷交流励磁机系统原理图

主励磁机是一台三相同步发电机，其磁场静止、电枢旋转，电枢输出的三相交流电经同轴旋转的三相旋转整流装置整流为直流，通入发电机磁场绕组，供给发电机励磁，因它取消了电刷和滑环所以称为无刷励磁机；励磁机电枢转轴为空心，电枢绕组输出的三相交流电，经过整流装置整流后变为直流电，通过位于转轴中心孔内的发电机导电杆接到同步发电机磁场绕组。

3.3.2 励磁绕组接地故障的查找

通过对发电机转子接地保护工作原理与无刷交流励磁机工作原理分析，排除转子励磁回路外部故障的因素后，故障点初步判定在三相旋转整流装置、发电机磁场绕组、发电机导杆三个部分。

为最终确定故障部位，对发电机进行冲转，通过提升转子转速来确定接地点。在测试过程中发现，当发电机转速0～1600 r/min时，转子对地电阻为600 MΩ，且较为稳定；继续提升转速到2500r/min时，转子对地电阻降为450 MΩ，但此值满足转子运行要求；为了找到确切的故障点于是继续提升转速至3000r/min，转子对地电阻降为0 MΩ。

由此进一步判定转子励磁绕组旋转部分器件存在松动情况，在较低的转速、离心力较低时还能维持绝缘正常，但随着转速增加到额定时，在巨大的离心力作用下松动部件多处接地。随后将发电机无刷交流励磁机与转子绕组接点断开做进一步的检查，确定故障点在无刷交流励磁机侧。

3.4 励磁绕组接地故障的处理

通过对3#发电机励磁机解体检查发现主励磁机三相旋转整流环上整流二极管引线绝缘老化龟裂，部分绝缘皮及固定线路的环氧树脂有脱落剥离，当励磁机转子高转速时旋转式，由于较大的离心力导致剥落的环氧树脂及引线与整流环本体接触导致转子接地。

随后技术人员对励磁机励磁盘上龟裂、破损的连接引线做绝缘包扎处理，并对引线刷涂绝缘漆、环氧树脂固定，经过48小时固化后回装励磁机，转子静止时绝缘电阻无穷，转速升至3000r/min时绝缘电阻达到400 MΩ，接地故障已排除，于是将发电机并网运行。

4 结束语

由于此次3#发电机转子接地故障点隐蔽，在停机时较难通过绝缘测试发现，查找故障困难。通过此次故障的查找，暴露出了发电机组日常运行维护管理方面存在的不足，现场设备的运行维护的方式方法有待改进。为保证今后同类机组的安全稳定运行，采取了以下防范措施：对同类发电机组励磁机点检标准进行修订，增加对旋转整流回路引线松动情况的解体点检标准；增加在遥测励磁机转子绝缘时，使用压缩空气对引线进行吹扫，来模拟高转速时的离心力，增加诊断发现此类故障的手段。

分析设备的故障记录数据，掌握设备运行工作原理是判断故障的重要依据。当故障查找的常规技术手段无效时，故障模拟重现是非常重要的查找途径，同时应拓宽思路，采取多种方法查找故障。