某电站发电机转子引线烧损原因分析及处理

李晓飞，张 羽，李秀杰

(国电大渡河检修安装有限公司，四川 乐山 614900)

某电站4F机组发电机保护外部重动跳闸(灭磁跳闸联跳)动作，4F机组空转运行，甩有功504 MW、无功79 Mvar，AGC、AVC自动退出，机组最大转速158.13 r/min(126%Ne)，电网频率最低降至49.91 Hz。

故障前全站有功与无功功率实发情况见表1。

表1 故障前有功功率与无功功率数据表

11时46分04秒923毫秒，发电机保护告警动作，11时46分28秒811毫秒，发电机保护动作跳闸，期间间隔时间约24 s。

1 数据记录分析

1.1 历史数据记录分析

1)根据故障录波数据，灭磁开关跳闸前，励磁变高压侧二次电流最大瞬时值为4.268 A，折算至转子侧直流电流约为33 034 A(额定电流为3 105 A，约为10倍额定励磁电流)。

2)根据故障录波数据，4F机组转子电流出现异常变化持续时间为217.2 ms，且存在一定周期性变化规律。

3)根据PMU数据记录，故障时励磁系统励磁电压在380～480 V之间波动，励磁电流呈急剧上升趋势，因PMU数据来自电流/电压变送器，受输出上限限制，最大励磁电流显示为8 000 A。

1.2 励磁系统数据动作情况分析

1)根据励磁系统现地工控机报警记录，故障过程中报“转子过热报警104”“励磁开关外部跳闸143”信号。

2)励磁系统“转子过热报警”用于监视转子温度，转子温度由励磁电流和励磁电压计算出的转子电阻推导出来，当转子温度超过定值115℃(1009)时，励磁系统发转子过热告警信号，当转子温度超过定值125℃(1010)时，励磁系统根据转子温度监视模式(1001)控制字状态，发转子过热跳闸信号。

该电站转子温度监视模式(1001)投“开启/报警”状态，转子温度超过115℃或125℃时，只发报警信号。经厂家软件模拟仿真计算，故障时该电站转子温度超过300℃，转子过热报警正常动作，因此“转子过热报警”只发告警信号，不跳闸。

3)根据该电站励磁系统灭磁开关脱扣定值整定情况，瞬时脱扣整定定值为18 000 A，故障时最大励磁电流达33 034 A，超过灭磁开关脱扣定值，因此灭磁开关正常脱扣分闸，发送分闸信号至发电机保护，发电机保护联跳机组出口断路器，机组空转运行。

1.3 发电机保护动作分析

1)发电机灭磁开关联跳保护动作分析。11时46分29秒393毫秒，励磁系统灭磁开关本体过流保护动作，跳开灭磁开关。发电机1号、2号保护屏PCS-985GW保护装置均收到灭磁开关分闸信号。结合发电机并网状态判据，保护装置灭磁开关联跳功能动作于跳闸，跳开发电机出口断路器，保护动作正确。

2)发电机保护装置启动分析。11时46分29秒059毫秒，发电机1号、2号保护屏PCS-985 GW保护装置均启动，从录波文件中分析可见，启动原因为励磁变高压侧电流突变，在保护启动216 ms内，励磁变高压侧电流二次值由0.25 A逐渐激增至2.13 A，随即衰减为0。在此期间励磁变高压侧电流二次值已达到励磁变过流Ⅱ段动作定值1.02 A，但持续时间未达到励磁变过流Ⅱ段动作延时(500 ms)，因此励磁变过流Ⅱ段未动作。励磁变高压侧电流也已达到过流Ⅰ段动作定值，但仅持续15 ms后即衰减为0，因此励磁变过流Ⅰ段也未动作。分析简表如表2。

表2 PCS-985 GW保护装置启动原因分析简表

3)转子接地保护装置两次告警分析。11时46分05秒401毫秒，发电机1号保护屏转子接地保护装置PCS-985RE告警，并发送报警信号上送监控。从PCS-985RE保护装置录波文件中分析可见，此时保护装置采集计算的转子对地绝缘电阻值为6.79 kΩ，低于转子一点接地灵敏段告警定值20 kΩ，但未达到转子一点接地保护跳闸定值5 kΩ，因此保护装置仅告警而保护未启动，持续3 100 ms后转子接地保护装置告警复归。

11时46分25秒366毫秒，发电机1号保护屏转子接地保护装置PCS-985RE启动，并发送报警信号上送监控。从PCS-985RE保护装置录波文件中分析可见，在启动时刻，保护装置采集计算的转子对地绝缘电阻值为4.080 kΩ，已低于转子接地跳闸定值5 kΩ，保护启动正常。因转子接地保护动作延时为5 s，在保护启动4 519 ms后，灭磁开关本体过流保护、发电机灭磁开关联动保护先后动作切除故障，因此转子接地保护仅启动，未动作跳闸。

综上所述：机组异常解列原因为，机组转子侧一次设备异常，导致机组励磁电流瞬时(216 ms)增加至灭磁开关脱扣定值(因持续时间短，未到励磁变过流保护和转子接地保护跳闸定值，上述两种保护未动作)，灭磁开关脱扣跳闸，发电机保护联跳发电机出口断路器，机组空转运行。

2 一次设备检查情况

2.1 现场检查

设备故障后对4F机组定转子等一次设备进行检查，发现4F转子励磁下滑环(负极)引下线L型连接板烧损、下滑环下平面与L型板连接处烧蚀、下滑环部分支撑绝缘套表面被电弧烧损致表面碳化、下滑环近处的部分碳刷烧损，见图1～图5。吊开机组大轴中心阀，检查上滑环与L型连板连接处螺栓，发现其锁片未锁固到位。

图1 转子滑环、碳刷、防护罩烧损图

图2 风罩内下滑环支撑绝缘套管烧损图

图3 下滑环与引下线连接铜排处烧损图

图4 转子下滑环至转子中心体连接铜排熔断图

图5 碳刷刷握有熔化物图

2.2 绝缘测试

1)测机组定子绝缘R15=97 MΩ，R60=280 MΩ，定子绝缘正常。

2)在发电机转子支架处断开滑环至转子磁极连接铜排，测转子本体对地绝缘为251 MΩ，判定转子磁极及相关连线正常。测上滑环(正极)对地绝缘为零。

3 故障原因分析

联系制造厂技术人员赶赴现场查勘，检查4F转子励磁下滑环(负极)与引下线L型铜排的四颗固定螺栓中靠大轴侧的2颗螺栓孔完好且清洁，靠碳刷侧的2颗螺栓孔已完全融化，经初步分析判断此次烧损故障原因为转子励磁下滑环(负极)引下线L型连接板烧损是本次故障的直接原因。放电燃烧产生的巨大热量及能量不仅烧损下滑环(负极)引下线L型连接板、烧蚀下滑环下平面与L型板连接处，同时引起了下滑环部分支撑绝缘套表面被电弧烧损致表面碳化、下滑环近处的部分碳刷烧损。

具体原因分析：结合现场检查情况分析，主要原因可能为施工单位安装工艺不到位。在故障查找时，检查发现存在上滑环与L型连板锁片未锁紧到位，考虑到下环滑与L型连板连接时施工难度更大，锁片同样未锁紧的可能性非常大，机组长时间振动运行该部位连接螺栓会出现松动。而厂家设计导致滑环至引线连接部位常规检修不易检查也是其中原因之一，因为4F机组上滑环与L型连板处需吊开大轴中心阀才能检查，常规检修时不具备检查条件;而下滑环与L型连板处位置低矮，又有支撑件等遮蔽，难以检查。这也导致此隐患没能及时发现及消除。

因此，机组长时间运行后，该位置连接螺杆松动，导致接触电阻增大，运行过程中持续发热，最终导致4F转子励磁下滑环(负极)引下线L型连接板烧损、下滑环下平面与L型板连接处烧蚀；并引起转子正负极直接接地，使励磁电流急剧增大，最终引起灭磁开关动作跳闸(见图6)。

图6 下滑环与引下线L型铜排固定螺栓烧损情况图

4 故障处理

为确保该电站4F机组能尽快投入运行，公司与制造厂制定了临时的处理措施。因原转子引线与发电机下滑环连接位置已烧损，因此将连接部位挪移一段距离。主要处理过程如下：

1)全部拆除发电机风罩及大轴中心阀后，对转子滑环、碳刷、连接铜排等部位进行详细检查，并对风罩内部滑环、刷架等进行了清洁处理，对绝缘支撑件表面进行了打磨处理后涂刷188绝缘漆，确保滑环和刷架绝缘水平恢复正常水平。

2)拆除受损滑环外送修复处理，对下滑环烧蚀部位进行了处理，并在其附近重新开孔。对整个滑环面进行了研磨处理，确保其光洁度。

3)拆除烧损的L型铜排，根据现场连接尺寸情况，重新配制了L型铜排及其至引下线铜排，完成连接后，对接头部位进行了绝缘防护处理(各连接部位均进行了烫锡处理，连接螺栓紧固到位，并涂抹了螺栓紧固剂)。

4)对发电机转子支架处断开滑环至转子磁极连接铜排恢复连接，并重新进行了绝缘处理。

5)对发电机滑环、大轴中心阀及风罩完成回装。对下滑环碳刷全部完成更换，并更换了受损的刷握，上环滑更换了尺寸较短的碳刷。

6)处理后对转子进行绝缘电阻、交流阻抗及整体耐压试验，各项试验数据均满足要求。

5 后续计划

1)因4F机组转子引线与滑环连接部位烧损较严重，需对滑环进行整体更换。

2)对碳刷架进行改造，采用最新型可以监测碳刷温度及电流的产品。

3)在检修期间，加强对大电流接头的检查，同时丰富检测手段。主要是，尽量对裸露接头测接触电阻及通过塞尺检查接触情况。