300 Mvar空冷调相机转子一点接地保护跳闸故障分析

张 冲，赵 强，高树永，李延钊，安卫民，刘志远

（国网内蒙古东部电力有限公司内蒙古超特高压分公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

0 引言

随着特高压直流工程大规模投产，电网跨区资源优化配置能力显著提高，传统电网的潮流流动方式与运行特性发生变化，导致局部电网受电比例较高、系统动态无功补偿不足，电压稳定性受到影响。为满足系统动态无功功率需求、保持电压稳定性，国家电网有限公司研究部署了新一代调相机工程[1-5]。转子一点接地故障作为发电机组最常见的故障，在在运调相机工程中也有发生[6-9]。本文对某厂站300 Mvar 空冷调相机组发生转子一点接地故障的原因进行了详细分析，并针对转子引线装配工艺提出了优化改进措施。

1 故障简述

某厂站调相机配置两套转子接地保护装置，一套为注入式转子一点接地保护，另一套为乒乓式转子一点接地保护。注入式转子一点接地保护在未加励磁电压的情况下也可以监视转子绝缘情况，转子绕组任意一点接地时，保护灵敏度高且一致，能够准确反映接地位置和接地电阻值，符合大型机组的要求[10-15]。正常运行时，优先投入注入式转子一点接地保护装置。该调相机配置双端方波注入式转子一点接地保护装置，该保护在转子绕组的正负极两端与大轴之间注入低频方波电压，实时计算转子一点接地电阻值，并得出α值（转子绕组接地位置百分比，负极为0%，正极为100%）。保护设置两段，达到高定值段时报警，小于低定值段时报警或跳闸。该厂站低定值段接地电阻设置为2.5 kΩ，延时5 s跳闸。某次运行过程中，转子一点接地保护动作跳闸，录波数据显示接地电阻为0 kΩ，持续时间大于5 s。故障发生时的分散控制系统（Distribution Control System，DCS）数据显示，转子电气回路的励磁电压、励磁电流出现明显变化，调相机转子出现不平衡振动，且跳闸时转子振动最大位移达到0.136 mm。基于上述情况，初步判断调相机转子至少发生了一点接地故障。

2 现场检查

现场对励磁回路进行了逐段检查和试验，排除了励磁系统回路及调相机转子集电环位置发生故障的可能性。进行绝缘试验时，发现转子绕组接地电阻为0 Ω，无其他明显异常现象，初步判断故障点位于调相机转子绕组内部。拆开调相机端盖对引线进行检查，发现一极引线烧熔，如图1所示。

图1 转子引线烧熔Fig.1 Burning and melting of the rotor lead

调相机转子由整体合金钢锻件加工而成，直线段铜线采用钢槽楔固定，端部铜线采用高强度合金钢护环固定。转子电气回路由两极转子绕组、转子引线、连接螺钉、引线螺钉、导电杆、集电环等组成。转子引线为L 形布置，导电部分主体由多层含银铜带制成，实现转子绕组与导电杆之间的电气连接，并通过云母带热固绝缘及环氧板加工而成的绝缘盒实现其与转轴之间的对地绝缘。转子引线通过引线槽楔及钢带固定于轴柄的引线槽内，通过紧固引线与导电杆之间的引线螺钉及连接螺钉实现电气连接。现场检查发现，烧熔位置位于连接螺钉压紧引线区域的外侧，如图2所示。

图2 转子引线烧熔位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the melting position of the rotor lead

3 转子拆解

3.1 宏观检查

拆除转子两端护环，对出线端、非出线端进行检查，未发现其他烧损点或异常情况。拆开故障点对侧转子引线槽楔，对转子引线、连接螺钉、引线螺钉进行检查，发现除引线仅在连接螺钉压紧区域附近略有变形，其他区域的引线状态良好，未见明显异常。

拆除故障点处所有引线槽楔，对引线、连接螺钉、引线螺钉进行检查，发现故障点处的引线自连接螺钉压紧位置起存在80 mm 缺口，结合引线径向部分位移量，判断约有70 mm引线完全熔断，如图3所示。连接螺钉的销柱、螺纹及表面镀银状态良好，连接螺钉压紧区域的引线基本完好，连接螺钉底部引线铜片上远离熔断点一侧的一半区域表面镀银完好，未附着碳化物。故障点处引线螺钉的金属部分状态良好，顶部远离熔断点一侧的一小半区域表面镀银完好，未附着碳化物（与连接螺钉底部引线铜片镀银面完好区域对应），引线螺钉绝缘层表面附着碳化物，如图4所示。

图3 故障点处的引线及连接螺钉Fig.3 Lead wire and connecting screw at the fault point

图4 故障点处的引线螺钉Fig.4 Lead screw at the fault point

3.2 化学成分分析及力学性能测试

采用直读光谱仪对熔融物及转子引线铜片进行化学成分分析，测定结果如表1 所示。转子引线铜片满足要求（铜银的质量分数不低于99.95%，银的质量分数不低于0.085%），故障位置熔融物中除含有Cu、Ag外，还有少量Fe。

表1 各化学成分质量分数测定值Tab.1 Determination value of mass fractions of each chemical component%

在靠近和远离转子引线断裂处分别取样进行力学性能测试，结果如表2所示。

表2 力学性能测试Tab.2 Mechanical property test

相同材质的新铜片在退火前的力学性能满足要求（抗拉强度不低于275 MPa，断面收缩率不低于12%，弯曲180°后保持完好，硬度不低于18），故障点处转子引线试样的力学性能与相同材质的退火后的新铜片的力学性能相当。

3.3 金相组织分析

在靠近断裂外和远离断裂处分别取样进行金相组织分析，经镶嵌、粗磨、精磨、抛光后，用FeCl3溶液进行腐蚀，如图5 所示。远离断裂处样品的晶粒尺寸约为0.020 mm，未见Cu2O，为正常组织。靠近断裂处（距断裂处10 mm范围内）样品的晶粒在高温影响下尺寸增大，约为0.090 mm，未见Cu2O，也为正常组织。

图5 样品的金相组织Fig.5 Metallographic structure of the samples

3.4 形貌分析

由图6 可知，引线在距连接螺钉中心50 mm 处发生断裂，连接螺钉处的转子引线在非出线端方向上存在变形情况，呈椭圆形，最大间隙约6 mm。靠近连接螺钉一侧的断口发生约45°翘曲，断裂面呈半圆形，较为平齐，但表面剐蹭、烧损、变形严重，有黑色附着物。根据断口宏观形貌分析可知，转子引线在最终失效前受到沿长度方向的拉伸和径向上的弯曲载荷，铜片在较高的温度下熔化。

图6 断口宏观形貌Fig.6 Fracture macro morphology

从转子引线侧面烧损处和断裂处分别取样，并通过S-3700扫描电镜观察微观形貌。由图7可知，侧面烧损处样品的表面较为光滑，局部区域存在孔洞；断裂处样品的表面也较为光滑，局部区域存在微裂纹及孔洞。

图7 样品微观形貌Fig.7 Microstructure of the samples

4 故障发生过程及原因分析

4.1 故障发生过程分析

由上述分析可知，故障点处约70 mm 引线完全熔断，这一过程需要的能量为3.28×105J。因此，可能出现的故障为转子两点接地、转子连接螺钉松动或转子引线断裂。

清除引线烧损处的碳化物后，对转子的绝缘电阻值进行测量，为14.8 GΩ。转子绕组除故障点外，其余位置对地绝缘状态良好。引线与绕组焊接后（未与导电杆集电环连接时），进行转子交流阻抗、两极电压以及静态RSO 试验[16-20]。结果表明，匝间绝缘合格。由此可知，除故障点外，转子绕组无其他接地点，可以排除转子两点接地的可能性。

转子连接螺钉底部引线铜片及引线螺钉顶部远离熔断点一侧的一小半区域表面镀银层均完好，未附着碳化物，说明在故障发生过程中，远离熔断点一侧的一小半区域处于压紧状态，基本不存在间隙。从图8 的温度场仿真结果可知，连接螺钉未松动、电流为2381 A（额定电流）时，引线熔断处的温度为80.5 ℃，连接螺钉处的温度为75.4 ℃；连接螺钉松动、电流为2381 A（额定电流）时，引线熔断处的温度为78.1 ℃，连接螺钉处的温度为77.8 ℃；连接螺钉松动、电流为820 A（故障初始电流）时，引线熔断处的温度为55.3 ℃，连接螺钉处的温度为55 ℃。可见，连接螺钉松动并不能使温度达到引线熔点，不能使引线熔断。

图8 转子引线温度场仿真Fig.8 Temperature field simulation of rotor lead

转子引线断裂会导致引线横截面面积减小、电流密度增加、热损耗增大、引线温度升高。假定在最恶劣的情况下，仅余1片引线没有断裂（共36片，每片0.5 mm），温度场仿真结果如图9所示。当电流为2381 A（额定电流）时，转子引线最高温度为188.9 ℃；当电流为820 A（故障初始电流）时，转子引线最高温度为70 ℃。两种情况下的转子引线温度均未达其熔点。转子绕组是一个电感器，一旦转子引线完全断裂，断口两侧将形成电弧，短时间内释放的能量会使引线烧熔。综上所述，故障发生过程中，靠近连接螺钉压紧区域的转子引线因某种原因发生断裂，断口两侧形成电弧，瞬时释放能量将引线烧熔。

图9 引线仅余1片未断裂时转子引线温度场仿真Fig.9 Temperature field simulation of rotor lead when only one unbroken piece of lead left

4.2 引线断裂原因分析

该调相机转子的设计结构已经过数百台机组长期运行验证，结合故障点对侧转子引线的检查情况可知，并非转子设计问题导致引线断裂。

转子引线所用材料的屈服极限为265 MPa（实测值）、抗拉强度为292 MPa（实测值），满足采购规范要求。调相机正常运行时，转子引线所受应力的平均值为12.1 MPa, 最大局部应力为49 MPa。根据上述材料力学性能测试结果可知，引线断裂处样品（退火后）抗拉强度的最小值为213 MPa，远大于运行状态时转子引线承受的应力。因此，并非转子引线所用材料质量不合格导致引线断裂。

引线断裂位置靠近连接螺钉压紧区域，该区域的转子引线位于热固绝缘段外，与绝缘盒之间在径向上存在4 mm悬空区域。装配过程中，采用绝缘配垫对该区域进行填充，若悬空区域未被完全充满，将导致引线在41 mm 长度范围内悬空，承受离心力带来的弯曲应力（即拉应力及压应力），如图10 所示。对上述情况进行有限元仿真计算，结果显示，悬空区域所受最大应力为214 MPa，超过材料抗拉强度（213 MPa），说明当绝缘配垫不能完全充满引线与绝缘盒之间的悬空区域时，转子引线将发生断裂。实际安装过程中，由于引线与绝缘盒之间的间隙较小，即使出现上述情况，引线也不会完全悬空，但转子在运行过程中长期受力，会导致间隙变大，所受应力也会逐渐增大，随着起停机次数的增加，引线会逐渐产生疲劳裂纹，直至断裂。

图10 引线悬空Fig.10 Suspensded lead

5 改进措施

为避免引线断裂，建议对转子引线的绝缘配垫进行改进优化。一方面，要通过材料实测数据重新加工绝缘配垫层压板；另一方面，可以增配连接螺钉锁紧结构，如环氧层压板，避免连接螺钉松动。同时，还要明确工艺质量标准，加强结构件在装配过程中的质量控制，确保装配质量。

6 结语

某厂站300 Mvar 空冷调相机组出现转子一点接地导致跳闸的故障。本文通过力学性能测试、金相组织分析、温度场仿真等手段对故障原因进行了分析。结果显示，本次故障的主要原因是转子引线在厂内装配工艺不良，连接螺钉压紧区域外的绝缘配垫未能充满引线与绝缘盒之间的间隙，导致引线悬空，并在离心力的长期作用下发生断裂，进一步引发断口燃弧，造成接地短路。建议对绝缘配垫的结构及引线装配过程的质量控制手段进行改进优化，降低此类故障发生的概率。