發(fā)電機定子接地故障點排查及故障分析

劉仁惠

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

1 概述

某電廠4號發(fā)電機的型號為 QFSN－300－2－20，額定容量300MW、定子額定電壓20kV、額定電流10.19kA，冷卻方式為“水－氫－氫”方式，定、轉(zhuǎn)子絕緣等級均為F級。該發(fā)電機于1997年10月投運，發(fā)電機本體及TV、避雷器等主要附屬設(shè)備均未發(fā)生過電氣故障。

4號發(fā)電機與主變壓器采用單元制接線方式，發(fā)電機出口經(jīng)封閉母線與主變壓器、廠用變壓器、勵磁變壓器、出口TV、避雷器等設(shè)備相連，系統(tǒng)接線方式見圖1。發(fā)電機保護R1盤95%定子接地保護零序電壓取自發(fā)電機中性點電抗器，R2盤95%定子接地保護零序電壓取自發(fā)電機機端TV3開口三角零序電壓。2套接地保護動作電壓定值均為5V，跳閘時間定值為0.2s。

圖1 發(fā)電機接線示意

2 故障情況

在4號機組帶有功負(fù)荷178MW穩(wěn)定運行時，突然跳閘，“發(fā)電機95%定子接地”和“發(fā)電機定子接地”保護動作光字牌亮；R1盤內(nèi)95%定子接地保護機端接地跳閘繼電器動作；R2盤內(nèi)95%定子接地保護跳閘出口繼電器動作，跳閘燈亮。

根據(jù)保護動作情況和故障錄波器波形分析，初步認(rèn)定發(fā)電機接地保護范圍內(nèi)發(fā)生了接地故障。零序電壓和電流的衰減過程表明，在發(fā)電機出口主開關(guān)跳閘后，接地故障仍然存在，表明接地點在發(fā)電機側(cè)。從發(fā)電機電流、電壓、溫度等監(jiān)視數(shù)據(jù)看，故障前定子鐵心、定子繞組均沒有明顯的參數(shù)變化，跳閘前機組沒有任何異常征兆，說明接地故障是突發(fā)性的?；仡櫃C組運行情況，4號機組曾發(fā)生過較長時間的異常振動，使鐵心端部壓緊環(huán)多條螺栓松動，而且其中一條螺栓脫落，發(fā)電機內(nèi)局部有絕緣材料由于振動摩擦而脫落的粉末。當(dāng)時利用停機機會對發(fā)電機內(nèi)部進行了檢查，沒有發(fā)現(xiàn)鐵心或繞組損壞情況，但不能排除由于振動而在隱蔽部位出現(xiàn)故障隱患的可能。因此，故障發(fā)生后，懷疑發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生接地故障。

3 故障點排查及處理

3.1 設(shè)備檢查

對發(fā)電機本體、出口封閉母線、主變壓器低壓側(cè)、廠用變壓器、勵磁變壓器、出口TV、出口避雷器、中性點電抗器等進行全面檢查，具體步驟和結(jié)果如下：

a.發(fā)電機本體、出口封閉母線、主變壓器低壓側(cè)、廠用變壓器、勵磁變壓器等設(shè)備外觀未見異常，無異味。將所有出口TV和避雷器拉出間隔，其外觀完好，間隔內(nèi)清潔無異物；

b.測量上述設(shè)備的絕緣，儀表顯示絕緣良好，檢查、測量TV二次回路，絕緣正常，外觀完好；

c.將發(fā)電機和與其連接的設(shè)備分離，再次對各設(shè)備進行絕緣測量和耐壓試驗，結(jié)果正常。

3.2 繼電保護裝置檢驗

在設(shè)備檢查沒有發(fā)現(xiàn)異常的情況下，對2套定子接地保護裝置再次進行校驗，以重新確認(rèn)發(fā)電機保護裝置動作的正確性。保護裝置校驗結(jié)果為：R1、R2盤定子接地保護的動作電壓分別為5.01V、5.03V，動作時間分別為0.198s、0.21s。

比較故障前后發(fā)電機定子三相工頻電壓錄波數(shù)據(jù)（錄波時間2.5s），波形顯示定子電流故障前后無明顯變化，均為5 100A左右。故障前，發(fā)電機定子電壓三相對稱，故障后，U、V相電壓略有降低，W相電壓略有升高，開口三角和中性點均出現(xiàn)零序分量，其中，發(fā)電機中性點三倍零序電流3I0為223 mA，三倍零序電壓3U0為2 300V（正常運行中滿負(fù)荷情況下，3I0、3U0約為50mA、200V）。發(fā)電機出口TV4開口三角零序電壓故障前、后分別為0.297kV、2.353kV，發(fā)電機中性點TA零序電流故障前、后分別為0.025A、0.224A，發(fā)電機中性點電抗器電壓故障前、后分別為0.210 8kV、1.384kV。

保護定值檢查和裝置校驗結(jié)果表明，保護動作前后零序電壓、電流參數(shù)均有明顯變化，具有接地故障的典型特征，且達(dá)到保護動作條件，保護動作是正確的。

3.3 現(xiàn)場試驗

為了盡快查明原因，分別對有關(guān)一次設(shè)備進行了2倍額定直流耐壓和1.5倍額定交流耐壓試驗，各項試驗數(shù)據(jù)均正常。對發(fā)電機出口三相避雷器進行電導(dǎo)電流測試，未發(fā)現(xiàn)異常。由于TV結(jié)構(gòu)上采用分級絕緣形式，不宜進行耐壓試驗，所以用2 500 V搖表搖測TV絕緣，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況。對發(fā)電機做零起升壓試驗，定子電壓升至4 200V時，保護盤定子接地動作指示燈亮，發(fā)電機定子接地保護再次動作跳閘。用于試驗測量的表計顯示3U0為7.8 V，錄波波形顯示3U0與定子電壓同步出現(xiàn)，定子建立電壓后677ms出現(xiàn)中性點零序電流，電流強度為80mA，接地特征明顯。

檢查各TV無斷相、無接地、直阻正常，用2 500V搖表檢測各TV絕緣，結(jié)果正常，TV二次回路檢查未見異常，對TV進行30kV交流耐壓試驗，結(jié)果正常。

3.4 故障點確定

絕緣檢測和直流耐壓試驗的結(jié)果表明不存在“發(fā)電機定子系統(tǒng)接地”，而保護動作情況和零起升壓試驗的結(jié)果表明存在“發(fā)電機定子系統(tǒng)接地”，兩者矛盾。

通過梳理已經(jīng)完成的檢查、測試工作，唯一沒有經(jīng)過耐壓試驗的設(shè)備只有發(fā)電機出口TV。結(jié)合故障現(xiàn)象和零起升壓試驗情況，進一步分析認(rèn)為，使用儀表絕緣測量與實際運行中TV的工作環(huán)境存在差別。同時，系統(tǒng)檢查時的分割也改變了設(shè)備及系統(tǒng)的電氣性質(zhì)，這就是故障點一直沒有暴露的直接原因。

因此，將故障點確定在TV一次側(cè)，各組TV推入工作位置，模擬正常運行工況，按正常運行時的電氣一次接線方式在發(fā)電機出口接入運行電壓，依次對發(fā)電機出口三相TV進行試驗。將W相和V相TV一次側(cè)電壓升至11.5kV，檢測TV二次電壓均為57V，說明W相和V相TV正常。在對U相加壓時，故障現(xiàn)象出現(xiàn)了，表現(xiàn)為一次電壓不能建立，且伴有電流明顯增大，逐個測量U相各TV二次側(cè)均無電壓，至此故障點確定在U相。最后，采用排除法將U相的4個TV逐個拉出間隔進行排查，當(dāng)拉出第4組TV即TV4時，故障特征消失，確定U相TV4存在故障。

更換新的U相TV后經(jīng)全面檢查，發(fā)電機重新啟動并網(wǎng)，一切恢復(fù)正常。

4 故障原因及性質(zhì)

由于發(fā)電機出口U相TV4的絕緣帶缺陷長期運行，在發(fā)電機正常電壓下，繞組絕緣發(fā)生電擊穿，導(dǎo)致定子接地保護動作跳閘。而且TV4的絕緣擊穿只是電氣擊穿，尚未形成物理擊穿，外觀沒有燒損跡象，不帶電壓時絕緣性能可自行部分恢復(fù)，在搖表的電壓作用下不被擊穿，表現(xiàn)為絕緣正常，外觀也完好。但是，其匝間絕緣性能已無法承受正常運行情況下和零起升壓時的發(fā)電機出口電壓，這就是TV接入發(fā)電機系統(tǒng)后升壓時保護動作跳閘，而搖表測試時顯示絕緣正常的原因。

絕緣材料的擊穿有2種類型：電氣擊穿和物理擊穿。一般絕緣擊穿首先是電氣擊穿，故障切除前可發(fā)展為物理擊穿，即永久性擊穿。發(fā)生物理擊穿的絕緣材料絕緣性能完全喪失，可伴有絕緣材料燒損、異味產(chǎn)生和外觀損壞等；如果電氣擊穿后故障瞬間切除，或雖然故障延時切除，但電氣擊穿的能量較小，都可能不會發(fā)展為物理擊穿，故障切除后絕緣性能可以自行恢復(fù)或部分恢復(fù)。此次，4號發(fā)電機出口U相TV4絕緣材料損壞狀態(tài)處于電氣擊穿向物理擊穿的發(fā)展階段，絕緣材料尚未完全損壞。

5 結(jié)束語

該電廠4號發(fā)電機出口TV為澆注式單相電壓互感器，型號為JDZX1－20，為早期產(chǎn)品，制造工藝相對落后，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)廠家已經(jīng)改進了生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品進行了升級換代。故障后，利用停機機會更換了全部早期的TV產(chǎn)品，機組運行可靠性得到了提升。同時，應(yīng)進一步強化絕緣監(jiān)督工作，加強對TV設(shè)備的定期檢查試驗工作，以利于設(shè)備缺陷的早發(fā)現(xiàn)、早處理，確保機組安全穩(wěn)定運行。