燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障分析與處理

虞小兵

青海大唐國(guó)際直崗拉卡水電開(kāi)發(fā)有限公司 青海黃南藏族自治州 811999

摘要：青海直崗拉卡水電廠(chǎng)安裝有5臺(tái)38MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)備，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生一點(diǎn)接地故障后，要及時(shí)排查處理，以免擴(kuò)大發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障，造成發(fā)電機(jī)損壞，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定和電能質(zhì)量。文章分析其原因，提出處理辦法。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；一點(diǎn)接地；原因分析

1.工程概述

電站名稱(chēng)：黃河直崗拉卡水電站

電站地理位置：直崗拉卡水電站位于青海省尖扎縣的黃河干流上，上距李家峽水電站7km，下游為康揚(yáng)水電站，是黃河上游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的中型水電站之一。距青海省西寧市公路里程109km。

直崗拉卡水電站工程的主要任務(wù)是發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位2050m，總庫(kù)容1540萬(wàn)m3，電站額定水頭12.5m，總裝機(jī)容量190MW，安裝5臺(tái)單機(jī)容量為38MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均發(fā)電量7.619億kW.h，年利用小時(shí)數(shù)4010h。

設(shè)備概述

直崗拉卡水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備制造商為天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司，主變壓器新疆特變電工衡陽(yáng)電氣分公司制造，設(shè)備的安裝單位為廣東源天。

水輪發(fā)電機(jī)組為燈泡貫流式機(jī)組，發(fā)電機(jī)水輪機(jī)共用一根軸，型式為臥軸懸掛式、兩支點(diǎn)、強(qiáng)迫空冷。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速100r/min，飛逸轉(zhuǎn)速280r/min，從上游向下游看順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。機(jī)組共四部軸承，即正推力軸承、反推力軸承、發(fā)導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承。

發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFWG38—60/6630，主要包括定子、轉(zhuǎn)子、泡頭、組合軸承和前機(jī)架。定子外形尺寸7200×3100mm，重約107噸；轉(zhuǎn)子外形尺寸6080×1794mm，重約105噸，空氣間隙10mm，60個(gè)磁極；泡頭最大外形尺寸7200×4000mm，重約30噸；制動(dòng)方式為機(jī)械制動(dòng)，制動(dòng)器數(shù)量為6只。

水輪機(jī)型號(hào)為GZ4BN039—WP —610，主要包括座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承等部件。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外形尺寸8610×1780mm，重約40噸；轉(zhuǎn)輪最大直徑6100mm，重約62噸，為轉(zhuǎn)槳缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)，共4片槳葉。

電氣主接線(xiàn)：發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5kV，發(fā)電機(jī)變壓器組合方式為兩個(gè)兩機(jī)一變擴(kuò)大單元和一個(gè)單元接線(xiàn)方式，發(fā)電機(jī)出口設(shè)有發(fā)電機(jī)斷路器。電站以四回110kV線(xiàn)路接入電力系統(tǒng)，并預(yù)留二回出線(xiàn)位置，110kV側(cè)采用雙母線(xiàn)帶母聯(lián)接線(xiàn)。

2005年5月30日第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2006年6月1日前期四臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電。2014年5月31日擴(kuò)建的5號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

2.轉(zhuǎn)子接地危害

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓（直流電壓）有幾百伏左右，勵(lì)磁回路對(duì)地電壓約為勵(lì)磁電壓的一半，直崗拉卡水電廠(chǎng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子額定電壓為275V對(duì)地電壓為Ue/2=275V/2=137.5V，整個(gè)勵(lì)磁回路（包括轉(zhuǎn)子繞組）對(duì)地是絕緣的。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，由于未構(gòu)成電流通路，對(duì)發(fā)電機(jī)不會(huì)造成直接危害，發(fā)電機(jī)仍能運(yùn)行，但已經(jīng)形成事故隱患。因?yàn)樵谝稽c(diǎn)接地后勵(lì)磁回路對(duì)地電壓會(huì)升高，容易誘發(fā)兩點(diǎn)接地。一旦發(fā)生兩點(diǎn)接地相當(dāng)于轉(zhuǎn)子繞組一部分被短路，另一部分電流增加破壞了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，將引起發(fā)電機(jī)劇烈振動(dòng)，無(wú)功降低。轉(zhuǎn)子電流通過(guò)轉(zhuǎn)子本體，如果電流較大可能會(huì)燒壞轉(zhuǎn)子，還有可能造成大軸磁化，后果嚴(yán)重。以上問(wèn)題得不到及時(shí)停機(jī)處理將會(huì)使轉(zhuǎn)子繞組絕緣和勵(lì)磁回路中的其他設(shè)備因嚴(yán)重過(guò)流而燒壞并導(dǎo)致失磁故障，危及發(fā)電機(jī)安全，造成經(jīng)濟(jì)損失。特別是在汛期（6～9月），由于直崗拉卡電廠(chǎng)水庫(kù)庫(kù)容小，屬于不完全日調(diào)節(jié)電站，發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障，停機(jī)檢查必然棄水，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理

直崗拉卡電廠(chǎng)機(jī)組保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地是單端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理，注入電源從轉(zhuǎn)子繞組的負(fù)端與大軸之間注入，注入電源的切換周期可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的大小進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)求解轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻，保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)大軸絕緣電阻的下降。

該原理具有以下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子接地電阻的計(jì)算與接地位置無(wú)關(guān)，保護(hù)沒(méi)有死區(qū)；轉(zhuǎn)子接地電阻的計(jì)算精度高，注入電源的頻率可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的大小進(jìn)行調(diào)整，不受轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的影響；轉(zhuǎn)子接地電阻的計(jì)算與勵(lì)磁電壓的大小無(wú)關(guān)，在未加勵(lì)磁電壓的情況下，也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子的絕緣情況；其工作電路如下圖所示，圖中Rm為測(cè)量回路電阻，Ri為注入大功率電阻，Us為注入電源模塊，Rg為轉(zhuǎn)子繞組對(duì)大軸的絕緣電阻

4.轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地查找及處理方法

當(dāng)保護(hù)發(fā)出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)后，停機(jī)檢查判斷是勵(lì)磁裝置接地還是轉(zhuǎn)子繞組接地，一般情況下多為刷架、滑環(huán)上碳粉堆積造成絕緣降低。如果是轉(zhuǎn)子繞組接地，還需判斷接地是金屬性的還是非金屬性的。如果是非金屬性接地可在較暗的環(huán)境中用兆歐表對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行搖測(cè)，并對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行觀(guān)察，由于非金屬性接地存在較低接地電阻值，在兆歐表的直流電壓下接地點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，可根據(jù)火花位置找到接地點(diǎn)。如果是金屬性接地傳統(tǒng)方法是將轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目一分為二，斷開(kāi)極間連接線(xiàn)，用兆歐表表，判斷故障點(diǎn)在哪一邊，接著再將有接地故障的那一邊磁極又一分為二，再用兆歐表，判斷故障在哪一邊，直至分到最后兩個(gè)磁極，找出故障磁極為止。找到接地磁極后將風(fēng)洞進(jìn)人孔邊的擋風(fēng)板切割開(kāi)，盤(pán)車(chē)將故障磁極轉(zhuǎn)到該位置拔出磁極，對(duì)損壞的絕緣進(jìn)行處理，此方法看起來(lái)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際工作中十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

使用電壓法查找相對(duì)傳統(tǒng)方法可以減少工作量，原理是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是由若干個(gè)磁極串聯(lián)組成，且每個(gè)磁極阻值是相等的，即轉(zhuǎn)子繞組的電阻值除以磁極個(gè)數(shù)，就是每個(gè)磁極的電阻值，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的正極對(duì)地或負(fù)極對(duì)地的電壓值或電阻值，以及占整個(gè)磁極電壓值或電阻值的比例，就能計(jì)算出接地點(diǎn)的具體位置?，F(xiàn)就通過(guò)一例故障處理，來(lái)說(shuō)明此方法具體應(yīng)用。

直崗拉卡電廠(chǎng)#2機(jī)組，容量38MW，轉(zhuǎn)子額定電壓275V，轉(zhuǎn)子共60個(gè)磁極。2012年11月機(jī)組運(yùn)行中保護(hù)裝置報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地，在運(yùn)行中用0.5級(jí)直流電壓表對(duì)勵(lì)磁電壓進(jìn)行測(cè)量，正極對(duì)地47V，負(fù)極對(duì)地為187V。停機(jī)檢查解開(kāi)集電環(huán)與磁極引線(xiàn)連接，發(fā)現(xiàn)接地點(diǎn)在轉(zhuǎn)子繞組側(cè)，根據(jù)停機(jī)前測(cè)得的數(shù)據(jù)，勵(lì)磁電壓為235V，正極對(duì)地47V，負(fù)極對(duì)地為187V，根據(jù)公式

V1/V =R1I/RI=R1/R

V-運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電壓

V1-運(yùn)行時(shí)正對(duì)地電壓

R-轉(zhuǎn)子直流電阻

R1-轉(zhuǎn)子繞組正極至接地點(diǎn)的電阻

I-流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流

V1/V=47V/235V= R1/R=0.2

根據(jù)以上計(jì)算分析接地點(diǎn)距轉(zhuǎn)子繞組正極的電阻值占整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組電阻值的20%，接地點(diǎn)距轉(zhuǎn)子繞組負(fù)極的電阻值占整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組電阻值的80%，由于每個(gè)磁極電阻值相等，因此接地點(diǎn)應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組的60極×20%=12極，即接地點(diǎn)在距轉(zhuǎn)子繞組正極的第12個(gè)磁極附近，重點(diǎn)檢查11、12、13這三個(gè)磁極，這樣大大縮小了查找范圍，減少了工作量。

將11極與12極斷開(kāi)搖測(cè)絕緣，0-11極絕緣為0，12-60極絕緣為800MΩ，將10與11斷開(kāi)搖測(cè)絕緣，0-10極絕緣為1.1GΩ，11極絕緣為0。將第11號(hào)磁極拔出，發(fā)現(xiàn)磁極線(xiàn)圈與轉(zhuǎn)子鐵芯接觸處絕緣燒焦破壞，造成線(xiàn)圈與鐵芯接地。處理后線(xiàn)圈與鐵芯絕緣恢復(fù)，回裝磁極恢復(fù)極間連接線(xiàn)，搖測(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)絕緣，勵(lì)磁系統(tǒng)絕緣正常。發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)，勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常，保護(hù)裝置無(wú)告警。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障消除。

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析得知，引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障的原因很多，但是掌握轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的保護(hù)原理，定期對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行檢查、清掃，

能很好的預(yù)防故障的發(fā)生，同時(shí)運(yùn)用測(cè)量與計(jì)算相結(jié)合的方法能更快的查找故障點(diǎn)，不但省時(shí)省力，增加發(fā)電機(jī)利用小時(shí)數(shù)，而且能夠提高發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。