大型水輪發(fā)電機接地故障分析與現(xiàn)場查找探索

張 強,鄒 科

(龍灘水電開發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠,廣西天峨547300)

大型水輪發(fā)電機接地故障分析與現(xiàn)場查找探索

張 強,鄒 科

(龍灘水電開發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠,廣西天峨547300)

大型水輪發(fā)電機在開機運行中報轉子接地,停機故障消失,故障點查找困難,采用交流阻抗法排查轉子接地故障準確性更高。定子接地故障通常采用大電流燃燒方式查找,這樣有可能會給發(fā)電機鐵心造成新的損壞,為此探索了一種現(xiàn)場故障查找技術,通過自制CT工具測量定子線棒電流來確定接地故障點具體位置,這樣可在保證發(fā)電機安全的情況下,快速、科學地查找出接地故障點。

水輪發(fā)電機；定子接地；轉子接地；故障分析；現(xiàn)場故障查尋；龍灘水力發(fā)電廠

0 引 言

發(fā)電機定子接地故障和發(fā)電機轉子接地故障是發(fā)電機最典型的兩個故障。在生產現(xiàn)場能夠安全、快速、正確查找到故障點,是成功處理故障最關鍵的一個環(huán)節(jié)。大型水輪發(fā)電機由于其體積龐大、結構復雜,發(fā)電機定子接地故障和發(fā)電機轉子接地故障的現(xiàn)場查找較其他發(fā)電機的困難要大很多,采用類似于體積較小的火電機組發(fā)電機用眼睛看、鼻子聞的直觀檢查方式,查找到故障點非常困難。

1 轉子接地故障的分析與查找

查找普通轉子接地故障較為簡單。發(fā)電機轉子接地,在機組停機后接地故障依然存在,用1 000 V搖表加壓,配合觀察放電,可以較容易地找到接地點；也可以測量轉子滑環(huán)處對地阻抗并結合每個磁極阻抗,比較容易查找出接地點故障點。

大型水輪發(fā)電機在開機運行中報轉子接地,停機后故障即消失。這種情況,在現(xiàn)場查找故障點較為困難。在機組停機后所有數(shù)據(jù)正常,故障現(xiàn)象消失,只有通過人工現(xiàn)場觀察發(fā)電機轉子本體來發(fā)現(xiàn)故障點。龍灘水電站水輪發(fā)電機轉子體積龐大(直徑14 932 mm,高2 900 mm)、結構復雜、磁極對數(shù)多(28對),現(xiàn)場目視查找較為困難。如果沒有理論指導和數(shù)據(jù)支撐,很難快速、準確地找到故障。

龍灘水電站發(fā)電初期1號機、2號機反復出現(xiàn)轉子接地,時有時無、時好時壞,用了近兩個月時間多次查找才將故障查出。 機組制造廠家的發(fā)電機保護的轉子接地保護也有接地故障測距功能,原理為注入方波信號檢測,但1號機、2號機的接地點測距顯示各次變化很大,誤差大,數(shù)據(jù)基本不能使用,對故障點查找指導性不強。故,找到通過理論分析并結合現(xiàn)場實際的好方法,對故障查找具有現(xiàn)實意義。

1.1 交流阻抗法分析

采用直流電阻測量方法在實際工作中更為方便,但本次故障排查采用交流阻抗法,其原因是采用交流阻抗法受勵磁引線、碳刷的影響較小。表1是某777.8 MV·A、56個磁極的水輪發(fā)電機轉子的主要測量數(shù)據(jù)。由表1可看出,各種工況下采用直流電阻法所測得的總電阻值很小,均為毫歐數(shù)量級,且勵磁引線、碳刷的電阻占比較大,影響故障點的準確定位；同時也可看出若采用交流阻抗法,勵磁引線、碳刷的影響將減小很多,基本為0,總阻抗增大到90 Ω,總阻抗基本由56個磁極的阻抗組成,分辨率更高,準確性更高,可以準確定位故障磁極的位置。

表1 某777.8 MV·A、56個磁極的水輪發(fā)電機轉子的主要測量數(shù)據(jù)

1.2 測量分析

對于發(fā)電機轉子在開機轉動中接地,停機故障消失的故障,開機過程中在碳刷處測得3個數(shù)據(jù)R、Ra、Rb。其中,R為轉子交流阻抗；Ra為開機測量的轉子正極對地阻抗；Rb為開機測量的轉子負極對地阻抗,見圖1。

圖1 發(fā)電機轉子接地各部電阻分析

圖1中,R1為轉子接地處到轉子滑環(huán)正極阻抗；R2為轉子接地處到轉子滑環(huán)負極阻抗；R0為轉子接地電阻。其中,R=R1+R2；Ra=R1+R0；Rb=R2+R0。若測得R、Ra、Rb,則可計算出R0、R1、R2,即R0=(Ra+Rb-R)/2；R1=Ra-R0；R2=Rb-R0。

由表1可知,勵磁引線、碳刷交流阻抗基本為0,則R1值即是正極方向的磁極阻抗的和,R2值即是負極方向的磁極阻抗的和,總阻抗除以磁極數(shù)得到每個磁極阻抗。本文中每個磁極交流阻抗為1.6 Ω 左右,對照R1、R2值,容得查到找故障點在哪個磁極。若R1=0,R2=R,則接地點在勵磁引線正極部分；若R2=0,R1=R,則接地點在勵磁引線負極部分。

1.3 注意的問題

本測試需要注意的、也是容易被忽略的是必須通過隔離變壓器或開關電源獲得測試電源；否則400 V 系統(tǒng)的中性點“地”將和故障接地點形成回路,嚴重影響測量值,計算結果將出現(xiàn)比較大的誤差。

應特別注意的是,R0實際為一個過渡電阻,這個電阻值不是定值。為了減少測量誤差,接線必須通過雙擲刀閘進行正對地、負對地測量的倒換,倒換要盡量快,以減少接地點電阻隨時間產生的電阻值變化在正對地、負對地測量時出現(xiàn)電阻不一致現(xiàn)象。測量過程也可以通過多測量幾組數(shù)據(jù)取均值的方法減少誤差。

2 發(fā)電機定子接地分析與查找

發(fā)電機定子接地故障的查找,傳統(tǒng)方式一般是通入5 A左右電流讓線棒產生比發(fā)電機運行期間接地更強的燃燒,通過觀察電弧、煙霧,以判斷接地點；但有時也可能會發(fā)生在查找定子接地故障時,定子鐵心鐵心被燒損,對發(fā)電機造成不必要的二次傷害。定子鐵心的修復、鐵心絕緣處理會造成拖延工期和相關的經濟損失巨大。

大型水輪發(fā)電機由于體積龐大、鐵心結構復雜,定子繞組接線復雜,發(fā)電機定子接地故障點安全、精確的查找非常困難?！栋l(fā)電機變壓器繼電保護應用》[1]等資料顯示,1 A電流為大型發(fā)電機定子接地的安全電流,當發(fā)電機接地電流達到1 A時,0 s立即跳閘,定子接地電流超過1 A后可能威脅到發(fā)電機鐵心的安全。

龍灘水電廠在查找5號發(fā)電機定子接地故障時,將轉子的上、下旋轉擋風板全部拆除,在轉子上、定子下布滿工作人員,觀察定子接地點的煙霧、電弧等異?，F(xiàn)象,仔細檢查定子端部、定子槽口部位,未發(fā)現(xiàn)故障點。所以,大型水輪發(fā)電機查找電流小于1 A時,采用觀察發(fā)電機電弧、煙霧來查找故障點基本是不可行的。只有通過新的方法,在充分保證發(fā)電機安全的前提下(查找電流必須小于1 A)來查找故障點。

2.1 總體分析

如圖2所示,斷開發(fā)電機出口A、B、C三相出口軟連接、拉開中性點刀閘,將與發(fā)電機連接的勵磁變壓器、發(fā)電機機端電壓互感器、封閉母線、接地變壓器隔離。檢查發(fā)電機機端電壓互感器、勵磁變壓器、封閉母線絕緣正常,再次測量發(fā)電機的絕緣,顯示絕緣電阻仍為0,則排除了電壓互感器、勵磁變壓器、封閉母線、接地變壓器引起故障的可能。從而可以判斷故障點在發(fā)電機本體上。先將發(fā)電機A相中性點2個軟連接斷引,用2 500 V兆歐表測得發(fā)電機A相絕緣電阻為0、發(fā)電機B、C相絕緣電阻為320 MΩ；則,可以確定故障點在A相定子。

圖2 龍灘700 MW發(fā)電機定子接線示意

2.2 確定接地故障分支

斷開A相前后端3個軟連接,將A相隔離(見圖3)。從A相發(fā)電機定子出口端施加電壓,中性點端懸空?；芈反?個300 Ω的滑線變阻器限流,再串入電壓、電流表觀察回路電壓、電流,測量1～8分支的中性點端電流。

圖3 發(fā)電機接地相各分支電流關系示意

從圖3可以看出,I0=I31+I32；I32=I1+I5+I7；則I1=I5=I7。2、4、6、8分支無電流回路構成,各分支電流為0。即,在偶數(shù)分支與奇數(shù)分支中,哪個分支的中性點端電流為其他分支的和,則該分支接地。

實際測量中,將4個分瓣的電流互感器分別裝在第1分支的1、3、5、7支路上,在A相定子出口(首端)施加100 V左右的電壓,將總支路電流控制在0.5 A左右,測得第1支路電流為1.4×70 mA,第3支路電流為4.1×70 mA,第5支路電流為1.3×70 mA,第7支路電流為1.3×70 mA。很明顯,第3支路的電流約為第1、5、7支路的電流之和,可以肯定故障點就在第3支路內。

2.3 自制工具

如何測量定子線棒電流是一個大問題,由于發(fā)電機線棒尺寸大,測量空間狹窄,現(xiàn)有的儀器均無法測量發(fā)電機線棒電流。龍灘電廠在查找中,利用廢舊定子鐵心矽鋼片,自制了一個開口CT。根據(jù)定子線棒現(xiàn)場安裝位置尺寸剪裁矽鋼片,各片應平整、無毛刺,左右各一瓣,疊層26層,用塑料扎帶將自制鐵心綁扎緊固成型,盡量減少鐵心漏磁,用普通2.5 mm2導線繞二次線圈16匝,將二次線圈短接。配合保護專業(yè)用的毫安鉗形表,在一次側通入0.3 A電流時,二次側可測量到10 mA左右電流,可滿足定性分析。通過自制“CT”測量線棒電流如圖4所示。

圖4 自制“CT”在定子線棒上的測量

2.4 接地故障線棒的最后確定

本例發(fā)電機定子繞組共624槽,每槽分布上層和下層共兩根線棒,總共1 248根線棒。定子繞組分A、B、C三相,每相為8個分支,則每個分支為(1 248/3)/8=52根線棒。以圖5的10根線棒為例進行分析,1號線棒上端接試驗電源,10號線棒上端懸空。接地分為上端部接地a,下端部接地b, 線棒接地c三種情況。

圖5 發(fā)電機接地分支各線棒電流分析示意

在一次側通入0.3 A電流,如果c點接地,則1號～7號線棒的上下部位有10 mA左右電流,8號線棒的下部有10 mA左右電流,8號線棒上部無電流,9號、10號線棒無電流；如果a點接地,則1號～8號線棒的上下部位有10 mA左右電流,9號、10號線棒無電流,即8號、9號線棒的連接的上端部處接地；如果b點接地,則1號～7號線棒的上下部位有10 mA 左右電流,8號、9號、10號線棒上下部位無電流,即7號、8號線棒的連接的下端部處接地。實際操作采用8421法,首先1/2處(5號線棒)下部測量是否有電流,如無,則接地點在1號～5號線棒內,如有,則接地點在6號～10號線棒間,再在有電流段1/2處測量,以此類推最后確認接地故障點。

本例在348號槽上層線棒下部測得電流為8.7 mA,而上部流出電流為0,348號槽上層線棒上部后的線棒至中性點(尾端)的所有線棒電流均為0,348

號槽上層線棒下部以前至出口(首端)的所有線棒電流均為8.7～10 mA左右,經過反復的核實,最后確定故障點就在A相第3支路的348號槽的上層線棒。

拔出348號槽正對的44號和45號磁極,對槽內進行詳細的檢查,發(fā)現(xiàn)在348號槽的中部,上層線棒與側邊鐵心之間有明顯的放電燒黑痕跡,故障點在線棒從下到上的約2/3處、距槽口2.5 cm處(面對定子左側),故障點絕緣已經燒穿約0.5 cm直至線棒導體。

3 結 語

通過對龍灘水電廠水輪發(fā)電機定子接地、轉子接地故障的查找實踐和工作中的思考,認為類似故障查的找工作一定要突破傳統(tǒng),采用新思路,創(chuàng)造條件,理論指導實際,在絕對保證發(fā)電機的安全情況下,探索出適合大型水輪發(fā)電機典型故障的安全、科學的查找處理辦法。

[1]王維儉. 發(fā)電機變壓器繼電保護應用[M]. 2版, 北京： 中國電力出版社, 2005．

[2]季一峰. 水電站電氣部分[M]. 2版, 北京： 中國水利水電出版社, 1987．

[3]王士政, 馮金光. 發(fā)電廠電氣部分[M]. 3版, 北京： 中國水利水電出版社, 2013．

(責任編輯 王 琪)

VF新型膨脹劑首次應用于300 m高水頭堵頭補償收縮混凝土

由中國水利水電第十二工程局有限公司開發(fā)的VF膨脹劑在高水頭堵頭補償收縮混凝土施工支洞中的應用通過了中國南方電網海南蓄能發(fā)電有限公司組織的專家評審。專家對高水頭VF膨脹劑及補償收縮混凝土研究的試驗成果表示認同，一致同意應用于海蓄堵頭補償收縮混凝土中。

根據(jù)瓊中抽水蓄能電站2號施工支洞堵頭段埋深約50 m，3號支洞堵頭埋深約210 m，4號施工支洞堵頭段埋深約455 m高水頭堵頭的要求，按照常規(guī)方法施工，一期混凝土和圍巖之間、一期混凝土和二期混凝土之間容易產生接縫漏水現(xiàn)象，因此需增加接縫灌漿工藝，至少延長施工工期60天，影響工程蓄水發(fā)電的關鍵結點工期。因此，采取行之有效的措施取消接縫灌漿工藝，確保蓄水發(fā)電工期的順利實現(xiàn)，并且達到消除由于堵頭混凝土體積收縮產生的一期混凝土和圍巖之間、一期混凝土和二期混凝土之間接觸縫隙漏水問題，提高堵頭的防滲、抗?jié)B能力顯得十分重要。水電十二局在VF防裂劑的基礎上經過半年多的試驗研究開發(fā)的新型VF膨脹劑，各項技術指標滿足強約束條件下混凝土力學性能和防滲、抗?jié)B等性能要求。

水電十二局開發(fā)的VF防裂劑已成功應用于全國40多座大、中型堆石壩混凝土面板，均取得了良好效果，特別是在國家重點工程珊溪水庫堆石壩面板混凝土中應用補償收縮防裂技術效果顯著。該項研究早在2000年就通過了浙江省科委組織的專家鑒定。該項技術達到國際先進水平，并多次獲獎。利用補償收縮混凝土技術不僅解決了混凝土面板裂縫的產生，還在洞室混凝土封堵的滲漏問題方面做了大量有效的試驗研究和探索工作，并成功地將研究成果應用到河南盤石頭水庫、浙江灘坑水電站等工程的導流洞混凝土封堵上，取得了良好的防滲堵漏效果。該項成果也為堵頭補償收縮混凝土在南方電網梅州、陽江抽水蓄能電站建設中的推廣應用奠定了良好基礎。

(王云志)

Grounding Fault Analysis and Field Search of Large Hydro-generator

ZHANG Qiang, ZOU Ke

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

The rotor grounding fault of large hydro-generator is alarmed in operation, but the alarm is disappeared after shutdown. The fault point of rotor grounding is difficult to find. The actual experience finds that the utilization of AC impedance method to detect rotor grounding fault is more accurate. The stator grounding fault is usually found by using large current burning method, but it may cause new damage to generator core. So a field fault search technology is explored to find the point of stator grounding fault through using self-made CT tool to measure stator bar current. This method can quickly and scientifically find the fault point of stator grounding in the case of ensuring the safety of generator．

hydro-generator; stator grounding; rotor grounding; fault analysis; field fault search; Longtan Hydropower Plant

2017- 02- 16

張強(1968—),男,湖南永州人,高級工程師,長期從事水電站施工與運行管理工作．

TM312(267)

B

0559- 9342(2017)04- 0019- 04