劉財碧

(四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638000)

0 引言

目前，國內(nèi)600 MW機(jī)組已是電網(wǎng)主力機(jī)組，它的穩(wěn)定運(yùn)行對電網(wǎng)安全意義重大。對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間故障而言，其相應(yīng)成熟的故障分析數(shù)學(xué)模型較少，故障分析判斷方法介紹也較少。國產(chǎn)600 MW發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子因設(shè)計等原因，其轉(zhuǎn)子橫向及縱向墊塊在機(jī)組啟、停等狀態(tài)會受到不同交變應(yīng)力的沖擊，可能會出現(xiàn)松脫現(xiàn)象并摩擦絕緣瓦，引起絕緣瓦損壞，進(jìn)而引起繞組匝間經(jīng)護(hù)環(huán)形成短路，燒傷護(hù)環(huán)并形成轉(zhuǎn)子接地，造成發(fā)電機(jī)組重大設(shè)備損壞。若能及時發(fā)現(xiàn)異常并分析、判斷故障的原因和性質(zhì)，及時停機(jī)處理，可以避免事故擴(kuò)大，確保設(shè)備安全。

1 600 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

1.1 600 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)基本原理

疊加直流式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的原理:在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的一極(正極或負(fù)極)與大軸之間加1個直流電壓，通過計算直流電壓輸出電流來測量轉(zhuǎn)子繞組或勵磁回路的對地絕緣，其基本原理如圖1所示。

在正常運(yùn)行時，電子開關(guān)S不斷地打開、閉合，當(dāng)S打開時測量電流IK，當(dāng)S閉合時測量電流IB。根據(jù)IK及IB的值來計算轉(zhuǎn)子繞組對地電阻。在正常工況下，轉(zhuǎn)子繞組不接地，被測量回路開路，IK=IB≈0，計算出的接地電阻非常大;當(dāng)轉(zhuǎn)子某一部位發(fā)生接地時，設(shè)接地電阻為Rg，接地點(diǎn)距轉(zhuǎn)子負(fù)極的電氣位置為α，轉(zhuǎn)子電壓為Uf，此時測量元件的測量電流值為

圖1 疊加直流式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理圖

在式(1)和式(2)中，有2個未知數(shù)Rg及αUf。聯(lián)立解上述方程組，根據(jù)已知的 IK，IB，R1，R2可解出接地電阻Rg及αUf。當(dāng)計算值Rg≤Rop(動作定值)時，保護(hù)動作。

1.2 600 MW發(fā)電機(jī)的相關(guān)說明

四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司三期2×600 MW(#61，#62)機(jī)組分別于2006年12月16日和2007年6月30日投入商業(yè)運(yùn)行，配套東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的QFSN－600－2－22C型發(fā)電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是美國GE公司生產(chǎn)的EX2100TM勵磁系統(tǒng)，采用勵磁系統(tǒng)注入式疊加直流電壓轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，通過勵磁系統(tǒng)接地檢測模塊向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子注入50 V的直流電壓，實時檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對地電阻值，當(dāng)其阻值小于10 kΩ時，延時20 s發(fā)“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地報警”信號，當(dāng)其阻值小于4 kΩ時，延時20 s機(jī)組跳閘。

2 600 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的判斷依據(jù)

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在運(yùn)行中依據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)電動勢E和轉(zhuǎn)子勵磁電流If的函數(shù)關(guān)系來推斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是否有匝間短路。

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(輕微)匝間短路判據(jù)的意義

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路現(xiàn)象通常并不明顯，尤其是對于轉(zhuǎn)子磁極南北極級間對稱輕微匝間短路更不易發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，故障發(fā)展為多級轉(zhuǎn)子繞組匝間短路及轉(zhuǎn)子接地，將會造成惡性事故，后果十分嚴(yán)重。

目前，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路的判斷方法有回復(fù)波檢測法、開口變壓器法、微分線圈動測法、直流電阻法、交流阻抗和功率損耗法、空載及短路特性試驗法、利用無功和轉(zhuǎn)子電流關(guān)系判斷的在線診斷法等。若采用上述方法，要么需要安裝昂貴的設(shè)備，要么對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極南北極級間對稱輕微匝間短路根本判斷不出來。利用運(yùn)行中發(fā)電機(jī)內(nèi)電動勢和轉(zhuǎn)子勵磁電流關(guān)系作為判斷依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場測點(diǎn)獨(dú)立安裝位置排除測點(diǎn)異常可能性，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路故障，為防止故障擴(kuò)大和及時檢修提供可靠依據(jù)。

2.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(輕微)匝間短路判據(jù)判別方法

如果發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路，尤其是只有2匝短路，在相同工況下，勵磁電流會上升，但現(xiàn)場判斷的難點(diǎn)在于“相同工況”指哪些參數(shù)不變?一般指發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、有功功率、無功功率、發(fā)電機(jī)定子電流等，但由于發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)并列運(yùn)行，受電網(wǎng)影響，真正“相同工況”其實很難找到，如何區(qū)別是轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路還是電力系統(tǒng)引起的勵磁電流變化十分關(guān)鍵。

2.2.1 主判據(jù):勢流比

勢流比是發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的特征量，反映了發(fā)電機(jī)內(nèi)電動勢和轉(zhuǎn)子勵磁電流函數(shù)關(guān)系特點(diǎn)和發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，運(yùn)行中發(fā)電機(jī)內(nèi)電動勢E和轉(zhuǎn)子勵磁電流If呈函數(shù)關(guān)系

每個特定結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的上述關(guān)系是一定的，考慮剩磁影響，在坐標(biāo)系中為一磁滯帶，忽略剩磁為一曲線，該函數(shù)是發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，其特點(diǎn)和發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)吻合，現(xiàn)場可用多種近似方法歸納得到該函數(shù)，對該函數(shù)特性分析可以得到勵磁電流If的真實變化情況。

在非深度飽和情況下，內(nèi)電動勢E和轉(zhuǎn)子勵磁電流If近似成正比例關(guān)系

式中:K為比例系數(shù)，此處稱為勢流比系數(shù)。勢流比系數(shù)K即是發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的特征量，K=E/If，當(dāng)K減小時，說明E/If減小，由于內(nèi)電動勢E只依賴于勵磁電流If，和電網(wǎng)運(yùn)行無關(guān)，在勵磁回路正常情況下，K的變小是勵磁電流If增大引起的，設(shè)正?；鶞?zhǔn)勢流比系數(shù)為K1，采集勢流比系數(shù)為K2，合格百分比為a%，可得如下判據(jù)

j＜a%，正常;j≥a%，異常，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路，a%可取7% ～10%。

2.2.2 運(yùn)行中汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)電動勢E的求取

圖2為汽輪同步發(fā)電機(jī)P－Q圖。

圖2 汽輪同步發(fā)電機(jī)的P－Q圖

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓U、定子電流In、有功功率P、無功功率Q、轉(zhuǎn)子勵磁電流If可通過運(yùn)行參數(shù)獲得，同步縱軸電抗Xd可由發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)同步縱軸電抗標(biāo)幺值X*d、發(fā)電機(jī)額定電壓Ue、額定視在功率Se算得有效值

圖2中直線U和直線InXd夾角為v，當(dāng)發(fā)電機(jī)遲相時，v=90°+φ(φ為發(fā)電機(jī)功率因數(shù)角);當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)相時 v=90°－φ，設(shè)發(fā)電機(jī)進(jìn)遲相因子 b(b=Q/，b= ±1，+1為遲相，－1為進(jìn)相)，則cosv=bsinφ=b Q/在汽輪發(fā)電機(jī)P－Q圖中，根據(jù)三角形余弦定理可得

3 #62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路及轉(zhuǎn)子接地故障分析及處理過程

3.1 #62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路及轉(zhuǎn)子接地故障發(fā)生經(jīng)過

2010－09－21 T 09:20，#62機(jī)組因鍋爐煤質(zhì)原因引起鍋爐主燃料跳閘MFT(Main Fuel Trip)，機(jī)組跳閘。10:15，機(jī)組恢復(fù)沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，10:20:13，投入勵磁開始升壓，10:20:28，發(fā)電機(jī)出口電壓升至21.93 kV，轉(zhuǎn)子電壓為148 V，轉(zhuǎn)子電流為1873 A，參數(shù)正常，準(zhǔn)備并網(wǎng)。

10:21:18，#62發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)跳閘，檢查集控室ECS報警“勵磁系統(tǒng)綜合故障”及光字牌報警“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地”，維修部電氣隊立即對#62發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子碳刷、滑環(huán)、大軸轉(zhuǎn)子接地電刷進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)大軸轉(zhuǎn)子滑環(huán)無積灰，碳刷有少量積粉，隨后進(jìn)行了清掃，接地碳刷存在油污，進(jìn)行了清洗。

維修部在檢查發(fā)電機(jī)的同時，對GE公司勵磁系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)檢查，通過外接電腦顯示勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地裝置無接地檢測注入電壓。因此，將#61機(jī)組備用的相應(yīng)板件換至#62機(jī)組，更換后發(fā)現(xiàn)接地檢測裝置的M2通道恢復(fù)正常，M1通道仍然有報警。通過綜合分析，協(xié)商決定對#62機(jī)組手動升壓檢查，手動零起升壓檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、空載電流、勵磁電流均正常。在此期間，連續(xù)測量轉(zhuǎn)子勵磁回路正對地、負(fù)對地電壓平衡。

通過上述檢查，筆者初步判斷:GE公司勵磁系統(tǒng)M1發(fā)出接地報警有誤，在制訂《#62機(jī)勵磁系統(tǒng)退出轉(zhuǎn)子接地保護(hù)下的反事故措施》后，退出#62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，13:18:00，#62發(fā)變組與系統(tǒng)并網(wǎng)成功。按照《#62機(jī)組勵磁系統(tǒng)退出轉(zhuǎn)子接地保護(hù)下的反事故措施》的要求，維修部每隔2 h定期測量轉(zhuǎn)子勵磁回路正對地、負(fù)對地電壓數(shù)據(jù)平衡，期間發(fā)電機(jī)氫氣濕度和純度均在合格范圍內(nèi)(標(biāo)準(zhǔn)為濕度 ＜4 g/m3，純度 ＞96%)。

3.2 數(shù)據(jù)對比

發(fā)電機(jī)額定功率600MW，額定電壓22kV，額定勵磁電壓400 V。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勢流比下降，隨后轉(zhuǎn)子接地報警。對發(fā)電機(jī)勢流比分析數(shù)據(jù)見表1。

從表1可看出(其中#61機(jī)組為與#62機(jī)組同類的600 MW發(fā)電機(jī))，#61發(fā)電機(jī)與#62發(fā)電機(jī)跳閘前，勢流比K1均為10.3左右，#62發(fā)電機(jī)跳閘后并網(wǎng)運(yùn)行勢流比K2降為8.9左右，根據(jù)判據(jù)式(5)［取 a%=10%］:j=(K1－ K2)/K1=(10.3 －8.9)/10.3=13.59%，j≥ a%，異常，可以判斷出#62發(fā)電機(jī)已發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路。

3.3 停機(jī)檢查經(jīng)過

2010－09－27 T 17:22，#62機(jī)組停機(jī)檢查轉(zhuǎn)子回路是否有金屬接地現(xiàn)象。維修部電氣隊先后檢查、核對了勵磁系統(tǒng)回路及參數(shù)，投入勵磁裝置的接地檢測器模塊，勵磁系統(tǒng)報“轉(zhuǎn)子接地”故障。在排除勵磁系統(tǒng)自身問題的前提下，進(jìn)一步檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一次回路時，發(fā)現(xiàn)取出轉(zhuǎn)子正、負(fù)極碳刷后，勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地報警消失。因而初步判斷轉(zhuǎn)子回路存在接地故障，這一現(xiàn)象同時排除了勵磁柜至碳刷這段回路有接地的可能性。單獨(dú)測試發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對地絕緣，結(jié)果為零。懷疑轉(zhuǎn)子存在接地故障后，電氣檢修人員拆除了600 MW發(fā)電機(jī)刷架，對集電環(huán)做了進(jìn)一步清潔。用絕緣電阻表及萬用表在轉(zhuǎn)子集電環(huán)處測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻均為零，進(jìn)一步檢測，發(fā)現(xiàn)正負(fù)極集電環(huán)絕緣良好，轉(zhuǎn)子線圈對地絕緣為零，由此判定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈存在接地故障。對轉(zhuǎn)子采取直流壓降法查找轉(zhuǎn)子接地部位，試驗方法如圖3所示。在轉(zhuǎn)子正負(fù)滑環(huán)上通入200～1 000 A電流，沿轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔或端部徑向方向測量對地電壓，對地電壓由正變?yōu)樨?fù)或者從負(fù)變?yōu)檎木€圈即為接地匝。試驗數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)轉(zhuǎn)子線圈結(jié)構(gòu)，會同廠家人員初步估算接地部位在轉(zhuǎn)子汽端端部，具體位置還不能確定。至此，發(fā)電機(jī)必須抽出轉(zhuǎn)子繼續(xù)檢查。

表1 #62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子異常前后及與同類發(fā)電機(jī)勢流比數(shù)據(jù)分析

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接地線匝查找加壓試驗接線

表2 試驗數(shù)據(jù)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出后，外觀檢查即發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子汽端鄰近護(hù)環(huán)處#24槽和#25槽的風(fēng)斗處有跑弧引起的焦黑印跡。隨后又采用在轉(zhuǎn)子正負(fù)滑環(huán)上通入200～1000 A電流的方法，沿轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔和端部徑向方向測量對地電壓，確定為轉(zhuǎn)子汽端護(hù)環(huán)內(nèi)#24槽和#25槽線匝接地。

經(jīng)拔出轉(zhuǎn)子汽端護(hù)環(huán)檢查，2個#8線圈處絕緣瓦燒穿了約50 mm×80 mm。護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)對應(yīng)部位有50 mm×80 mm核仁狀熔化附著物(最厚處約3 mm)。兩頂匝燒傷部位距槽口410～440 mm，燒焦銅線表面有黑麻點(diǎn)，2個頂匝極間絕緣墊塊已松動，實際故障照片如圖4所示。

圖4 #62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子汽端端部被損壞的線圈

對此次事故發(fā)生的原因進(jìn)行了分析，經(jīng)分析認(rèn)為，2個#8線圈極間墊塊在運(yùn)行中因溫度變化熱脹冷縮的交變應(yīng)力和轉(zhuǎn)動離心力影響而松動，上下移動撞擊絕緣瓦，直至磨穿，造成2個#8線圈頂匝與護(hù)環(huán)短路接地(拔出轉(zhuǎn)子汽端護(hù)環(huán)后，還發(fā)現(xiàn)了#1，#2線圈之間橫向間隔墊塊已掉落)。取出2個#8線圈的#24槽和#25槽間碳化墊塊并進(jìn)行了清掃吸塵后，測試轉(zhuǎn)子絕緣正常，轉(zhuǎn)子直流電阻及交流阻抗試驗合格。至此，確定轉(zhuǎn)子僅此一處故障，無需再拔勵端護(hù)環(huán)，也不用更換轉(zhuǎn)子線圈。

3.4 故障的處理

打磨處理2個#8線圈受損處面線，更換汽端線圈端部所有絕緣墊塊及支撐部件，對端部進(jìn)行整形后，暫時用絕緣瓦包住轉(zhuǎn)子端部線圈，轉(zhuǎn)子絕緣電阻和直流電阻測試合格，轉(zhuǎn)子交流阻抗及耐壓試驗合格。

打磨掉汽端護(hù)環(huán)燒傷部位焦熔后，發(fā)現(xiàn)該處已有裂紋，打磨掉裂紋后，打磨深度已達(dá)14.5 mm，打磨面積為100 mm×110 mm。該護(hù)環(huán)雖經(jīng)金相檢測合格，但與廠家專家共同分析后，確定該護(hù)環(huán)已不可使用，遂決定更換該護(hù)環(huán)。

回裝轉(zhuǎn)子汽側(cè)新護(hù)環(huán)后，再次測試轉(zhuǎn)子絕緣電阻和直流電阻，轉(zhuǎn)子交流阻抗及耐壓試驗均合格，轉(zhuǎn)子通風(fēng)試驗及氣密性試驗也合格。遂進(jìn)行轉(zhuǎn)子回穿等一系列發(fā)電機(jī)恢復(fù)工作及常規(guī)試驗。該工作完成后，測量了靜止和額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子交流阻抗合格后，進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載特性試驗，試驗結(jié)果正常。

3.5 #62機(jī)組檢修后投入運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司#62機(jī)組于同年11月7日經(jīng)檢修后重新并網(wǎng)運(yùn)行，記錄相關(guān)參數(shù)見表3。從表3可以看出，#62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢修后投入運(yùn)行，勢流比K變回10.3左右，證明轉(zhuǎn)子繞組匝間短路確已消除。

4 600 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路接地的運(yùn)行防范措施

(1)控制好發(fā)電機(jī)油氫壓差，防止發(fā)電機(jī)進(jìn)油，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)絕緣水平降低。

(2)保持發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度、純度、溫度以及定冷水溫度、導(dǎo)電度在合格范圍內(nèi)，以防止發(fā)電機(jī)絕緣水平降低。

(3)控制機(jī)組振動、偏心在合格范圍內(nèi)，以防止轉(zhuǎn)子動、靜摩擦。

表3 #62發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢修后數(shù)據(jù)分析

(4)有功負(fù)荷、無功負(fù)荷調(diào)整時應(yīng)緩慢平穩(wěn)，防止有功、無功負(fù)荷大幅波動引起轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流大幅波動造成轉(zhuǎn)子絕緣損壞和擊穿。

(5)監(jiān)視發(fā)電機(jī)各參數(shù)在合格范圍內(nèi)，特別是轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓，發(fā)現(xiàn)異常增大或減小時，應(yīng)立即通知檢修人員配合檢查處理。

(6)加強(qiáng)設(shè)備巡視檢查，若發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵磁碳刷積存碳粉、打火，接地碳刷臟污時，應(yīng)立即通知檢修人員吹掃、清潔和調(diào)整。

5 結(jié)束語

經(jīng)過以上的分析驗證，運(yùn)行人員可以根據(jù)600 MW發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)(發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓U、定子電流IN、勵磁電流If、有功功率P、無功功率Q、轉(zhuǎn)子勵磁電流If、同步縱軸電抗標(biāo)幺值X*d、發(fā)電機(jī)額定電壓Ue、額定視在功率Se等)計算出發(fā)電機(jī)的勢流比系數(shù)K，通過K的變化，由公式(5)來及時判斷出發(fā)電機(jī)是否已發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間短路，為防止事故擴(kuò)大、保證設(shè)備安全提供理論依據(jù)。

［1］李玉海.電力主設(shè)備繼電保護(hù)的理論實踐及運(yùn)行案例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［2］朱躍亮.水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣下降原因分析及處理［J］.華電技術(shù)，2010，32(10):37 －39.

［3］謝勇，馬晶晶.縱向零序電壓保護(hù)及其誤動原因簡析［J］.華電技術(shù)，2010，32(1):46 －48.