康逸群 宋夢(mèng)瓊 宋 楊

1 080MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路故障分析

康逸群1宋夢(mèng)瓊2宋 楊3

（1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，武漢 430077；2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司技術(shù)培訓(xùn)中心，武漢 430071；3. 湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，武漢 430077）

轉(zhuǎn)子接地短路故障是發(fā)電機(jī)常見故障之一，對(duì)設(shè)備本體以及電網(wǎng)安全造成嚴(yán)重威脅。本文以一臺(tái)1 080MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路故障為案例，詳述故障的過程、診斷及后續(xù)處理。通過現(xiàn)場(chǎng)檢查、交流阻抗試驗(yàn)、重復(fù)脈沖（RSO）試驗(yàn)和小電流開環(huán)試驗(yàn)等檢測(cè)方法確定短路點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子導(dǎo)電桿，并在故障部件解體后確定故障由導(dǎo)電桿內(nèi)部?jī)蓸O間短路造成。

轉(zhuǎn)子短路故障；RSO試驗(yàn)；勵(lì)磁系統(tǒng)；故障分析

0 引言

大容量發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子短路故障是汽輪發(fā)電機(jī)常見故障之一，故障較嚴(yán)重時(shí)，可能造成大軸磁化、設(shè)備燒損等情 況[1-4]。發(fā)生短路故障的原因主要有兩點(diǎn)：①由于運(yùn)行過程中的機(jī)械力、電磁力導(dǎo)致絕緣變形或局部損壞；②由于制造工藝不足造成的絕緣損壞。查找轉(zhuǎn)子接地故障常用的檢測(cè)方法有交流阻抗與功率損耗試驗(yàn)、重復(fù)脈沖（recurrent surge oscillograph, RSO）試驗(yàn)、繞組電壓試驗(yàn)和極電壓平衡試驗(yàn)等[5-6]。

本文以某電廠1 080MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路故障為例，論述采用相關(guān)試驗(yàn)等方法進(jìn)行故障診斷和分析的過程；并對(duì)比故障前后的試驗(yàn)結(jié)果，說明試驗(yàn)分析與故障判定結(jié)果正確，確保缺陷消除后發(fā)電機(jī)狀態(tài)正常。

1 轉(zhuǎn)子接地故障過程與記錄

某廠一臺(tái)1 080MW汽輪發(fā)電機(jī)組在168h試運(yùn)期間發(fā)生滅磁開關(guān)跳閘動(dòng)作致使機(jī)組解列，隨即針對(duì)故障開展診斷分析工作。發(fā)電機(jī)額定參數(shù)、故障前運(yùn)行參數(shù)見表1。

1.1 發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作記錄

檢查發(fā)變組保護(hù)裝置，相關(guān)電氣保護(hù)動(dòng)作過程見表2。

其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)由勵(lì)磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置提供，轉(zhuǎn)子接地Ⅰ段定值10kW動(dòng)作于報(bào)警，Ⅱ段定值5kW動(dòng)作于跳閘；勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘設(shè)有0.5s延時(shí)動(dòng)作，轉(zhuǎn)子接地Ⅱ段跳閘設(shè)有5s延時(shí)動(dòng)作。

表1 發(fā)電機(jī)額定及故障前運(yùn)行參數(shù)

表2 發(fā)變組保護(hù)裝置動(dòng)作記錄

1.2 故障錄波波形記錄

查看故障錄波裝置，在滅磁開關(guān)跳閘前，發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常，機(jī)端電壓、電流無異常，如圖1所示。

而在滅磁開關(guān)跳閘前，勵(lì)磁電流和勵(lì)磁變高壓側(cè)電流明顯上升，勵(lì)磁電壓小幅下降情況，如圖2所示。

保護(hù)動(dòng)作、開關(guān)變位的時(shí)間及順序記錄如圖3所示，其結(jié)果與發(fā)變組保護(hù)裝置事件記錄相符。其中，“轉(zhuǎn)子接地保護(hù)跳閘（A屏）”“轉(zhuǎn)子接地接地保護(hù)跳閘（B屏）”未保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，延時(shí)（定值5s）動(dòng)作未計(jì)入。

1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)記錄

為準(zhǔn)確分析故障時(shí)刻工況，查看勵(lì)磁系統(tǒng)故障波形，如圖4所示。

圖1 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流波形記錄

圖2 勵(lì)磁電壓、電流波形記錄

圖3 保護(hù)動(dòng)作及開關(guān)變位記錄

圖4 勵(lì)磁系統(tǒng)故障波形記錄

勵(lì)磁系統(tǒng)中、基準(zhǔn)值為1 200MV·A；發(fā)電機(jī)電壓g基準(zhǔn)值481V，電流g基準(zhǔn)值25 661A；勵(lì)磁電壓f基準(zhǔn)值481V，勵(lì)磁電流f基準(zhǔn)值5 327A。根據(jù)波形記錄可知故障時(shí)刻f最高達(dá)到3.08倍基準(zhǔn)值，約為16 407A。

由以上各裝置的數(shù)據(jù)波形檢查可以判斷故障過程為：勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生勵(lì)磁過流，導(dǎo)致滅磁開關(guān)跳閘；勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘信號(hào)至發(fā)變組保護(hù)裝置，經(jīng)0.5s延時(shí)后保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)廠用電切換，發(fā)關(guān)主汽門信號(hào)；隨后ETS動(dòng)作，發(fā)熱工保護(hù)至發(fā)變組保護(hù)裝置，聯(lián)跳主變高壓側(cè)斷路器；熱工保護(hù)動(dòng)作后延時(shí)約15s保護(hù)裝置收到轉(zhuǎn)子接地保護(hù)跳閘信號(hào)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查與試驗(yàn)分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)初步檢查

發(fā)電機(jī)跳閘后，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置顯示接地Ⅱ段動(dòng)作、絕緣電阻1kW，且裝置不能復(fù)歸。斷開發(fā)電機(jī)大軸至轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置接線，拆除勵(lì)磁碳刷后，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置可復(fù)歸，此時(shí)顯示絕緣電阻2MW，說明轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置功能正常。

檢查發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各部件無明顯損壞痕跡，經(jīng)測(cè)量勵(lì)磁直流母排絕緣電阻為2MW，轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻0.1W，轉(zhuǎn)子繞組直流電阻0.029W（其出廠值為0.069W）。

為進(jìn)一步查找故障原因，采取試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.2 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)

測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗參數(shù)，并與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比變化趨勢(shì)，是判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在短路故障的常用方法。故障前后，發(fā)電機(jī)盤車工況的交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 故障前后轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的明顯差異，可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生短路故障。

2.3 轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)

RSO試驗(yàn)原理基于行波過程理論，在轉(zhuǎn)子繞組兩端同時(shí)注入脈沖波，通過分析注入點(diǎn)波形和特性波形判斷繞組是否存在故障。繞組在正常情況下由于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，當(dāng)兩端同時(shí)注入一致的脈沖波時(shí)，其特性波形應(yīng)為平直直線。當(dāng)繞組存在故障時(shí)，繞組阻抗分布變化將產(chǎn)生反射波，則兩端呈現(xiàn)不同的合成波，在特性波形上表現(xiàn)為突起的尖峰。特性波形尖峰的位置、幅值與故障程度、位置有關(guān)。故障后盤車工況的RSO試驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 故障后RSO試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)特性波形曲線存在明顯尖峰，同樣可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在短路故障。

2.4 勵(lì)磁小電流開環(huán)試驗(yàn)

為確定勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備完好、功能正常，測(cè)量勵(lì)磁系統(tǒng)交、直流側(cè)絕緣結(jié)果合格，并進(jìn)行小電流開環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 勵(lì)磁小電流開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以判斷勵(lì)磁系統(tǒng)功能正常。

綜合上述多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可以確定，此次勵(lì)磁系統(tǒng)過流引起的發(fā)電機(jī)解列事故，是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生接地短路故障造成。

3 故障原因分析

根據(jù)前文所述試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推斷故障可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組前端及引出線導(dǎo)電桿兩個(gè)部位。為確認(rèn)故障發(fā)生部位，脫開發(fā)電機(jī)側(cè)導(dǎo)電螺釘后，分別測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣電阻。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地絕緣電阻為93MW，導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣電阻為0.1W。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以基本排除轉(zhuǎn)子繞組短路情況，可進(jìn)一步確定故障點(diǎn)發(fā)生在導(dǎo)電桿處。

抽出導(dǎo)電桿后，發(fā)現(xiàn)靠發(fā)電機(jī)側(cè)表面存在明顯燒損痕跡，并且有一處碳化擊穿點(diǎn)，導(dǎo)電螺釘孔底部有金屬熔融物。將導(dǎo)電桿返廠解體檢查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)銅體局部燒損，合縫處絕緣隔板燒損、碳化；接地點(diǎn)熔融物沿導(dǎo)電桿合縫面軸向流動(dòng)，并沿寬度方向流動(dòng)至導(dǎo)電螺釘孔底面。

圖6 導(dǎo)電桿內(nèi)部損壞痕跡

由此確定引起接地故障的原因是，導(dǎo)電桿內(nèi)部?jī)蓸O間短路，產(chǎn)生高溫熔化局部導(dǎo)電桿并使導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣碳化損壞造成接地故障。根據(jù)返廠檢查結(jié)果判定此次故障由導(dǎo)電桿內(nèi)部絕緣損壞，導(dǎo)致兩極間短路，產(chǎn)生高溫熔化局部導(dǎo)電桿并使導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣損壞造成接地。

在完成導(dǎo)電桿修復(fù)安裝后，發(fā)電機(jī)在靜態(tài)工況下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢查以確保缺陷已消除。靜態(tài)工況轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明修復(fù)后交流阻抗參數(shù)無異常。

靜態(tài)工況轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出合成的特性波形曲線為一條平展直線，表明無阻抗突變點(diǎn)，轉(zhuǎn)子繞組無異常。

通過上述試驗(yàn)以及相關(guān)檢查工作可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)無異常，修復(fù)后短路故障已排除，可正常投運(yùn)。

表5 修復(fù)后轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)結(jié)果

圖7 修復(fù)后RSO試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了一臺(tái)1 080MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路故障的發(fā)展、診斷及處理過程。通過多項(xiàng)試驗(yàn)分析確定該故障由導(dǎo)電桿內(nèi)兩極間短路造成，但由于故障部位損壞嚴(yán)重，尚未確定極間短路原因。為避免同類故障的發(fā)生，提出幾點(diǎn)防范措施：

1）發(fā)電機(jī)在制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)時(shí)需進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量管控，以免在運(yùn)行前造成設(shè)備缺陷。

2）發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中需對(duì)相關(guān)參數(shù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)。

3）RSO試驗(yàn)在判定轉(zhuǎn)子狀態(tài)、故障定位等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以建立RSO試驗(yàn)數(shù)據(jù)檔案，并進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤。

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Analysis of internal short-circuit fault in rotor of 1 080MW turbine generator

KANG Yiqun1SONG Mengqiong2SONG Yang3

(1. State Grid Hubei Electric Science and Research Institute, Wuhan 430077；2. State Grid Hubei Technology Training Center, Wuhan 430071；3. Hubei Fangyuan Dongli Electric Power Science and Researche Limited Company, Wuhan 430077)

Rotor short-circuit fault is one of common fault of turbine generator, threating safety of equipment and power system. This paper takes rotor short-circuit fault of 1 080MW turbine generator as example, discussing the process, analysis, and treatmen of fault. Locating fault point at conductor pole in rotor by field examination, AC impedance test, RSO test, and excitation system test. Then determing the rotor grounding fault was caused by short circuit between positive and negative electrode in conductor pole after disintegrating faulty components.

rotor short-circuit fault; RSO; excitation system; fault analysis

2020-06-09

2020-07-30

康逸群（1990—），男，湖北省武漢市人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化工作。