劉財(cái)碧
(四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司,四川 廣安 638000)
目前,國(guó)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(duì)電網(wǎng)安全意義重大。對(duì)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(guó)產(chǎn)600 MW發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子因設(shè)計(jì)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(huì)受到不同交變應(yīng)力的沖擊,可能會(huì)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(shí)發(fā)現(xiàn)異常并分析、判斷故障的原因和性質(zhì),及時(shí)停機(jī)處理,可以避免事故擴(kuò)大,確保設(shè)備安全。
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(gè)直流電壓,通過計(jì)算直流電壓輸出電流來測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路的對(duì)地絕緣,其基本原理如圖1所示。
在正常運(yùn)行時(shí),電子開關(guān)S不斷地打開、閉合,當(dāng)S打開時(shí)測(cè)量電流IK,當(dāng)S閉合時(shí)測(cè)量電流IB。根據(jù)IK及IB的值來計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電阻。在正常工況下,轉(zhuǎn)子繞組不接地,被測(cè)量回路開路,IK=IB≈0,計(jì)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(shí),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(shí)測(cè)量元件的測(cè)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(gè)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(jì)算值Rg≤Rop(動(dòng)作定值)時(shí),保護(hù)動(dòng)作。
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(lì)磁系統(tǒng)是美國(guó)GE公司生產(chǎn)的EX2100TM勵(lì)磁系統(tǒng),采用勵(lì)磁系統(tǒng)注入式疊加直流電壓轉(zhuǎn)子接地保護(hù),通過勵(lì)磁系統(tǒng)接地檢測(cè)模塊向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子注入50 V的直流電壓,實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)地電阻值,當(dāng)其阻值小于10 kΩ時(shí),延時(shí)20 s發(fā)“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地報(bào)警”信號(hào),當(dāng)其阻值小于4 kΩ時(shí),延時(shí)20 s機(jī)組跳閘。
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(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)子勵(lì)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。
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(duì)于轉(zhuǎn)子磁極南北極級(jí)間對(duì)稱輕微匝間短路更不易發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的推移,故障發(fā)展為多級(jí)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路及轉(zhuǎn)子接地,將會(huì)造成惡性事故,后果十分嚴(yán)重。
目前,對(duì)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(cè)法、開口變壓器法、微分線圈動(dòng)測(cè)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(yàn)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(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極南北極級(jí)間對(duì)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(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流關(guān)系作為判斷依據(jù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)獨(dú)立安裝位置排除測(cè)點(diǎn)異??赡苄裕M(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(shí)檢修提供可靠依據(jù)。
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(lì)磁電流會(huì)上升,但現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(lì)磁電流變化十分關(guān)鍵。
2.2.1 主判據(jù):勢(shì)流比
勢(shì)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(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子勵(lì)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(duì)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(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流If呈函數(shù)關(guān)系
每個(gè)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(chǎng)可用多種近似方法歸納得到該函數(shù),對(duì)該函數(shù)特性分析可以得到勵(lì)磁電流If的真實(shí)變化情況。
在非深度飽和情況下,內(nèi)電動(dòng)勢(shì)E和轉(zhuǎn)子勵(lì)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(shì)流比系數(shù)。勢(shì)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(shí),說明E/If減小,由于內(nèi)電動(dòng)勢(shì)E只依賴于勵(lì)磁電流If,和電網(wǎng)運(yùn)行無關(guān),在勵(lì)磁回路正常情況下,K的變小是勵(lì)磁電流If增大引起的,設(shè)正?;鶞?zhǔn)勢(shì)流比系數(shù)為K1,采集勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(lì)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(shí),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(shí) 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
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(lì)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(bào)警“勵(lì)磁系統(tǒng)綜合故障”及光字牌報(bào)警“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地”,維修部電氣隊(duì)立即對(duì)#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(shí),對(duì)GE公司勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)檢查,通過外接電腦顯示勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地裝置無接地檢測(cè)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(cè)裝置的M2通道恢復(fù)正常,M1通道仍然有報(bào)警。通過綜合分析,協(xié)商決定對(duì)#62機(jī)組手動(dòng)升壓檢查,手動(dòng)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(lì)磁電流均正常。在此期間,連續(xù)測(cè)量轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路正對(duì)地、負(fù)對(duì)地電壓平衡。
通過上述檢查,筆者初步判斷:GE公司勵(lì)磁系統(tǒng)M1發(fā)出接地報(bào)警有誤,在制訂《#62機(jī)勵(lì)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(lì)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(cè)量轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路正對(duì)地、負(fù)對(duì)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%)。
發(fā)電機(jī)額定功率600MW,額定電壓22kV,額定勵(lì)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(shì)流比下降,隨后轉(zhuǎn)子接地報(bào)警。對(duì)發(fā)電機(jī)勢(shì)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(shì)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(shì)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。
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(duì)先后檢查、核對(duì)了勵(lì)磁系統(tǒng)回路及參數(shù),投入勵(lì)磁裝置的接地檢測(cè)器模塊,勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)“轉(zhuǎn)子接地”故障。在排除勵(lì)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(shí),發(fā)現(xiàn)取出轉(zhuǎn)子正、負(fù)極碳刷后,勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地報(bào)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(shí)排除了勵(lì)磁柜至碳刷這段回路有接地的可能性。單獨(dú)測(cè)試發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)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(duì)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(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣電阻均為零,進(jìn)一步檢測(cè),發(fā)現(xiàn)正負(fù)極集電環(huán)絕緣良好,轉(zhuǎn)子線圈對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)子采取直流壓降法查找轉(zhuǎn)子接地部位,試驗(yàn)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(cè)量對(duì)地電壓,對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)見表2。
根據(jù)轉(zhuǎn)子線圈結(jié)構(gòu),會(huì)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(shì)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(yàn)接線
表2 試驗(yàn)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(cè)量對(duì)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(gè)#8線圈處絕緣瓦燒穿了約50 mm×80 mm。護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)對(duì)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(gè)頂匝極間絕緣墊塊已松動(dòng),實(shí)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(duì)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(gè)#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(dòng)離心力影響而松動(dòng),上下移動(dòng)撞擊絕緣瓦,直至磨穿,造成2個(gè)#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(gè)#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(cè)試轉(zhuǎn)子絕緣正常,轉(zhuǎn)子直流電阻及交流阻抗試驗(yàn)合格。至此,確定轉(zhuǎn)子僅此一處故障,無需再拔勵(lì)端護(hù)環(huán),也不用更換轉(zhuǎn)子線圈。
打磨處理2個(gè)#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(duì)端部進(jìn)行整形后,暫時(shí)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(cè)試合格,轉(zhuǎn)子交流阻抗及耐壓試驗(yàn)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(cè)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(cè)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(yàn)均合格,轉(zhuǎn)子通風(fēng)試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)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(yàn)。該工作完成后,測(cè)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(yàn),試驗(yàn)結(jié)果正常。
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(shì)流比K變回10.3左右,證明轉(zhuǎn)子繞組匝間短路確已消除。
(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(dòng)、偏心在合格范圍內(nèi),以防止轉(zhuǎn)子動(dòng)、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(shí)應(yīng)緩慢平穩(wěn),防止有功、無功負(fù)荷大幅波動(dòng)引起轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流大幅波動(dòng)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(shí),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(lì)磁碳刷積存碳粉、打火,接地碳刷臟污時(shí),應(yīng)立即通知檢修人員吹掃、清潔和調(diào)整。
經(jīng)過以上的分析驗(yàn)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(lì)磁電流If、有功功率P、無功功率Q、轉(zhuǎn)子勵(lì)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(jì)算出發(fā)電機(jī)的勢(shì)流比系數(shù)K,通過K的變化,由公式(5)來及時(shí)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)。
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