付海金

(廣州珠江電廠，廣東 廣州 511457)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障分析及防范措施

付海金

(廣州珠江電廠，廣東 廣州 511457)

介紹了某燃氣輪機發(fā)電廠發(fā)電機轉(zhuǎn)子動態(tài)接地故障的處理過程；根據(jù)發(fā)電機故障后的檢查情況及檢修中發(fā)現(xiàn)的異常情況，分析該故障的各種可能原因；并通過對影響轉(zhuǎn)子對地絕緣因素的分析，明確了引發(fā)此次故障的原因，提出了防范措施，以避免同類故障的發(fā)生。

燃氣輪機；發(fā)電機轉(zhuǎn)子；動態(tài)接地故障；防范措施

1 概述

2013-02-19T09:11，某燃氣輪機發(fā)電廠2號發(fā)電機，繼2012-11-20處理接地故障重新鑲嵌發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈，運行3個月后，再次出現(xiàn)接地故障。

該發(fā)電廠2號發(fā)電機總成及二端端蓋由哈爾濱電機有限公司制造，定子由日本東芝公司制造，轉(zhuǎn)子由韓國斗山公司制造。發(fā)電機型號為390H，額定容量468 MVA，額定功率397.8 MW，額定電壓19 kV，出廠編號290T694。2011-09-10和2012-07-13，先后2次出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子接地故障，2次都由哈爾濱電機有限公司技術(shù)人員對該轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地故障進行現(xiàn)場處理。2013-02-19，2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子再次發(fā)生接地故障，并于2013-03-02返回哈爾濱電機有限公司進行故障處理。

2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子運行中的絕緣狀況

2013-02-19T09:11，2號機組運行中報“發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場接地”警告和跳閘信號，機組解列，轉(zhuǎn)速維持在3 000 r/min。經(jīng)檢查，保護動作時在線測量轉(zhuǎn)子對地電阻值為83 Ω，接地點位置為0.556(正負極之間為0～1)。在對裝置復(fù)位后，裝置在線測量值為7 kΩ左右(測量過程中電阻值曾有波動)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min下拔掉轉(zhuǎn)子碳刷，用500 V兆歐表搖測發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路對地絕緣為0。停機過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 600 r/min左右時，對地絕緣電阻變?yōu)?80 kΩ，盤車狀態(tài)下對地絕緣電阻值為1.15 MΩ(上述數(shù)據(jù)均為在線測量值)；再次拔掉發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的碳刷，用500 V兆歐表測量轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻為156 MΩ。在將發(fā)電機重新啟動轉(zhuǎn)速增至3 000 r/min時，轉(zhuǎn)子接地情況又出現(xiàn)，盤車狀態(tài)轉(zhuǎn)子對地絕緣又恢復(fù)正常，顯示出典型的轉(zhuǎn)子動態(tài)接地現(xiàn)象。

3 故障檢查情況及檢修異常情況

3.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子抽出后現(xiàn)場檢查情況

3.1.1 轉(zhuǎn)子檢查

(1) 轉(zhuǎn)子外觀整體比較干凈，表面無異物、無油跡、無粉塵積聚。

(2) 目測檢查轉(zhuǎn)子護環(huán)內(nèi)無異物、無過熱變色，導(dǎo)線及絕緣件等無位移等異常。用內(nèi)窺鏡對轉(zhuǎn)子護環(huán)內(nèi)部進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異物或異常情況。

(3) 檢查引線小釘及集電環(huán)下絕緣筒，發(fā)現(xiàn)無異常。

(4) 檢查轉(zhuǎn)子本體表面、大齒表面、槽楔表面均正常。

(5) 逐一檢查轉(zhuǎn)子各通風(fēng)孔，發(fā)現(xiàn)3處通風(fēng)孔內(nèi)表面繞組存在黑色痕跡，且不易擦拭去除。黑色痕跡呈圓形，范圍較通風(fēng)孔略小，分別在內(nèi)環(huán)極4號線圈靠汽側(cè)5個孔、6號線圈靠勵側(cè)3個孔、7號線圈靠汽側(cè)4個孔附近。

(6) 抽出發(fā)電機轉(zhuǎn)子后，按電氣試驗方案進行轉(zhuǎn)子繞組的直阻、絕緣和交流阻抗試驗，均無異常。3.1.2 定子檢查

(1) 檢查大端蓋至內(nèi)護板之間腔體及氫冷器散熱片，干凈整齊、無異物。

(2) 檢查端部繞組表面及固定件，干凈整齊、無異物。

(3) 檢查定子膛內(nèi)鐵芯及槽楔表面，干凈整齊，通風(fēng)孔內(nèi)無異物。

(4) 檢查膛內(nèi)汽勵兩端端部殼體底部及頂部固定筋等位置，發(fā)現(xiàn)有少量細小的油漆漆皮、絕緣纖維及1個呈螺旋狀的機械加工的小鐵屑。

(5) 拆開發(fā)電機底部人孔門檢查發(fā)電機底部，發(fā)現(xiàn)有少量槽楔邊角碎末及油漆漆皮。

(6) 吊出發(fā)電機4組氫冷器，檢查確認氫冷器進風(fēng)面散熱片表面干凈、無雜物、無灰塵，進風(fēng)側(cè)風(fēng)道底部有少量楔邊角碎末及油漆漆皮。

3.1.3 發(fā)電機外部勵磁回路檢查

檢查發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和一、二次回路，均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.2 轉(zhuǎn)子返廠解體檢查情況

轉(zhuǎn)子返運至哈爾濱電機有限公司后，在靜態(tài)情況下對該轉(zhuǎn)子進行絕緣電阻試驗，其絕緣電阻測量值為3.87 GΩ。

(1) 退出槽楔，將轉(zhuǎn)子線圈全部吊出，取出槽襯及副槽蓋板，拆出導(dǎo)電桿、引線裝配螺釘(大釘)、集電環(huán)導(dǎo)電螺釘(小釘)，檢查確認無松動、過熱異?，F(xiàn)象；重點對槽內(nèi)、槽口位置進行仔細檢查，未發(fā)現(xiàn)槽絕緣破裂或金屬顆粒等異物。

(2) 抬出線圈檢查，發(fā)現(xiàn)線圈與槽襯有摩擦的痕跡，槽底有黃粉。

(3) 在退槽楔的過程中，少部分槽楔是通過反復(fù)敲打才取出的。取出槽楔后發(fā)現(xiàn)，在槽口處與槽楔接觸部位出現(xiàn)一些銀白色金屬刮蹭物。該轉(zhuǎn)子在2012年10月現(xiàn)場檢修、裝復(fù)轉(zhuǎn)子槽楔時，也同樣出現(xiàn)轉(zhuǎn)子槽楔需要修磨、敲打才能裝配的情況。

3.3 轉(zhuǎn)子檢修異常情況

從2012-07-13開始，2號發(fā)電機就出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子接地故障跳閘、轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣動態(tài)為0的情況。10月8日轉(zhuǎn)入搶修，檢修中對全部轉(zhuǎn)子線圈進行了全面清理，發(fā)現(xiàn)了2個異?，F(xiàn)象：

(1) 在熱套汽勵二端護環(huán)時，在溫度的作用下浸漬在絕緣瓦內(nèi)的絕緣膠漆被熔化、流出；

(2) 在對轉(zhuǎn)子進行交流耐壓試驗，當(dāng)電壓升至1 800 V時，絕緣被擊穿。經(jīng)重新拔出勵端護環(huán)檢查，發(fā)現(xiàn)外環(huán)極1號線圈左側(cè)(從勵端向汽端看)槽口的第1塊槽楔有放電現(xiàn)象，在2塊楔下2條墊條接縫之間發(fā)現(xiàn)有黑色物質(zhì)和焦煳味，阻尼條有很長的黑色膠體痕跡，經(jīng)清理后絕緣恢復(fù)正常。

4 影響轉(zhuǎn)子對地絕緣因素的分析

4.1 發(fā)電機腔內(nèi)異物

390H型燃氣輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻采用的是直接氫冷轉(zhuǎn)子槽底副槽通風(fēng)道冷卻系統(tǒng)。發(fā)電機定子膛內(nèi)冷卻氣流的主要流向是：轉(zhuǎn)子風(fēng)扇加壓→轉(zhuǎn)子端部線圈與轉(zhuǎn)軸之間的空隙→轉(zhuǎn)子槽底副槽通風(fēng)道→轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔→定子鐵芯通風(fēng)孔(定子線圈)→定子鐵芯與外殼之間的空腔→氫冷器進風(fēng)口→氫冷器出風(fēng)口→發(fā)電機端部空腔→轉(zhuǎn)子風(fēng)扇加壓，具體風(fēng)路如圖1所示。

圖1 燃氣輪發(fā)電機內(nèi)部冷卻風(fēng)路示意

發(fā)電機腔內(nèi)冷卻風(fēng)需通過氫冷器進行冷卻，但氫冷器的散熱片相當(dāng)密集，風(fēng)在整個氫冷器內(nèi)的通路曲折，任何異物要通過氫冷器散熱片都是非常困難的。這從氫冷器進風(fēng)口底部有少量異物，但其出風(fēng)口十分干凈，就可以說明。根據(jù)冷卻風(fēng)在發(fā)電機內(nèi)部的流向可知，由于氫冷器散熱片的過濾作用，在轉(zhuǎn)子線圈通風(fēng)孔以后，即定子鐵芯通風(fēng)孔(定子線圈)、定子鐵芯與外殼之間的空腔、氫冷器進風(fēng)口前通道內(nèi)的異物都無法進入轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)，所以這些部位內(nèi)的異物不會引起轉(zhuǎn)子線圈對地短路。

4.2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子槽底黃粉

該電廠2臺機組幾乎每日啟停1次。啟動時，發(fā)電機從零轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)。由于離心力的作用，線圈將向外產(chǎn)生彈性變形，線圈將與槽兩側(cè)的槽襯相互磨擦，造成槽襯磨損而產(chǎn)生黃粉。停機時，發(fā)電機從額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min降至零轉(zhuǎn)速，由于彈力的作用而使線圈恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程中也與槽兩側(cè)的槽襯相互磨擦，造成槽襯磨損而產(chǎn)生黃粉。另外，發(fā)電機在啟停過程中，由于溫度的變化，轉(zhuǎn)子線圈在槽內(nèi)由于熱脹冷縮造成線圈與楔下墊塊相互磨擦，楔下墊塊被磨損而產(chǎn)生黃粉。由于槽襯和楔下墊塊材料是環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板，其磨出粉末的主要成分是環(huán)氧樹脂，并有極少量的銅末及鐵末，總體來講是絕緣材料，一般情況下不會對轉(zhuǎn)子的對地絕緣產(chǎn)生影響，即不會引起轉(zhuǎn)子對地短路。

4.3 金屬刮蹭物

轉(zhuǎn)子槽楔的材質(zhì)為鋁，在與鐵質(zhì)毛刺刮蹭過程中，會被刮蹭出鋁質(zhì)碎渣。這些碎渣會粘附在鐵質(zhì)金屬上，而不會掉入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，即使刮蹭出少量鋁質(zhì)粉屑，由于量微，這些鋁質(zhì)碎渣尚構(gòu)不成轉(zhuǎn)子線圈對地的通路。同時由于槽楔位于轉(zhuǎn)子槽的最外部，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時這些鋁質(zhì)碎渣會被甩離轉(zhuǎn)子而最終進入定子外腔，且由于氫冷器散熱片的過濾作用難以再進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部。即使是有少量的鋁質(zhì)碎渣進入轉(zhuǎn)子，要么使轉(zhuǎn)子對地產(chǎn)生穩(wěn)定的接地現(xiàn)象；要么在發(fā)電機冷卻風(fēng)力、振動的作用下，可能會引發(fā)不穩(wěn)定接地現(xiàn)象，但不會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)的不穩(wěn)定的動態(tài)接地現(xiàn)象。

4.4 汽勵兩端部內(nèi)的雜物

發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部只有進入了導(dǎo)體異物才可能引起接地故障。根據(jù)對發(fā)電機內(nèi)部冷卻風(fēng)的分析可知，存留在發(fā)電機膛內(nèi)汽勵兩端部空腔內(nèi)的任何異物，在受到冷卻風(fēng)力和發(fā)電機運行振動的長期影響(鐵磁物質(zhì)還受到發(fā)電機端部漏磁的影響)下，很可能進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部而造成轉(zhuǎn)子接地短路故障。導(dǎo)體異物還可能進入轉(zhuǎn)子的端部及轉(zhuǎn)子槽部。

4.4.1 槽口處的異物影響分析

發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部槽口對地絕緣狀況如圖2所示。發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部拆除槽口塊及極心墊塊后槽口對地絕緣狀況如圖3所示。

圖2 槽口對地絕緣狀況

圖3 拆除槽口塊及極心墊塊后槽口對地絕緣狀況

在槽襯、槽下墊條、槽口塊及極心墊塊完好的情況下，由于槽口塊及極心墊塊的存在，槽口部位線圈對地短路是不可能的。但若槽襯及槽下墊條出現(xiàn)問題(如粘結(jié)不牢固等)，在運行中作軸向移動，就會在極心墊塊(或槽口塊)與線圈之間出現(xiàn)縫隙，當(dāng)槽襯及槽下墊條作軸向運動而退至與轉(zhuǎn)子鐵芯平齊之后，在導(dǎo)體異物進入這個縫隙而抵達槽口后，即會造成轉(zhuǎn)子線圈對地短路。

在發(fā)電機轉(zhuǎn)子返廠拔出護環(huán)后，并未發(fā)現(xiàn)槽襯及槽下墊條有位移現(xiàn)象，因此排除由此造成的發(fā)電機轉(zhuǎn)子對地故障。

4.4.2 護環(huán)底部的異物影響分析

發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部護環(huán)底部的線圈若要對轉(zhuǎn)軸形成短路，由于其間距離為5 cm左右，因此需要有一個長度大于5 cm的導(dǎo)體存在于護環(huán)底部空腔內(nèi)才有可能；但在轉(zhuǎn)子抽出后及線圈抬出后的檢查中并未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在此類導(dǎo)體異物。一般異物進入轉(zhuǎn)子端部護環(huán)底部之后，由于受風(fēng)力的作用，必將被風(fēng)吹入轉(zhuǎn)子槽部，即此種接地為不穩(wěn)定接地，這與此臺發(fā)電機接地故障時的現(xiàn)象不符。

4.4.3 通風(fēng)口的異物影響分析

發(fā)電機在正常運行中轉(zhuǎn)子槽部通風(fēng)口存在的異物通常受3種力的作用：第1種是徑向離心力，它隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低而減??；第2種是徑向向外的冷卻風(fēng)的吹力，它隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低而減??；第3種是對鐵磁導(dǎo)體異物的磁力，它使鐵磁導(dǎo)體異物附著在轉(zhuǎn)子通風(fēng)口處，并隨勵磁電流的減小而減小。發(fā)電機在正常運行過程中，轉(zhuǎn)子槽口的非鐵磁導(dǎo)體異物受到第1，2種力的作用，如果不被卡住將不可能永久停留在轉(zhuǎn)子槽口處，即此時異物造成轉(zhuǎn)子對地短路是瞬時的。若是鐵磁導(dǎo)體異物會受到上述3種力的共同作用，當(dāng)磁力的作用較大時，會使鐵磁導(dǎo)體異物附著在轉(zhuǎn)子通風(fēng)口處造成轉(zhuǎn)子接地；但在發(fā)電機跳機解列后，由于磁力消失，鐵磁導(dǎo)體異物也將被甩出，轉(zhuǎn)子對地絕緣將恢復(fù)，這與此臺發(fā)電機接地故障時的現(xiàn)象不符。如果導(dǎo)體異物在轉(zhuǎn)子槽口處被卡住，那么在轉(zhuǎn)子抽出后的檢查過程中將被找到，這與檢查結(jié)果不符。

4.5 絕緣膠漆熔化、流出后的影響分析

在拔/套轉(zhuǎn)子護環(huán)時，浸漬在絕緣瓦內(nèi)的膠漆會受到護環(huán)余熱的作用而熔化成液體。如果這些膠漆粘有灰塵或金屬顆粒流到了轉(zhuǎn)子線圈槽內(nèi)側(cè)2個槽襯之間的縫隙中，并隨著溫度的降低而凝固時，則會在2條槽襯之間的縫隙中形成絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，對轉(zhuǎn)子線圈的對地絕緣產(chǎn)生影響。其影響的程度取決于粘有灰塵或金屬顆粒的膠漆在接口處聚積的多少：如果聚積得足夠多，在對轉(zhuǎn)子進行絕緣電阻測試或耐壓測試時即可被發(fā)現(xiàn)；如果聚積得不多，則不容易被檢測發(fā)現(xiàn)。在運行中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈由于受到機組不斷啟停、溫度不斷升降的影響而在槽內(nèi)不斷伸縮，與槽襯發(fā)生磨擦，使槽襯不斷變薄，在接口處線圈對地絕緣距離不斷減小，最終被擊穿。但這種狀況下轉(zhuǎn)子對地絕緣的情況與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無關(guān)，即不會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速相關(guān)的動態(tài)接地現(xiàn)象。

當(dāng)粘有灰塵或金屬顆粒的膠漆流到了轉(zhuǎn)子線圈楔下2個墊條之間接口縫隙處，并隨著溫度的降低而凝固，在2條楔下墊條之間的縫隙中形成了絕緣的薄弱環(huán)節(jié)時，同樣會對轉(zhuǎn)子線圈對地絕緣產(chǎn)生影響。其影響的程度同樣取決于粘有灰塵或金屬顆粒的膠漆在接口處聚積的多少：當(dāng)聚積得足夠多時，在對轉(zhuǎn)子進行絕緣電阻測試或耐壓時即可被發(fā)現(xiàn)，如2012年10月轉(zhuǎn)子線圈檢修后在試驗中被擊穿的情況；如果聚積得不多，則不容易被檢測發(fā)現(xiàn)。使楔下墊條接口縫隙處對地絕緣距離減小的因素有2個：

(1) 運行溫度的變化，使得線圈與墊條產(chǎn)生磨擦而使墊條變??；

(2) 一方面，楔下墊條受到高速旋轉(zhuǎn)下的離心力作用，同時又受到槽楔的限制而被擠壓變薄；另一方面，楔下墊條受到線圈在高速旋轉(zhuǎn)下離心力的擠壓作用而變薄。當(dāng)運行中發(fā)電機轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時，由于墊條受到磨擦、擠壓而變薄到一定程度時，轉(zhuǎn)子線圈即會對地產(chǎn)生短路；而當(dāng)發(fā)電機停機后，楔下墊條受離心力的擠壓作用消失，在墊條彈力的作用下，墊條接口處縫隙的對地絕緣距離變長，線圈對地絕緣又恢復(fù)到一定的水平。此過程與該電廠2號發(fā)電機在運行中轉(zhuǎn)子對地故障現(xiàn)象十分相似。

5 最終原因分析

5.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障的原因

由于轉(zhuǎn)子接地呈現(xiàn)出典型的動態(tài)接地特點，給故障查找、確定故障點帶來很大困難。但綜合上述對該電廠2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地后的各項檢查情況及可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地的各種因素的分析結(jié)果，認為該燃氣電廠2號發(fā)電機在2013-02-19發(fā)生的轉(zhuǎn)子接地故障部位極有可能是轉(zhuǎn)子2根楔下墊條接縫處。

5.2 防范措施

根據(jù)上述分析，為了避免發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障的再次發(fā)生，首先應(yīng)考慮改善轉(zhuǎn)子護環(huán)絕緣瓦材料，即不能使用熔點低于套裝護環(huán)溫度的膠漆浸漬絕緣瓦；同時改善轉(zhuǎn)子線圈裝配環(huán)境、嚴格控制裝配工藝，做到以下幾點：

(1) 裝配環(huán)境嚴格封閉，地面清潔，周圍堆放的物件不留有粉塵；

(2) 線圈拆除后，對轉(zhuǎn)子各部位進行徹底清潔，下線前對周圍環(huán)境再次清理；

(3) 在物品搬入封閉區(qū)域前，徹底清潔；

(4) 封閉區(qū)域應(yīng)設(shè)置預(yù)進間，在此預(yù)進間內(nèi)，工作人員換上干凈、不會掉毛的連體服，穿戴專用工作鞋、工作帽及工作手套；

(5) 轉(zhuǎn)子線圈、絕緣件在裝復(fù)前仔細清潔，并且清潔1件裝復(fù)1件；

(6) 在對發(fā)電機轉(zhuǎn)子抬線圈的檢修中，增加對轉(zhuǎn)子槽楔進行修正的工序。由于轉(zhuǎn)子槽楔質(zhì)軟，在運行離心力的長期作用下，難免會產(chǎn)生變形，因此，在轉(zhuǎn)子下線前，增加對轉(zhuǎn)子槽楔進行修正的工序，而不是在下線完成后，在打槽楔受到阻力時再退出、修整。只有這樣，才能避免轉(zhuǎn)子鋁質(zhì)槽楔被刮蹭，防止蹭出的鋁質(zhì)影響發(fā)電機絕緣的現(xiàn)象發(fā)生。

在發(fā)電機檢修工作中，只有嚴格執(zhí)行上述工藝措施，加上其他已有的嚴格工藝控制，才能防止浸漬在絕緣瓦中的膠漆熔化以及流動過程中沾帶灰塵或金屬顆粒形成絕緣薄弱環(huán)節(jié)，防止同類發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障的發(fā)生。

2014-10-19；

2014-12-05。

付海金(1961-)，男，高級工程師，主要從事燃煤、燃氣輪機電廠電氣設(shè)備檢修的技術(shù)管理工作，email：jxgldqzygcs@gdpgc. com.cn。