戴申華

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，合肥 230601）

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障分析

戴申華

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，合肥 230601）

本文研究了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路不同部位一點(diǎn)接地時(shí)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電位的大小及波形，并給出了通過(guò)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電位的大小及波形確定接地點(diǎn)的方法。同時(shí)，采用研究得出的方法分析了一起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障，該發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)的轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電位與文中分析的完全一致。文章給出的分析方法對(duì)于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地的查找及故障定位具有重要的參考價(jià)值。

發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁回路；轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路是指勵(lì)磁系統(tǒng)的功率回路，對(duì)于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁回路包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路和勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)出線，而對(duì)于交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁回路包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路和勵(lì)磁機(jī)電樞繞組出線。正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路對(duì)地絕緣電阻應(yīng)大于500kΩ。勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地是指發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路、勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)出線或勵(lì)磁機(jī)電樞繞組出線等部位與地存在金屬性或較低阻抗的短路點(diǎn)。一般情況下，勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地允許機(jī)組短期運(yùn)行，但發(fā)生一點(diǎn)接地之后，如果發(fā)展成為兩點(diǎn)接地，將會(huì)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子及大軸造成很大損害[1]。

準(zhǔn)確檢測(cè)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地是一個(gè)較為復(fù)雜的課題，檢測(cè)原理有很多種，如迭加直流式、迭加交流式、乒乓式、惠靈頓電橋原理及轉(zhuǎn)子對(duì)地電壓直測(cè)式等[2]。目前，國(guó)內(nèi)用的比較多的有迭加交流式、乒乓式以及惠靈頓電橋原理，從運(yùn)行情況看，都曾出現(xiàn)過(guò)誤動(dòng)的問(wèn)題[3-4]，并且發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路有一部分是旋轉(zhuǎn)部件，當(dāng)發(fā)生非永久性接地時(shí)，故障排查十分困難。

針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，目前有較多的研究，大部分關(guān)注的是繼電保護(hù)動(dòng)作可靠性和靈敏性[5]，而對(duì)于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地之后電氣特性研究的較少。特別地，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路是勵(lì)磁回路的一部分，其電氣上直接連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作以后，其故障點(diǎn)不一定是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路，需要深入地研究及排查。

本文主要從勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地之后轉(zhuǎn)子對(duì)地電壓的變化來(lái)分析接地的可能位置，并結(jié)合實(shí)際案例來(lái)闡述故障分析過(guò)程。

1 勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地機(jī)理分析

在正常運(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路與地絕緣，如果用萬(wàn)用表測(cè)量，則顯示的是漂移電位。“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警信號(hào)發(fā)出之后，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)最常用的方法是采用萬(wàn)用表測(cè)量轉(zhuǎn)子正、負(fù)對(duì)地電壓。本章將分別分析轉(zhuǎn)子內(nèi)部接地和整流橋交流側(cè)接地時(shí)的整流橋正、負(fù)對(duì)地電壓，研究其規(guī)律。

1.1 轉(zhuǎn)子內(nèi)部接地

圖1是轉(zhuǎn)子內(nèi)部接地時(shí)等效電路圖。

圖1 轉(zhuǎn)子內(nèi)部接地時(shí)等效電路圖

圖1中，R1、R2分別為接地點(diǎn)至轉(zhuǎn)子正、負(fù)極之間的電阻值，R為轉(zhuǎn)子接地電阻值，設(shè)轉(zhuǎn)子電壓為U，正對(duì)地電壓為U+，負(fù)對(duì)地電壓為U-。由于轉(zhuǎn)子是一點(diǎn)接地，勵(lì)磁回路與地之間未形成回路，R上無(wú)電位差，則U+為轉(zhuǎn)子電流在R1上形成的電壓，U-為轉(zhuǎn)子電流在 R2上形成的電壓，U+和 U-滿足以下關(guān)系式

式中，U+和U-均為直流電壓表測(cè)量的電壓平均值。

1.2 整流橋交流側(cè)接地

當(dāng)整流橋交流側(cè)接地時(shí)，隨著二極管的換相，當(dāng)接地點(diǎn)附近陽(yáng)極二極管導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)子的正極電壓被強(qiáng)制拉到0，此時(shí)負(fù)極對(duì)地電壓為負(fù)的轉(zhuǎn)子電壓；當(dāng)接地點(diǎn)附近陰極二極管導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)子的負(fù)極電壓被強(qiáng)制拉到0，此時(shí)正極對(duì)地電壓為正的轉(zhuǎn)子電壓；當(dāng)接地點(diǎn)附近的兩個(gè)二極管均不導(dǎo)通時(shí)，正極或負(fù)極的對(duì)地電壓均為導(dǎo)通相對(duì)非導(dǎo)通相的線電壓。利用Matlab/Simulink搭建三相全控二極管整流仿真回路，模擬整流橋C相接地短路，分別錄取整流橋正對(duì)地電壓 U+、負(fù)對(duì)地電壓 U-及整流橋輸出直流電壓Uf形如圖2所示。

圖2 整流橋正、負(fù)對(duì)地仿真電壓波形

從圖2的仿真結(jié)果可見(jiàn)，整流橋的正負(fù)對(duì)地電壓呈現(xiàn)直流脈動(dòng)波的形式，正對(duì)地全部大于 0，負(fù)對(duì)地全部小于 0，且正對(duì)地電壓與負(fù)對(duì)地電壓之間的電壓差值正好與整流橋的直流電壓相等。由于測(cè)量的時(shí)候受現(xiàn)場(chǎng)條件所限，采用的往往是萬(wàn)用表的直流電壓檔位，而萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓不能顯示電壓的波形和瞬時(shí)值，只能顯示電壓的平均值。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)整流橋交流側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，整流橋直流側(cè)正對(duì)地電壓和負(fù)對(duì)地電壓平均值具備幅值相等、相位相反的特點(diǎn)。

2 案例分析

某電廠汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中發(fā)出“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警。報(bào)警發(fā)生之后，初步檢查發(fā)現(xiàn)該機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置報(bào)“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警，轉(zhuǎn)子正負(fù)極對(duì)地電壓分別為86V和-86V，機(jī)組3瓦在報(bào)警同時(shí)振動(dòng)有上升（33μm增加至 55μm），但在幾分鐘后振動(dòng)穩(wěn)定在39μm，初步判斷轉(zhuǎn)子存在一點(diǎn)接地問(wèn)題。

2.1 故障設(shè)備概況

該發(fā)電機(jī)為濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的60MW無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組，其勵(lì)磁機(jī)電樞繞組通過(guò)二極管整流橋全波整流為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路處于靜止?fàn)顟B(tài)，其勵(lì)磁電源由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可控硅的交流電源由廠用電提供。勵(lì)磁機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)二極管整流橋?yàn)槿嗳ㄕ?，每組5個(gè)整流二極管，二極管并聯(lián)阻容吸收回路。

圖 3為故障設(shè)備勵(lì)磁回路示意圖，其中每組 5個(gè)整流二極管簡(jiǎn)化為一個(gè)整流二極管，F(xiàn)1為阻容吸收回路交流側(cè)電纜，F(xiàn)2為轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)位置。

圖3 故障設(shè)備勵(lì)磁回路示意圖

2.2 故障概況

1）轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓檢查

發(fā)電機(jī)發(fā)“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警后，退出轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，利用萬(wàn)用表直流電壓檔位測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓，測(cè)量結(jié)果為轉(zhuǎn)子電壓為172V，轉(zhuǎn)子正對(duì)地86V，負(fù)對(duì)地為-86V，具備正、負(fù)對(duì)地電壓的幅值之和等于轉(zhuǎn)子電壓值、而正負(fù)對(duì)地電壓的幅值相等的特點(diǎn)。

2）絕緣電阻檢查

從發(fā)生報(bào)警至停機(jī)的6h過(guò)程中，勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)報(bào)警信號(hào)發(fā)出，勵(lì)磁電壓電流穩(wěn)定，無(wú)異常。

由于“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警不能復(fù)歸，為避免發(fā)展為兩點(diǎn)接地導(dǎo)致更大的安全事故，機(jī)組解列，并采用 500V絕緣搖表分別測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣情況，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電機(jī)降速過(guò)程中轉(zhuǎn)子絕緣電阻測(cè)試

從轉(zhuǎn)子絕緣電阻測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻在增大，轉(zhuǎn)速 90r/min以下時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻迅速增大，在發(fā)電機(jī)盤車狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣合格。

2.3 原因分析

從勵(lì)磁回路絕緣測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)確實(shí)存在轉(zhuǎn)子接地，該接地是一個(gè)與轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)相關(guān)但不穩(wěn)定的接地類型，應(yīng)該是發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件發(fā)生了短路接地問(wèn)題，且由于接地不穩(wěn)定，故障排查比較復(fù)雜。

從轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓絕對(duì)值相同可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子如果內(nèi)部存在接地點(diǎn)，那接地點(diǎn)應(yīng)該在轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)位置對(duì)大軸短路，但該發(fā)電機(jī)在年前返廠維修之后各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果符合制造要求，才半年即發(fā)生轉(zhuǎn)子接地的可能性不大。

該發(fā)電機(jī)采用的是旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁，其勵(lì)磁機(jī)電樞、整流回路均處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，相對(duì)于轉(zhuǎn)子銅排，整流回路的部分輔助電纜相對(duì)較細(xì)，也有可能在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生接地故障。從本文 1.2節(jié)機(jī)理分析可見(jiàn)，整流橋交流側(cè)接地時(shí)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電壓幅值相等、相位相反，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果一致。

從上述分析可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)整流器交流側(cè)一點(diǎn)接地和轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)位置對(duì)大軸短路均有可能，但由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部故障排查需要抽轉(zhuǎn)子檢修，耗時(shí)相對(duì)很長(zhǎng)。為盡快排除故障點(diǎn)，首先排查旋轉(zhuǎn)整流器交流側(cè)，經(jīng)過(guò)討論后，打開(kāi)勵(lì)磁機(jī)外殼（4W）檢查，圖4即為4W打開(kāi)后旋轉(zhuǎn)整流器附近的情形。

打開(kāi)4W之后，檢查旋轉(zhuǎn)整流器周邊回路，發(fā)現(xiàn)其阻容吸收回路的電纜有破損痕跡，部分電纜保護(hù)套已破壞嚴(yán)重，線心散亂，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電纜的線芯極易碰到大軸，如果阻容吸收回路靠交流側(cè)的電纜（圖3中的F1位置）發(fā)生接地，即相當(dāng)于整流器交流側(cè)接地。旋轉(zhuǎn)整流器連接線損壞情況如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)整流器連接線損壞情況

結(jié)合上述分析，旋轉(zhuǎn)整流器的阻容吸收回路電纜線芯在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與大軸接通是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警的直接原因。

3 結(jié)論

基于文中所述，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋交流側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地短路時(shí)繼電保護(hù)也會(huì)發(fā)“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警。通過(guò)文章的分析，無(wú)論是轉(zhuǎn)子還是整流橋交流側(cè)接地，其均表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地產(chǎn)生固定電位，轉(zhuǎn)子正負(fù)對(duì)地電位的大小可以作為勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地排查的重要輔助判據(jù)。

[1]龍明全,張艷.水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障的檢查與處理[J].水電站機(jī)電技術(shù),2005,28(2): 44-45.

[2]趙厚濱,薛伊琴.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的研究[J].電氣技術(shù),2008(1): 74-77.

[3]金少輝,楊雪花.水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)誤動(dòng)原因及處理[J].東北電力技術(shù),2006,27(3): 51-52.

[4]張建忠,張志猛,孫祎,等.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的查找和處理[J].大電機(jī)技術(shù),2014(7): 47-49.

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Research on One Point Grounding Fault of Generator Excitation Circuit

Dai Shenhua
(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute East Branch,Hefei 230601)

In this paper,the magnitude and the waveform of the positive and negative voltage to ground voltage in different parts of the generator excitation circuit are studied,and the method of determining the location of the grounding voltage by the rotor to ground voltage is presented.At the same time,the research method is used to analyze the rotor grounding fault of generator,and the positive and negative of the rotor of the generator is in complete agreement with the analysis in the paper.The analysis method presented in this paper has important reference value for finding fault location and fault location in the field of generator excitation circuit.

generator; excitation circuit; one point grounding fault

戴申華（1984-），男，安徽池州人，本科，工程師，長(zhǎng)期從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)及理論研究工作。