張 強(qiáng),鄒 科

(龍灘水電開發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠,廣西天峨547300)

大型水輪發(fā)電機(jī)接地故障分析與現(xiàn)場查找探索

張 強(qiáng),鄒 科

(龍灘水電開發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠,廣西天峨547300)

大型水輪發(fā)電機(jī)在開機(jī)運(yùn)行中報(bào)轉(zhuǎn)子接地,停機(jī)故障消失,故障點(diǎn)查找困難,采用交流阻抗法排查轉(zhuǎn)子接地故障準(zhǔn)確性更高。定子接地故障通常采用大電流燃燒方式查找,這樣有可能會給發(fā)電機(jī)鐵心造成新的損壞,為此探索了一種現(xiàn)場故障查找技術(shù),通過自制CT工具測量定子線棒電流來確定接地故障點(diǎn)具體位置,這樣可在保證發(fā)電機(jī)安全的情況下,快速、科學(xué)地查找出接地故障點(diǎn)。

水輪發(fā)電機(jī)；定子接地；轉(zhuǎn)子接地；故障分析；現(xiàn)場故障查尋；龍灘水力發(fā)電廠

0 引 言

發(fā)電機(jī)定子接地故障和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障是發(fā)電機(jī)最典型的兩個(gè)故障。在生產(chǎn)現(xiàn)場能夠安全、快速、正確查找到故障點(diǎn),是成功處理故障最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。大型水輪發(fā)電機(jī)由于其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,發(fā)電機(jī)定子接地故障和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的現(xiàn)場查找較其他發(fā)電機(jī)的困難要大很多,采用類似于體積較小的火電機(jī)組發(fā)電機(jī)用眼睛看、鼻子聞的直觀檢查方式,查找到故障點(diǎn)非常困難。

1 轉(zhuǎn)子接地故障的分析與查找

查找普通轉(zhuǎn)子接地故障較為簡單。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地,在機(jī)組停機(jī)后接地故障依然存在,用1 000 V搖表加壓,配合觀察放電,可以較容易地找到接地點(diǎn)；也可以測量轉(zhuǎn)子滑環(huán)處對地阻抗并結(jié)合每個(gè)磁極阻抗,比較容易查找出接地點(diǎn)故障點(diǎn)。

大型水輪發(fā)電機(jī)在開機(jī)運(yùn)行中報(bào)轉(zhuǎn)子接地,停機(jī)后故障即消失。這種情況,在現(xiàn)場查找故障點(diǎn)較為困難。在機(jī)組停機(jī)后所有數(shù)據(jù)正常,故障現(xiàn)象消失,只有通過人工現(xiàn)場觀察發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體來發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。龍灘水電站水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子體積龐大(直徑14 932 mm,高2 900 mm)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、磁極對數(shù)多(28對),現(xiàn)場目視查找較為困難。如果沒有理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐,很難快速、準(zhǔn)確地找到故障。

龍灘水電站發(fā)電初期1號機(jī)、2號機(jī)反復(fù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地,時(shí)有時(shí)無、時(shí)好時(shí)壞,用了近兩個(gè)月時(shí)間多次查找才將故障查出。 機(jī)組制造廠家的發(fā)電機(jī)保護(hù)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)也有接地故障測距功能,原理為注入方波信號檢測,但1號機(jī)、2號機(jī)的接地點(diǎn)測距顯示各次變化很大,誤差大,數(shù)據(jù)基本不能使用,對故障點(diǎn)查找指導(dǎo)性不強(qiáng)。故,找到通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的好方法,對故障查找具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 交流阻抗法分析

采用直流電阻測量方法在實(shí)際工作中更為方便,但本次故障排查采用交流阻抗法,其原因是采用交流阻抗法受勵(lì)磁引線、碳刷的影響較小。表1是某777.8 MV·A、56個(gè)磁極的水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的主要測量數(shù)據(jù)。由表1可看出,各種工況下采用直流電阻法所測得的總電阻值很小,均為毫歐數(shù)量級,且勵(lì)磁引線、碳刷的電阻占比較大,影響故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位；同時(shí)也可看出若采用交流阻抗法,勵(lì)磁引線、碳刷的影響將減小很多,基本為0,總阻抗增大到90 Ω,總阻抗基本由56個(gè)磁極的阻抗組成,分辨率更高,準(zhǔn)確性更高,可以準(zhǔn)確定位故障磁極的位置。

表1 某777.8 MV·A、56個(gè)磁極的水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的主要測量數(shù)據(jù)

1.2 測量分析

對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在開機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中接地,停機(jī)故障消失的故障,開機(jī)過程中在碳刷處測得3個(gè)數(shù)據(jù)R、Ra、Rb。其中,R為轉(zhuǎn)子交流阻抗；Ra為開機(jī)測量的轉(zhuǎn)子正極對地阻抗；Rb為開機(jī)測量的轉(zhuǎn)子負(fù)極對地阻抗,見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地各部電阻分析

圖1中,R1為轉(zhuǎn)子接地處到轉(zhuǎn)子滑環(huán)正極阻抗；R2為轉(zhuǎn)子接地處到轉(zhuǎn)子滑環(huán)負(fù)極阻抗；R0為轉(zhuǎn)子接地電阻。其中,R=R1+R2；Ra=R1+R0；Rb=R2+R0。若測得R、Ra、Rb,則可計(jì)算出R0、R1、R2,即R0=(Ra+Rb-R)/2；R1=Ra-R0；R2=Rb-R0。

由表1可知,勵(lì)磁引線、碳刷交流阻抗基本為0,則R1值即是正極方向的磁極阻抗的和,R2值即是負(fù)極方向的磁極阻抗的和,總阻抗除以磁極數(shù)得到每個(gè)磁極阻抗。本文中每個(gè)磁極交流阻抗為1.6 Ω 左右,對照R1、R2值,容得查到找故障點(diǎn)在哪個(gè)磁極。若R1=0,R2=R,則接地點(diǎn)在勵(lì)磁引線正極部分；若R2=0,R1=R,則接地點(diǎn)在勵(lì)磁引線負(fù)極部分。

1.3 注意的問題

本測試需要注意的、也是容易被忽略的是必須通過隔離變壓器或開關(guān)電源獲得測試電源；否則400 V 系統(tǒng)的中性點(diǎn)“地”將和故障接地點(diǎn)形成回路,嚴(yán)重影響測量值,計(jì)算結(jié)果將出現(xiàn)比較大的誤差。

應(yīng)特別注意的是,R0實(shí)際為一個(gè)過渡電阻,這個(gè)電阻值不是定值。為了減少測量誤差,接線必須通過雙擲刀閘進(jìn)行正對地、負(fù)對地測量的倒換,倒換要盡量快,以減少接地點(diǎn)電阻隨時(shí)間產(chǎn)生的電阻值變化在正對地、負(fù)對地測量時(shí)出現(xiàn)電阻不一致現(xiàn)象。測量過程也可以通過多測量幾組數(shù)據(jù)取均值的方法減少誤差。

2 發(fā)電機(jī)定子接地分析與查找

發(fā)電機(jī)定子接地故障的查找,傳統(tǒng)方式一般是通入5 A左右電流讓線棒產(chǎn)生比發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間接地更強(qiáng)的燃燒,通過觀察電弧、煙霧,以判斷接地點(diǎn)；但有時(shí)也可能會發(fā)生在查找定子接地故障時(shí),定子鐵心鐵心被燒損,對發(fā)電機(jī)造成不必要的二次傷害。定子鐵心的修復(fù)、鐵心絕緣處理會造成拖延工期和相關(guān)的經(jīng)濟(jì)損失巨大。

大型水輪發(fā)電機(jī)由于體積龐大、鐵心結(jié)構(gòu)復(fù)雜,定子繞組接線復(fù)雜,發(fā)電機(jī)定子接地故障點(diǎn)安全、精確的查找非常困難?！栋l(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用》[1]等資料顯示,1 A電流為大型發(fā)電機(jī)定子接地的安全電流,當(dāng)發(fā)電機(jī)接地電流達(dá)到1 A時(shí),0 s立即跳閘,定子接地電流超過1 A后可能威脅到發(fā)電機(jī)鐵心的安全。

龍灘水電廠在查找5號發(fā)電機(jī)定子接地故障時(shí),將轉(zhuǎn)子的上、下旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板全部拆除,在轉(zhuǎn)子上、定子下布滿工作人員,觀察定子接地點(diǎn)的煙霧、電弧等異?，F(xiàn)象,仔細(xì)檢查定子端部、定子槽口部位,未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。所以,大型水輪發(fā)電機(jī)查找電流小于1 A時(shí),采用觀察發(fā)電機(jī)電弧、煙霧來查找故障點(diǎn)基本是不可行的。只有通過新的方法,在充分保證發(fā)電機(jī)安全的前提下(查找電流必須小于1 A)來查找故障點(diǎn)。

2.1 總體分析

如圖2所示,斷開發(fā)電機(jī)出口A、B、C三相出口軟連接、拉開中性點(diǎn)刀閘,將與發(fā)電機(jī)連接的勵(lì)磁變壓器、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器、封閉母線、接地變壓器隔離。檢查發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器、勵(lì)磁變壓器、封閉母線絕緣正常,再次測量發(fā)電機(jī)的絕緣,顯示絕緣電阻仍為0,則排除了電壓互感器、勵(lì)磁變壓器、封閉母線、接地變壓器引起故障的可能。從而可以判斷故障點(diǎn)在發(fā)電機(jī)本體上。先將發(fā)電機(jī)A相中性點(diǎn)2個(gè)軟連接斷引,用2 500 V兆歐表測得發(fā)電機(jī)A相絕緣電阻為0、發(fā)電機(jī)B、C相絕緣電阻為320 MΩ；則,可以確定故障點(diǎn)在A相定子。

圖2 龍灘700 MW發(fā)電機(jī)定子接線示意

2.2 確定接地故障分支

斷開A相前后端3個(gè)軟連接,將A相隔離(見圖3)。從A相發(fā)電機(jī)定子出口端施加電壓,中性點(diǎn)端懸空?；芈反?個(gè)300 Ω的滑線變阻器限流,再串入電壓、電流表觀察回路電壓、電流,測量1～8分支的中性點(diǎn)端電流。

圖3 發(fā)電機(jī)接地相各分支電流關(guān)系示意

從圖3可以看出,I0=I31+I32；I32=I1+I5+I7；則I1=I5=I7。2、4、6、8分支無電流回路構(gòu)成,各分支電流為0。即,在偶數(shù)分支與奇數(shù)分支中,哪個(gè)分支的中性點(diǎn)端電流為其他分支的和,則該分支接地。

實(shí)際測量中,將4個(gè)分瓣的電流互感器分別裝在第1分支的1、3、5、7支路上,在A相定子出口(首端)施加100 V左右的電壓,將總支路電流控制在0.5 A左右,測得第1支路電流為1.4×70 mA,第3支路電流為4.1×70 mA,第5支路電流為1.3×70 mA,第7支路電流為1.3×70 mA。很明顯,第3支路的電流約為第1、5、7支路的電流之和,可以肯定故障點(diǎn)就在第3支路內(nèi)。

2.3 自制工具

如何測量定子線棒電流是一個(gè)大問題,由于發(fā)電機(jī)線棒尺寸大,測量空間狹窄,現(xiàn)有的儀器均無法測量發(fā)電機(jī)線棒電流。龍灘電廠在查找中,利用廢舊定子鐵心矽鋼片,自制了一個(gè)開口CT。根據(jù)定子線棒現(xiàn)場安裝位置尺寸剪裁矽鋼片,各片應(yīng)平整、無毛刺,左右各一瓣,疊層26層,用塑料扎帶將自制鐵心綁扎緊固成型,盡量減少鐵心漏磁,用普通2.5 mm2導(dǎo)線繞二次線圈16匝,將二次線圈短接。配合保護(hù)專業(yè)用的毫安鉗形表,在一次側(cè)通入0.3 A電流時(shí),二次側(cè)可測量到10 mA左右電流,可滿足定性分析。通過自制“CT”測量線棒電流如圖4所示。

圖4 自制“CT”在定子線棒上的測量

2.4 接地故障線棒的最后確定

本例發(fā)電機(jī)定子繞組共624槽,每槽分布上層和下層共兩根線棒,總共1 248根線棒。定子繞組分A、B、C三相,每相為8個(gè)分支,則每個(gè)分支為(1 248/3)/8=52根線棒。以圖5的10根線棒為例進(jìn)行分析,1號線棒上端接試驗(yàn)電源,10號線棒上端懸空。接地分為上端部接地a,下端部接地b, 線棒接地c三種情況。

圖5 發(fā)電機(jī)接地分支各線棒電流分析示意

在一次側(cè)通入0.3 A電流,如果c點(diǎn)接地,則1號～7號線棒的上下部位有10 mA左右電流,8號線棒的下部有10 mA左右電流,8號線棒上部無電流,9號、10號線棒無電流；如果a點(diǎn)接地,則1號～8號線棒的上下部位有10 mA左右電流,9號、10號線棒無電流,即8號、9號線棒的連接的上端部處接地；如果b點(diǎn)接地,則1號～7號線棒的上下部位有10 mA 左右電流,8號、9號、10號線棒上下部位無電流,即7號、8號線棒的連接的下端部處接地。實(shí)際操作采用8421法,首先1/2處(5號線棒)下部測量是否有電流,如無,則接地點(diǎn)在1號～5號線棒內(nèi),如有,則接地點(diǎn)在6號～10號線棒間,再在有電流段1/2處測量,以此類推最后確認(rèn)接地故障點(diǎn)。

本例在348號槽上層線棒下部測得電流為8.7 mA,而上部流出電流為0,348號槽上層線棒上部后的線棒至中性點(diǎn)(尾端)的所有線棒電流均為0,348

號槽上層線棒下部以前至出口(首端)的所有線棒電流均為8.7～10 mA左右,經(jīng)過反復(fù)的核實(shí),最后確定故障點(diǎn)就在A相第3支路的348號槽的上層線棒。

拔出348號槽正對的44號和45號磁極,對槽內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的檢查,發(fā)現(xiàn)在348號槽的中部,上層線棒與側(cè)邊鐵心之間有明顯的放電燒黑痕跡,故障點(diǎn)在線棒從下到上的約2/3處、距槽口2.5 cm處(面對定子左側(cè)),故障點(diǎn)絕緣已經(jīng)燒穿約0.5 cm直至線棒導(dǎo)體。

3 結(jié) 語

通過對龍灘水電廠水輪發(fā)電機(jī)定子接地、轉(zhuǎn)子接地故障的查找實(shí)踐和工作中的思考,認(rèn)為類似故障查的找工作一定要突破傳統(tǒng),采用新思路,創(chuàng)造條件,理論指導(dǎo)實(shí)際,在絕對保證發(fā)電機(jī)的安全情況下,探索出適合大型水輪發(fā)電機(jī)典型故障的安全、科學(xué)的查找處理辦法。

[1]王維儉. 發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用[M]. 2版, 北京： 中國電力出版社, 2005．

[2]季一峰. 水電站電氣部分[M]. 2版, 北京： 中國水利水電出版社, 1987．

[3]王士政, 馮金光. 發(fā)電廠電氣部分[M]. 3版, 北京： 中國水利水電出版社, 2013．

(責(zé)任編輯 王 琪)

VF新型膨脹劑首次應(yīng)用于300 m高水頭堵頭補(bǔ)償收縮混凝土

由中國水利水電第十二工程局有限公司開發(fā)的VF膨脹劑在高水頭堵頭補(bǔ)償收縮混凝土施工支洞中的應(yīng)用通過了中國南方電網(wǎng)海南蓄能發(fā)電有限公司組織的專家評審。專家對高水頭VF膨脹劑及補(bǔ)償收縮混凝土研究的試驗(yàn)成果表示認(rèn)同，一致同意應(yīng)用于海蓄堵頭補(bǔ)償收縮混凝土中。

根據(jù)瓊中抽水蓄能電站2號施工支洞堵頭段埋深約50 m，3號支洞堵頭埋深約210 m，4號施工支洞堵頭段埋深約455 m高水頭堵頭的要求，按照常規(guī)方法施工，一期混凝土和圍巖之間、一期混凝土和二期混凝土之間容易產(chǎn)生接縫漏水現(xiàn)象，因此需增加接縫灌漿工藝，至少延長施工工期60天，影響工程蓄水發(fā)電的關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)工期。因此，采取行之有效的措施取消接縫灌漿工藝，確保蓄水發(fā)電工期的順利實(shí)現(xiàn)，并且達(dá)到消除由于堵頭混凝土體積收縮產(chǎn)生的一期混凝土和圍巖之間、一期混凝土和二期混凝土之間接觸縫隙漏水問題，提高堵頭的防滲、抗?jié)B能力顯得十分重要。水電十二局在VF防裂劑的基礎(chǔ)上經(jīng)過半年多的試驗(yàn)研究開發(fā)的新型VF膨脹劑，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足強(qiáng)約束條件下混凝土力學(xué)性能和防滲、抗?jié)B等性能要求。

水電十二局開發(fā)的VF防裂劑已成功應(yīng)用于全國40多座大、中型堆石壩混凝土面板，均取得了良好效果，特別是在國家重點(diǎn)工程珊溪水庫堆石壩面板混凝土中應(yīng)用補(bǔ)償收縮防裂技術(shù)效果顯著。該項(xiàng)研究早在2000年就通過了浙江省科委組織的專家鑒定。該項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并多次獲獎(jiǎng)。利用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)不僅解決了混凝土面板裂縫的產(chǎn)生，還在洞室混凝土封堵的滲漏問題方面做了大量有效的試驗(yàn)研究和探索工作，并成功地將研究成果應(yīng)用到河南盤石頭水庫、浙江灘坑水電站等工程的導(dǎo)流洞混凝土封堵上，取得了良好的防滲堵漏效果。該項(xiàng)成果也為堵頭補(bǔ)償收縮混凝土在南方電網(wǎng)梅州、陽江抽水蓄能電站建設(shè)中的推廣應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

(王云志)

Grounding Fault Analysis and Field Search of Large Hydro-generator

ZHANG Qiang, ZOU Ke

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

The rotor grounding fault of large hydro-generator is alarmed in operation, but the alarm is disappeared after shutdown. The fault point of rotor grounding is difficult to find. The actual experience finds that the utilization of AC impedance method to detect rotor grounding fault is more accurate. The stator grounding fault is usually found by using large current burning method, but it may cause new damage to generator core. So a field fault search technology is explored to find the point of stator grounding fault through using self-made CT tool to measure stator bar current. This method can quickly and scientifically find the fault point of stator grounding in the case of ensuring the safety of generator．

hydro-generator; stator grounding; rotor grounding; fault analysis; field fault search; Longtan Hydropower Plant

2017- 02- 16

張強(qiáng)(1968—),男,湖南永州人,高級工程師,長期從事水電站施工與運(yùn)行管理工作．

TM312(267)

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0559- 9342(2017)04- 0019- 04