水轮发电机转子接地处理方法

夏保国

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

水轮发电机是水电站的主要设备，运行安全与否，直接影响到每个水电站的经济效益，同时也直接影响电网安全稳定的供电。水轮发电机组长期运行过程中，存在各种安全隐患，其中转子接地对机组的安全运行危害最大，且查找原因相当困难，特别是动态接地故障与磁极旋转有关，静止状态下接地现象消失，这就给故障点的查找和处理增加了难度。要求技术人员具备安全意识，及时发现和消除转子接地故障。

1 转子接地的原因

转子接地的原因有很多，主要有以下四方面:(1)工作人员在励磁回路上工作时，因不慎误碰或其他原因造成转子接地;(2)转子集电环、磁极、引线等部位绝缘损坏;(3)机组长期运行绝缘老化，转子绕组绝缘局部过热老化引起转子接地;(4)励磁回路污垢等引起转子接地。

2 转子接地种类及处理方法

2.1 转子一点接地及处理方法

转子回路一点接地时，因线圈与地面尚未形成电流回路，故障点无电流通过，励磁系统仍保持正常状态，不影响机组的正常运行，对发电机无直接危害。但一点接地后，励磁回路对地电压升高，容易引发第二点接地，危害很大。

判定转子一点接地:检查“转子一点接地”信号是否能够复归，若能复归，则为瞬时接地;若不能复归，应检查转子一点接地保护是否正常，若正常，则可测量正、负极对地电压，鉴定是否发生了接地;若发现某极对地电压降到零，另一极对地电压升至全电压(正、负极之间的电压值)，则可确定发生了一点接地。

转子一点接地处理方式:(1)检查励磁回路各部位有无明显损伤或因污垢接地，若因脏污接地，应及时进行吹扫;(2)对有关回路进行详细外观检查，必要时轮流停用整流柜，以判断是否由于整流柜直流回路接地引起;(3)检查区分接地是在励磁回路还是在测量保护回路;(4)若转子接地为一点稳定金属性接地，且无法查明故障点，除加强监视机组运行外，尽快停机检查;(5)转子一点接地运行时，若机组又发生欠励磁或失步，一般可认为发展到了两点接地，这时转子两点接地保护启动跳闸，否则应立即人为停机。

水布垭水电站1#机组正式投入运行后不久，发生了转子一点接地的问题，经过对方排查，最终确定由于碳粉堆积导致转子一点接地。

2.2 转子两点接地及处理方法

转子两点接地现象:当发电机转子绕组不同位置发生两点接地或匝间短路时，转子电流剧增，转子和定子电压降低，无功功率明显降低，功率因数提高甚至进相，机组振动较大。

转子两点接地的危害:(1)破坏发电机气隙磁场的对称性，使气隙磁场不均匀发生畸变，气隙磁通失去平衡，引起发电机的剧烈振动而损坏发电机、无功出力降低;(2)由于转子两点接地时，转子电流增加很多，造成励磁回路设备过热甚至损坏;(3)如果其中一点接地发生在转子绕组内部，转子绕组也要出现部分过热。

某公司水轮发电机组于1966 年5 月投入运行，运行良好，2005 年1 月17 日发生转子接地事故。机组型号为:TS854/156-40，额定容量:l00MVA，额定电压:13.8kV，额定电流:4180A，转子电压:320V，转子流:1225A。

2005 年1 月17 日23:42 时计算机监控系统报警:“保护装置报警动作”“转子接地报警动作”，现场检查保护装置显示Rg=3K(正常值为300K)，U2=192V(正常值约为127V 左右)，励磁回路外观检查未发现异常，故障信号不能复归。23:52 时停机检查转子接地故障，停机后转子接地信号消失，断开发电机灭磁开关，摇测转子绝缘电阻R=200MΩ，空载试验正常。

1 月18 日13:32 时并入系统，13:43 时信号相同，现场检查保护装置Rg=0.9K，U2=192V，测得转子正极对地电压约100V，负对地电压约65V(总电压165V)，故障信号也不能复归，14:18 时发现保护装置显示Rg=300K，按复归按钮后转子接地信号复归。类似上述情况在以后几天内连续发生多次，停机检查没有发现任何异常情况。

根据上述异常现象分析，造成转子接地保护装置动作报警的原因有三方面:(1)转子接地保护装置异常引起;(2)转子磁极外围设备(含功率柜、灭磁开关、转子集电环、电刷、转子引线等)故障引起;(3)转子磁极存在接地现象。

现场检查及处理过程:(1)检查保护装置接地(大轴)电刷的稳固性，接触性是否良好并进行清洁，开机试验故障依然存在，排除了因接地(大轴)电刷固定不稳或沾上油污引起接触不良而造成“假接地”现象;(2)对计算机保护装置进行检查，装置各项测量试验数据正常，没有发现异常情况。为了进一步验证计算机保护装置本身不存在问题，1 月20 日17:40 时在机组保护外加接常规的转子一点接地保护继电器，开机试验结果同样出现“转子接地报警”信号，这就说明计算机保护装置本身是正常的;(3)对转子磁极外围设备(含功率柜、输入输出刀闸、灭磁开关、转子集电环、电刷、转子引线等)进行认真检查，转子回路整体外观未发现明显接地现象及局部放电痕迹，连接线头紧固，分别测量各部位绝缘电阻良好，各项试验数据正常，也没有发现异常情况;(4)对转子集电环、电刷、刷架进行吸扫，开机试验，一切正常，但转子接地故障依然存在，关闭励磁电流，跳开发电机灭磁开关，拉开可控硅功率柜输人、输出刀闸，用500V 兆欧表在转子集电环处测量转子绝缘电阻值在0.02-180MΩ 之间呈周期性摆动;(5)停机后拆除挡风板，检查发现发电机转子17#、18#磁极引线与引线压板螺母周围烧成黑洞，拆下检查发现引线压板螺栓已烧损2/3。

磁极引线压板螺母烧损原因分析:磁极引线压板螺母松动，转子磁极旋转过程中在离心力的作用下，磁极引线与引线压板螺母之间产生位移，加上电磁力和机械力引起振动的共同作用，使磁极引线与引线压板螺母之间的绝缘磨损。当机组在静止状态时，由于磁极引线与引线压板螺母之间分离，接地现象消失。当机组旋转时，转子磁极引线与引线压板螺母、螺栓、机架形成接地回路，产生动态接地放电现象，在引线压板螺母周围由于局部过热烧成黑洞。

处理方法:对故障点进行清扫，彻底清除碳黑，并对故障部位进行修复处理，缠绕玻璃丝带，涂上环氧树脂漆，更换烧损引线压板螺栓，打紧固定后，测量转子绝缘电阻R=172MΩ，机组恢复备用。

机组开机又出现“转子接地报警”信号，经分析是之前处理不彻底。再次解决，先根据绕组电压分布法判断接地磁极位置大约在24#～25#之间，分别吊出24#，25#磁极，检查发现25#磁极引线有放电烧黑迹象，对故障点清除碳黑、吹风清扫，并进行修复处理，引线包好绝缘后，25#磁极试验合格后，分别将24#，25#磁极挂装，在引线连接前，测得25#磁极绝缘电阻:3600MΩ，24#磁极绝缘电阻:1300MΩ。最终结果，各项测量试验数据正常，机组开机试验，转子接地现象消除。

3 发电机容易接地的部位

发电机比较容易接地的部位，共有如下6 点

(1)励磁电缆:主要是因绝缘老化的原因;

(2)刷架和滑环:由于碳粉油污混合，造成刷架和滑环正负两极间绝缘击穿或接地绝缘处对地短路;

(3)大轴引线与滑环连接处:此处也易因污垢造成绝缘降低;

(4)大轴引线:有的大轴引线没有采用全部外包绝缘而是裸汇流排形式，其对地绝缘处也易因污垢造成绝缘降低;

(5)磁极线圈主绝缘:主要也是因为污垢的原因造成绝缘降低，尤其是在磁极的上下两个端部迎风面;

(6)磁极连接线:有的转子磁极之间的连接是磁极与磁极直接相连的，与转子磁轭不相关联，因此就不存在接地的问题;但有的转子磁极间的连接是以磁轭为中介的，这种结构就容易出现接地故障。发生故障的原因有以下两方面:一是连接板与磁轭间的绝缘部分，与磁极主绝缘的情况类似;二是固定磁极连接线的固定螺栓(属接地部分，与磁轭是直接金属连接)与磁极连接线之间是通过绝缘套管绝缘的，如果套管破裂则可能造成接地，或检修中由于粗心大意少装了绝缘套管也会造成接地，这种情况属于金属性接地，由于悬空可能在转子静止时测试还发现不了，但会在以后的运行中暴露出来，这种情况还可能由于多点接地造成绕组部分短路，这种漏装绝缘管的例子无论在安装阶段，还是检修过程中时有发生。

4 结语

由于转子磁极在旋转过程中受离心力以及电磁力、机械力引起振动的共同作用下，造成磁极松动，引线部分反复受牵拉作用，绝缘损坏后产生接地故障，这种动态接地故障与磁极旋转有关，静止状态下接地现象消失，造成转子接地原因查找难度很大。为确保水电站长期安全稳定运行，对转子接地要有正确的认识，及时发现问题，及早查找原因，尤其对于转子动态接地故障要根据实际情况来查找接地点。

［1］ 陈俊，谈涛.发电机转子绕组接地故障定位功能的商榷［J］.电力系统自动，2011.11.

［2］ 哈尔滨大电机研究所.水轮发电机设计与计算.北京:机械工业出版社，1982.

［3］ 吴延滨.大型发电机定转子接地保护运行分析［J］.大电机研究所，2009.2.

［4］ 陶瑞基，黄春明.发电机转子动态接地故障的处理［J］.电器应用，2011.8.

［5］ 陈文添.水轮发电机转子一点接地的分析与查找［J］.广西电力，2005.(3).