大容量發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子短路故障是汽輪發(fā)電機(jī)常見故障之一，故障較嚴(yán)重時(shí)，可能造成大軸磁化、設(shè)備燒損等情況。

發(fā)生短路故障的原因主要有兩點(diǎn)：①由于運(yùn)行過程中的機(jī)械力、電磁力導(dǎo)致絕緣變形或局部損壞；②由于制造工藝不足造成的絕緣損壞。查找轉(zhuǎn)子接地故障常用的檢測(cè)方法有交流阻抗與功率損耗試驗(yàn)、重復(fù)脈沖（recurrent surge oscillograph, RSO）試驗(yàn)、繞組電壓試驗(yàn)和極電壓平衡試驗(yàn)等。

本文以某電廠1080MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路故障為例，論述采用相關(guān)試驗(yàn)等方法進(jìn)行故障診斷和分析的過程；并對(duì)比故障前后的試驗(yàn)結(jié)果，說明試驗(yàn)分析與故障判定結(jié)果正確，確保缺陷消除后發(fā)電機(jī)狀態(tài)正常。

1 轉(zhuǎn)子接地故障過程與記錄

某廠一臺(tái)1080MW汽輪發(fā)電機(jī)組在168h試運(yùn)期間發(fā)生滅磁開關(guān)跳閘動(dòng)作致使機(jī)組解列，隨即針對(duì)故障開展診斷分析工作。發(fā)電機(jī)額定參數(shù)、故障前運(yùn)行參數(shù)見表1。

1.1 發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作記錄

檢查發(fā)變組保護(hù)裝置，相關(guān)電氣保護(hù)動(dòng)作過程見表2。其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)由勵(lì)磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置提供，轉(zhuǎn)子接地Ⅰ段定值10k 動(dòng)作于報(bào)警，Ⅱ段定值5k 動(dòng)作于跳閘；勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘設(shè)有0.5s延時(shí)動(dòng)作，轉(zhuǎn)子接地Ⅱ段跳閘設(shè)有5s延時(shí)動(dòng)作。

表1 發(fā)電機(jī)額定及故障前運(yùn)行參數(shù)

表2 發(fā)變組保護(hù)裝置動(dòng)作記錄

1.2 故障錄波波形記錄

查看故障錄波裝置，在滅磁開關(guān)跳閘前，發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常，機(jī)端電壓、電流無異常，如圖1所示。而在滅磁開關(guān)跳閘前，勵(lì)磁電流和勵(lì)磁變高壓側(cè)電流明顯上升，勵(lì)磁電壓小幅下降情況，如圖2所示。

保護(hù)動(dòng)作、開關(guān)變位的時(shí)間及順序記錄如圖3所示，其結(jié)果與發(fā)變組保護(hù)裝置事件記錄相符。其中，“轉(zhuǎn)子接地保護(hù)跳閘（A屏）”“轉(zhuǎn)子接地接地保護(hù)跳閘（B屏）”未保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，延時(shí)（定值5s）動(dòng)作未計(jì)入。

1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)記錄

為準(zhǔn)確分析故障時(shí)刻工況，查看勵(lì)磁系統(tǒng)故障波形，如圖4所示。

圖1 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、電流波形記錄

圖2 勵(lì)磁電壓、電流波形記錄

圖3 保護(hù)動(dòng)作及開關(guān)變位記錄

圖4 勵(lì)磁系統(tǒng)故障波形記錄

勵(lì)磁系統(tǒng)中P、Q基準(zhǔn)值為1 200MV?A；發(fā)電機(jī)電壓Ug基準(zhǔn)值481V，電流Ig基準(zhǔn)值25 661A；勵(lì)磁電壓Uf基準(zhǔn)值481V，勵(lì)磁電流If基準(zhǔn)值5327A。根據(jù)波形記錄可知故障時(shí)刻If最高達(dá)到3.08倍基準(zhǔn)值，約為16407A。

由以上各裝置的數(shù)據(jù)波形檢查可以判斷故障過程為：勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生勵(lì)磁過流，導(dǎo)致滅磁開關(guān)跳閘；勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘信號(hào)至發(fā)變組保護(hù)裝置，經(jīng)0.5s延時(shí)后保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)廠用電切換，發(fā)關(guān)主汽門信號(hào)；隨后ETS動(dòng)作，發(fā)熱工保護(hù)至發(fā)變組保護(hù)裝置，聯(lián)跳主變高壓側(cè)斷路器；熱工保護(hù)動(dòng)作后延時(shí)約15s保護(hù)裝置收到轉(zhuǎn)子接地保護(hù)跳閘信號(hào)。

2 現(xiàn)場檢查與試驗(yàn)分析

2.1 現(xiàn)場初步檢查

發(fā)電機(jī)跳閘后，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置顯示接地Ⅱ段動(dòng)作、絕緣電阻1kΩ，且裝置不能復(fù)歸。斷開發(fā)電機(jī)大軸至轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置接線，拆除勵(lì)磁碳刷后，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置可復(fù)歸，此時(shí)顯示絕緣電阻2MΩ，說明轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置功能正常。

檢查發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各部件無明顯損壞痕跡，經(jīng)測(cè)量勵(lì)磁直流母排絕緣電阻為2MΩ，轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻0.1Ω，轉(zhuǎn)子繞組直流電阻0.029Ω（其出廠值為0.069Ω）。為進(jìn)一步查找故障原因，采取試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.2 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)

測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗參數(shù)，并與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比變化趨勢(shì)，是判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在短路故障的常用方法。故障前后，發(fā)電機(jī)盤車工況的交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 故障前后轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的明顯差異，可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生短路故障。

2.3 轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)

RSO試驗(yàn)原理基于行波過程理論，在轉(zhuǎn)子繞組兩端同時(shí)注入脈沖波，通過分析注入點(diǎn)波形和特性波形判斷繞組是否存在故障。繞組在正常情況下由于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，當(dāng)兩端同時(shí)注入一致的脈沖波時(shí)，其特性波形應(yīng)為平直直線。

當(dāng)繞組存在故障時(shí)，繞組阻抗分布變化將產(chǎn)生反射波，則兩端呈現(xiàn)不同的合成波，在特性波形上表現(xiàn)為突起的尖峰。特性波形尖峰的位置、幅值與故障程度、位置有關(guān)。故障后盤車工況的RSO試驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 故障后RSO試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)特性波形曲線存在明顯尖峰，同樣可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在短路故障。

2.4 勵(lì)磁小電流開環(huán)試驗(yàn)

為確定勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備完好、功能正常，測(cè)量勵(lì)磁系統(tǒng)交、直流側(cè)絕緣結(jié)果合格，并進(jìn)行小電流開環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果見表4。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以判斷勵(lì)磁系統(tǒng)功能正常。

表4 勵(lì)磁小電流開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可以確定，此次勵(lì)磁系統(tǒng)過流引起的發(fā)電機(jī)解列事故，是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生接地短路故障造成。

3 故障原因分析

根據(jù)前文所述試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推斷故障可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組前端及引出線導(dǎo)電桿兩個(gè)部位。為確認(rèn)故障發(fā)生部位，脫開發(fā)電機(jī)側(cè)導(dǎo)電螺釘后，分別測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣電阻。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地絕緣電阻為93MΩ，導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣電阻為0.1Ω。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以基本排除轉(zhuǎn)子繞組短路情況，可進(jìn)一步確定故障點(diǎn)發(fā)生在導(dǎo)電桿處。

抽出導(dǎo)電桿后，發(fā)現(xiàn)靠發(fā)電機(jī)側(cè)表面存在明顯燒損痕跡，并且有一處碳化擊穿點(diǎn)，導(dǎo)電螺釘孔底部有金屬熔融物。將導(dǎo)電桿返廠解體檢查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)銅體局部燒損，合縫處絕緣隔板燒損、碳化；接地點(diǎn)熔融物沿導(dǎo)電桿合縫面軸向流動(dòng)，并沿寬度方向流動(dòng)至導(dǎo)電螺釘孔底面。

圖6 導(dǎo)電桿內(nèi)部損壞痕跡

由此確定引起接地故障的原因是，導(dǎo)電桿內(nèi)部兩極間短路，產(chǎn)生高溫熔化局部導(dǎo)電桿并使導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣碳化損壞造成接地故障。根據(jù)返廠檢查結(jié)果判定此次故障由導(dǎo)電桿內(nèi)部絕緣損壞，導(dǎo)致兩極間短路，產(chǎn)生高溫熔化局部導(dǎo)電桿并使導(dǎo)電桿對(duì)地絕緣損壞造成接地。

在完成導(dǎo)電桿修復(fù)安裝后，發(fā)電機(jī)在靜態(tài)工況下進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢查以確保缺陷已消除。靜態(tài)工況轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明修復(fù)后交流阻抗參數(shù)無異常。靜態(tài)工況轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出合成的特性波形曲線為一條平展直線，表明無阻抗突變點(diǎn)，轉(zhuǎn)子繞組無異常。

通過上述試驗(yàn)以及相關(guān)檢查工作可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)無異常，修復(fù)后短路故障已排除，可正常投運(yùn)。

表5 修復(fù)后轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)結(jié)果

圖7 修復(fù)后RSO試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了一臺(tái)1 080MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路故障的發(fā)展、診斷及處理過程。通過多項(xiàng)試驗(yàn)分析確定該故障由導(dǎo)電桿內(nèi)兩極間短路造成，但由于故障部位損壞嚴(yán)重，尚未確定極間短路原因。

為避免同類故障的發(fā)生，提出幾點(diǎn)防范措施：

1）發(fā)電機(jī)在制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)時(shí)需進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量管控，以免在運(yùn)行前造成設(shè)備缺陷。

2）發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中需對(duì)相關(guān)參數(shù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)。

3）RSO試驗(yàn)在判定轉(zhuǎn)子狀態(tài)、故障定位等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以建立RSO試驗(yàn)數(shù)據(jù)檔案，并進(jìn)行長期跟蹤。

以上研究成果發(fā)表在2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“1080MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路故障分析”，作者為康逸群、宋夢(mèng)瓊、宋楊。