清远蓄能电站1号发电机转子一点接地故障的查找及处理

2017-07-31陈泓宇杨庆文黄运福程振宇

水电站机电技术 2017年6期

关键词：铜排磁极引线

陈泓宇，杨庆文，黄运福，程振宇

（中国南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东清远 511853）

清远蓄能电站1号发电机转子一点接地故障的查找及处理

陈泓宇，杨庆文，黄运福，程振宇

（中国南方电网调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东清远 511853）

叙述了清远蓄能电站1号发电机转子一点接地故障处理过程，介绍了转子发生稳定性的金属接地故障时，直流降压法是实用的接地故障位置测量方法，能有效的减少排查故障时间及工作量，有很好的实践意义。同时对磁极绝缘处理进行了分析，为后续电站磁极制造和转子接地处理提供有价值的参考。

清远电站；发电机转子；一点接地；处理

1 绪言

广东清远抽水蓄能电站（以下简称“清蓄”）位于广东省清远市清新区太平镇境内，地处珠江三角洲西北部，直线距广州75 km。厂内安装4台立式单级混流式水泵水轮机—半伞式电动发电机机组，单机容量（发电工况）320 MW，额定转速为428.6 r/min，额定净水头为470 m，最大扬程504.5 m，电站总装机1 280 MW。

转子总体结构采用东芝传统磁极不可单拆的结构，由磁极绕组、磁极铁心、转子磁轭和转子支架组成。励磁绕组采用F级绝缘，由矩形铜排焊接而成，线圈表面有突出的散热翅，匝间用Nomex纸绝缘，通过环氧胶粘结并热压成一体。线圈极身绝缘采用聚酯玻璃纤维材料，线圈的上、下绝缘法兰由聚酯玻璃纤维材料制成，在线圈的上端设计滑动法兰以适应线圈热胀冷缩。

2 故障现象

2016-01-11清蓄电站1号机组02∶52∶08泵工况启动，03∶00∶43带负荷-320 MW泵工况运行抽水，03∶56∶09∶612 1号机组转子接地保护动作跳闸，1号机组转子接地保护动作跳闸。

清蓄电站采用西门子公司转子一点接地保护，保护向转子注入1～3 Hz低频方波电压（TD1）后，通过测量转子上的电流（电流经标准电阻转成电压TD2）和转子上的方波电压（TD3）计算出转子接地电阻。从录波图上分析，故障中，转子接地后产生的接地电流经标准电阻转化为电压后的波形见TD2， TD2波形有突变，将故障主要查找方向确定为一次设备。

3 接地点的查找方法

清蓄电站转子磁极有14个，确定是一个磁极接地还是多个磁极接地有一定难度，而且光是解开每个磁极的边接板就需要花费大量的时间，需要采用科学办法找到接地点，才能迅速找到故障点。所以确定检查步骤：外观检查；外观清扫；转子线圈整体绝缘电阻测量；引出线分开，检查引出部分绝缘；检查绕组绝缘；直流分压法找接地位置，拆开检查确认。3.1减小查找范围

将滑环与碳刷解开，用万用表测得直流开关出线铜排与刷架的绝缘电阻为无穷大（后改用500 V摇表摇为1 MΩ）、转子磁极的引线铜排与转子磁极的绝缘电阻为7.1 Ω。为进一步缩小范围，在考虑转子上励磁引线拆解难易程度，分析转子结构上可能故障点后，先后选择了A1、A2点及B1、B2点进行拆解（此处拆除简单），拆解情况的图纸见图1。解开滑环至转子磁极间的铜排引线与磁极连接部位，测得滑环的绝缘电阻值为无穷大，排除了滑环问题。接下来就只能是转子磁极的铜排引线与转子磁极绝缘的问题。于是解开转子磁极的铜排引线与转子磁极的连接部分，测得转子磁极绝缘为7.1 Ω。初步判定接地点在转子磁极或磁极连接处，即在磁极（B1点至B2点之间）上。

图1 发电机磁极装配图

采用大功率吸尘器和低压压缩空气，彻底吹扫发电机转子磁极表面等部位后，用万用表测得转子磁极绝缘为7.1 Ω，可以判断转子发生稳定性的金属接地故障。

3.2 直流分压法定位接地位置

为了确定故障点，决定采用“直流分压法”对故障点进行定位，即当确认是转子出现一点接地时，在B1点和B2点上加一电压U，在分别测量正极对地电压U1和负极对地电压U2。假如发电机转子共有N个磁极，则接地点磁极计算方法如下：U1/U=R1/R 或U2/U=R2/R,每个磁极线圈直流电阻相同，可以比较精确定位具体接地故障的磁极号。

图2 降压法示意图

在1号磁极引出线B1点和14号码磁极引出线B2点间注入恒定直流电流，用万用表直流电压档测量1号磁极引出线B1点对地电压U1，测量14号磁极引出线B2点对地电压U2，测量1号磁极与14号磁极间电压U。测量记录见表1。

表1 电压法测试记录

U1/(U/14)=5.002，U2/(U/14)=8.998,计算结果表明，清蓄电站转子由14个磁极组成，每个磁极的电阻值基本一样，可以依据1号磁极引出线B1点对地电压U1与1号磁极与14号磁极间电压U的比值，再乘14个磁极数可以比较准确定位接地点，地点位于5号磁极和6号磁极之间。

4 磁极绝缘的分析

清远磁极绝缘的特点是磁极铁心的靴部及角部进行了特殊处理，能有效防止角部的绝缘失效。早在设计联络会专题讨论磁极的绝缘结构时，由于清远采用的是东芝传统的磁极不可单拆的结构，有磁极间撑块，无法在机坑内将所有极间撑块拆下。极间撑块不拆完，直接拔磁极，会损伤磁极线圈绝缘，不能在机坑内单独拆卸，特别关心了磁极对地绝缘设计，磁极极靴部位绝缘托板外部爬电距离不小于20 mm，并重点关注以下5个部位的绝缘状态:

（1）极靴处绝缘托板内侧与磁极铁心3 mm绝缘板角部绝缘结构，此处填充慢干硅胶。

（2）磁极铁心与线圈的绝缘板的背部（磁轭侧）在线圈组装后用硅胶进行封堵，并保证硅胶在高速运行时有足够的附着力。

（3）线圈在组装前铁心表面涂有防电弧漆。

（4）调整用的0.8 mm和1.6 mm绝缘垫片在打入前刷上环氧胶。

（5）磁极铁心长度方向的角部绝缘设Nomex纸加强层，而且绝缘搭接有50 mm以上。

从以上分析，磁极本身发生接地的可能性极小，即使发生接地，也只有吊出转子才能处理，所以将主要接地查找方向放在磁极间的连接处。

5 磁极连接处绝缘的检查分析

通过直流分压法计算知接地点位于5号磁极和6号磁极之间，现场重点对该部位检查。

5.1 检查情况

1号发电机5号磁极和6号磁极间连接装配图见图3，实物见图4。

将固定5号磁极和6号磁极连接铜排的支撑螺杆上的外侧螺母、绝缘垫圈拆除，万用表测量的对地电阻由7.1 Ω变成无穷大，说明绝缘接地问题已经找到并排除。

检查绝缘垫圈、绝缘套管外观，无裂纹，内部清洁，未发现异常；对绝缘垫圈、绝缘套管测量绝缘，绝缘均正常。用内窥镜检查拆开部位，未发现异物。

清扫支撑螺杆、5号磁极和6号磁极的铜排等部位。清扫拆下的绝缘套管、绝缘垫圈、螺母。将绝缘套管及螺母回装后，在磁极与励磁引线连接处（B1点）测量转子磁极对地绝缘电阻为3.6 GΩ，绝缘正常。确认故障现象消失。励磁引线连接、碳刷回装后，在励磁盘柜磁场开关处测量励磁回路整体绝缘电阻为3.5 GΩ，绝缘正常。

图3 5号磁极和6号磁极间连接装配图

图4 5号磁极和6号磁极间连接实物图

5.2 接地原因分析

外观检查并未发现具体接地点，对导致磁极金属接地的可能原因分析为：设计结构、金属异物、绝缘套绝缘损坏、受潮等。

（1）设计方面。绝缘垫圈+绝缘套的结构是比较可靠的结构，东芝在蓄能机及常规机上均普遍采用，从结构来看，设计上有足够的绝缘距离，沿面距离25 mm以上，空间距离15 mm以上。如果中间的绝缘套管没断裂或破碎，应该不会造成接地。

（2）受潮。发电机运行较长时间，机坑内温度较高，同时如果受潮，绝缘会降低，但不至于降至金属性接地7 Ω；绝缘件拆下来没有发现明显受潮现象，单独做实验的数据均在GΩ级别以上，受潮可能性不大。

（3）金属异物。由于作业环境空间狭小，松开5号磁极和6号磁极连接铜排的支撑螺杆的螺母时发现有一点铜屑，初步判断铜屑是导致接地的“元凶”，但铜屑从何而来。这要从设计的安装工艺来分析：

磁线间连接铜排采用熔锡连接工艺，铜排端部为几十片铜片，连接时铜片交错叠紧，用夹具夹紧后，加热、熔锡，铜排表面被加热后液体锡覆盖，液体锡是进入不了铜排中部的。熔锡完成后，需在铜排中间钻孔，用于安装支撑螺栓。开孔采用金属开孔器进行，此时，开孔器与铜片之间将会产生大量铜屑、铜粉、锡粉，虽然大部分可以清除，但少数金属屑不可避免进入了铜片夹层，部分进入后无法彻底清除干净。考虑到引线与螺栓之间还有绝缘套筒，正常情况下，金属屑是不会进入的。但从1号机磁极接地事件来看，可能由于离心力的作用下，金属粉从引线中部甩出，慢慢形成积累，并恰恰在螺杆与绝缘套之间形成积累，当达到一定量时，铜排与固定螺杆接触，形成了短接接地（图5）。

图5

可以看出厂家设计的安装结构有一定缺陷，造成安装过程所产生铜或锡屑进入铜排内部，很难清除彻底，从而出现上述“接地形象”的可能性，当然这是个概率问题了。

通过上述分析，后续安装工作应对磁极连接铜排钻孔后的铜或锡屑尽可能清除，只要铜或锡屑积累的量达不到一定程度，那就不会形成铜排与引线“短接”。另外，也可在螺栓绝缘设计方面做少许改进，例如，保证铜排焊接充分，完全焊透，并清理干净，在孔上涂绝缘硅胶，起绝缘和固定封堵作用，防止铜屑掉出；或者可将磁极间连接铜排固定支撑的外侧绝缘垫圈与套管做成一个整体，这样可完全对螺杆隔离，不会形成短接；或者在螺杆表面增加一层绝缘材料，对可能的铜或锡屑进行隔离。当然，这将是下一步的技改方向。