李 沁

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一起燃氣輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障原因淺析

李 沁

（廣州發(fā)展電力集團有限公司，廣州 510623）

本文介紹了某發(fā)電公司燃氣輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子在解列惰走至低轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)了不穩(wěn)定接地故障，根據(jù)故障特征利用轉(zhuǎn)子重復(fù)脈沖法（RSO）試驗判斷出轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在接地和匝間短路，在此基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子解體檢查，對檢查暴露出的可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地和匝間短路的故障原因進行了分析，最后提出防范措施。

燃氣輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子接地；故障；原因

某廠兩臺S109FA燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，其發(fā)電機是美國GE公司設(shè)計，哈爾濱電機廠生產(chǎn)的397.8MW全氫冷型汽輪發(fā)電機（型號：290T694），采用全靜態(tài)勵磁裝置，勵磁電流由連接在6kV母線上的勵磁變壓器經(jīng)整流后獲取。勵磁系統(tǒng)配置有欠勵限制、過勵保護、發(fā)電機接地檢測、發(fā)電機過電壓保護、失磁保護、V/HZ限制和跳閘、電壓頻率限制、轉(zhuǎn)子超溫等保護。機組投運十余年，主要運行方式為“日起停”調(diào)峰方式運行。

雖然轉(zhuǎn)子一點接地故障尚不會對轉(zhuǎn)子造成嚴重損壞，但未配置轉(zhuǎn)子兩點接地保護，如果轉(zhuǎn)子再有其他部位出現(xiàn)接地，就會發(fā)生兩點接地故障，使發(fā)電機面臨轉(zhuǎn)子燒損的重大風(fēng)險。

1 事件經(jīng)過

該公司2#發(fā)電機自投運以來，已分別于2011年9月、2012年7月、2013年2月先后發(fā)生過三次轉(zhuǎn)子接地故障，并進行了解體處理。除了2011年9月第一次轉(zhuǎn)子解體處理中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組引線螺釘因磨損松動產(chǎn)生大量金屬粉末而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地的故障原因比較明確外，后續(xù)兩次轉(zhuǎn)子接地故障解體處理中，均未能找到明確的故障原因。

2017年10月12日2#發(fā)電機正常解列轉(zhuǎn)子在惰走至41r/min時，勵磁系統(tǒng)再次發(fā)生轉(zhuǎn)子接地故障，至盤車轉(zhuǎn)速時，報警和跳閘信號可復(fù)歸，檢測轉(zhuǎn)子接地保護邏輯、定值正確，并排除了勵磁機故障。隨后測量轉(zhuǎn)子不同角度直阻和對地絕緣，不同角度下轉(zhuǎn)子直阻平衡較好（＜1%）。轉(zhuǎn)子對地絕緣偶爾會出現(xiàn)接地現(xiàn)象。14日對2#機組試起動，起動過程正常，但在停機惰走過程中再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地報警。

2 故障診斷

為查找并后續(xù)對轉(zhuǎn)子接地故障進行針對性處理，有必要對2#發(fā)電機進行轉(zhuǎn)子RSO（重復(fù)脈沖）試驗[1-2]：①在轉(zhuǎn)子惰走至低轉(zhuǎn)速時捕捉發(fā)生不穩(wěn)定接地故障時的檢測波形，從而準確定位接地故障所在的位置；②在轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)及惰走期間，通過RSO試驗持續(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。

2.1 試驗判斷標準

1）若轉(zhuǎn)子內(nèi)部無匝間絕緣故障，則其RSO試驗結(jié)果中的正、負滑環(huán)（即正、負極）兩束行波的反射波曲線是完全吻合重疊在一起的。若轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在匝間絕緣故障，則兩束行波的反射波曲線將在故障部位出現(xiàn)不重合（分叉）現(xiàn)象。定義兩條曲線在分叉處的最大電壓偏差值與反射波正峰值的比率為偏差率，以“”來表示。對于1#、2#線圈，當(dāng)≥8%時，可判斷轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障；當(dāng)3%≤＜8%時，可判斷轉(zhuǎn)子繞組存在匝間絕緣缺陷；對于3#及以上其他線圈，當(dāng)≥3%時，可判斷轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障[3]。

2）若轉(zhuǎn)子主絕緣存在短路接地故障，則兩束行波的反射波曲線將從短路接地部位開始，后續(xù)波形將出現(xiàn)不重合（分叉）現(xiàn)象。將兩束反射波曲線各自正峰值之前的起始曲線段重疊在一起，若后續(xù)曲線段出現(xiàn)該現(xiàn)象，則可判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部主絕緣存在短路接地故障[4]。

2.2 檢測設(shè)備及原理

采用DIFR-I發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣故障診斷儀，測量范圍3～8V，準確度等級0.5級，試驗接線如圖1所示[5]。

圖1 RSO測試接線圖

2.3 試驗過程

在轉(zhuǎn)子絕緣故障檢測過程中，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行了盤車狀態(tài)、靜態(tài)下不同角度、及兩次維持額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）、再由額定轉(zhuǎn)速惰走至盤車等多種狀態(tài)下的RSO試驗，得出以下試驗結(jié)果：

1）根據(jù)轉(zhuǎn)子在盤車狀態(tài)、靜止狀態(tài)以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動90°后的RSO檢測波形（圖2、圖3和圖4）可知，其波形中存在一處不吻合區(qū)域，如圖圈中所示，不吻合區(qū)域?qū)?yīng)了轉(zhuǎn)子3#線圈，不吻合區(qū)域的偏差率=4.8%，大于3%，表明該處存在匝間短路故障。但將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°、270°以及360°等多個角度后，該不吻合區(qū)域消失，實、虛兩條曲線從正峰值開始的下降曲線段幾乎完全重合。因此可判斷轉(zhuǎn)子3#線圈存在不穩(wěn)定的匝間短路故障[6]。

圖2 轉(zhuǎn)子盤車狀態(tài)的RSO檢測波形

圖3 轉(zhuǎn)子靜態(tài)下的RSO檢測波形

圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動90°時的ROS檢測波形

2）從轉(zhuǎn)子兩次在額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）維持1h的RSO檢測圖5可知，波形曲線中存在1#、2#兩處不吻合區(qū)域。其中，1#不吻合區(qū)域?qū)?yīng)了3#線圈，其偏差率=9.6%，大于3%，可判斷轉(zhuǎn)子3#線圈在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，其內(nèi)部存在匝間短路故障。2#不吻合區(qū)域?qū)?yīng)了4#線圈，其偏差率=4.4%，也大于3%，可判斷轉(zhuǎn)子4#線圈在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，其內(nèi)部也存在匝間短路故障。在轉(zhuǎn)子兩次從2300r/min惰走至50r/min的過程中，波形曲線從正峰值開始的下降曲線段幾乎完全重合，未見不吻合部分，說明轉(zhuǎn)子在這一過程中，其內(nèi)部不存在匝間短路故障。

圖5 轉(zhuǎn)子維持在額定轉(zhuǎn)速1h的RSO檢測波形

3）轉(zhuǎn)子在低轉(zhuǎn)速（20r/min）至盤車狀態(tài)下，如圖6所示，實線出現(xiàn)突發(fā)性的畸變，與虛線出現(xiàn)了嚴重的分叉現(xiàn)象，且二者后續(xù)波形不再重合，為典型的轉(zhuǎn)子接地故障。該轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)象持續(xù)時間短，時有時無，具有明顯的不確定性。因此，判斷轉(zhuǎn)子主絕緣發(fā)生了不穩(wěn)定的接地故障。進行RSO試驗時，虛線連接了外滑環(huán)（負極），實線連接了內(nèi)滑環(huán)（正極）。從實線發(fā)生突變時的起始位置來看，可粗略判斷接地故障點位于與內(nèi)滑環(huán)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子繞組的4#線圈上。

圖6 轉(zhuǎn)子惰走至20r/min及盤車狀態(tài)時的RSO檢測波形

2.4 試驗結(jié)論

從試驗數(shù)據(jù)及波形特征得出結(jié)論如下。

1）轉(zhuǎn)子在額定3000r/min時存在匝間短路。

2）轉(zhuǎn)子在惰走過程中約至30r/min時存在不穩(wěn)定接地。

3）上述的匝間短路點和不穩(wěn)定接地點可能為同一位置。

3 故障點查找及方法

根據(jù)RSO試驗結(jié)果，對轉(zhuǎn)子解體查找故障點。

1）外觀檢查，包括轉(zhuǎn)子本體、槽楔、軸頸、聯(lián)軸器外圓、止口等部位，未發(fā)現(xiàn)異常。

2）用內(nèi)窺鏡對轉(zhuǎn)子護環(huán)下的線圈端部及端部墊塊進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

3）做轉(zhuǎn)子兩極電壓試驗和直流電阻試驗，仍存在轉(zhuǎn)子匝間短路，但未能判斷具體位置。采用試燈法，通入220V直流，轉(zhuǎn)子未出現(xiàn)絕緣破壓、放電等異常現(xiàn)場，再次做轉(zhuǎn)子兩級電壓試驗后發(fā)現(xiàn)試驗合格，轉(zhuǎn)子已不存在靜態(tài)匝間短路現(xiàn)象，但不能確定是否存在動態(tài)匝間短路。

4）根據(jù)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場處理工藝方案解體轉(zhuǎn)子本體進行詳細排查，發(fā)現(xiàn)：

（1）在轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)9#線圈直線段中部靠汽端的下線槽底發(fā)現(xiàn)一條長4.2cm的半圓形金屬絲（鐵質(zhì)），金屬絲上發(fā)現(xiàn)噴漆痕跡，且與轉(zhuǎn)子本體噴漆顏色一致，經(jīng)分析這條金屬絲應(yīng)是轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地的原因（圖7）。

圖7 半圓形金屬絲

（2）解體過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)極勵端2#線圈底部匝間絕緣層有移位，露出小部分金屬；內(nèi)環(huán)極4#線圈底部匝間絕緣層有移位，還剩一層絕緣層，未露出金屬。這是首次發(fā)現(xiàn)匝間絕緣移位。判斷內(nèi)環(huán)極勵端2#線圈底部匝間絕緣層移位導(dǎo)致金屬外露為匝間短路點。

（3）轉(zhuǎn)子兩端的護環(huán)拔出之后，發(fā)現(xiàn)兩極的1#、2#、3#、4#線圈的最外一匝從汽端往勵端方向均存在不同程度的位移，最大約2cm，而且弧部有輕微變形，這種現(xiàn)象之前幾次轉(zhuǎn)子檢修過程中沒出現(xiàn)過，經(jīng)現(xiàn)場整形恢復(fù)正常位置和形態(tài)。

4 故障原因分析

4.1 轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地的原因分析

通過分析，造成轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地的原因是轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)9#線圈直線段中部靠汽端的下線槽底發(fā)現(xiàn)的一條長4.2cm的半圓形金屬絲，其來源有以下3個。

1）在轉(zhuǎn)子裝套護環(huán)時，護環(huán)受外力錘擊，導(dǎo)致護環(huán)出現(xiàn)啃傷產(chǎn)生毛刺，在轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程中，毛刺被離心力甩出。

2）在轉(zhuǎn)子裝配過程中，對下線過程監(jiān)控不當(dāng)導(dǎo)致的異物殘留。

3）機組停機檢修時異物被帶入轉(zhuǎn)子內(nèi)。

從金屬絲上的噴漆顏色對比，極大可能是轉(zhuǎn)子在裝配過程中，槽楔與轉(zhuǎn)子本體刮蹭而產(chǎn)生的金屬拉絲，隨著轉(zhuǎn)子運行逐漸移動到轉(zhuǎn)子繞組和本體（或槽楔）之間，當(dāng)轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下時，離心力比較大，該金屬絲不能觸碰到轉(zhuǎn)子本體或槽楔，此時其對轉(zhuǎn)子絕緣無影響；但當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降至一定范圍內(nèi)（例如50r/min以下）時，離心力減小，該金屬絲就因狀態(tài)發(fā)生變化而觸碰到轉(zhuǎn)子本體或槽楔，從而造成轉(zhuǎn)子金屬性接地故障。而該過程為轉(zhuǎn)子線圈裝配的最后一道工序，轉(zhuǎn)子裝配完成后整體耐壓試驗合格則回裝，運行中無有效措施檢測和發(fā)現(xiàn)該類型缺陷。

4.2 轉(zhuǎn)子匝間短路的原因分析

轉(zhuǎn)子匝間短路主要因為轉(zhuǎn)子線圈及其絕緣層位移，導(dǎo)致金屬外露引起匝間短路，經(jīng)分析主要有制造、檢修和運行三方面原因。

1）制造原因

（1）哈電所生產(chǎn)的發(fā)電機引進的是GE技術(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)子端部的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，其端部特點是線圈之間的支撐塊較少，轉(zhuǎn)子端部繞組固定不牢，繞組弧部的直徑最大。在轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)時，使轉(zhuǎn)子線棒產(chǎn)生很高的離心力，而直徑越大，離心力越大，離心力導(dǎo)致線圈最薄弱的地方（弧部）發(fā)生變形和相對位移。

（2）轉(zhuǎn)子各部件在設(shè)計上考慮膨脹，端部絕緣墊塊與線圈之間不是緊配合，而是間隙配合，即線圈和絕緣墊塊間有單邊0.5mm的間隙，在機組頻繁起、停、變工況運轉(zhuǎn)時線圈的冷熱態(tài)變化導(dǎo)致的熱量是靠端部墊塊的間隙吸收的，會造成轉(zhuǎn)子線圈蠕變。

（3）轉(zhuǎn)子各部件彼此是間隙配合，運行時在離心力作用下壓緊，但在停機盤車時，各部件因間隙會彼此摩擦，也是導(dǎo)致端部繞組變形的原因之一。

2）檢修原因

該轉(zhuǎn)子曾返哈電維修時匝間絕緣層用的是國產(chǎn)粘接膠，經(jīng)過對使用過的進口和國產(chǎn)粘接膠進行對比分析，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)粘接膠在長期高溫下性能出現(xiàn)不穩(wěn)定，使端部線圈在受到很大離心力時，匝間墊條脫膠發(fā)生位移，導(dǎo)致匝間短路。

3）運行原因

該燃氣輪發(fā)電機組按電網(wǎng)調(diào)度長期調(diào)峰運行，起、停機頻繁，一方面機組起、停時的離心力會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈發(fā)生變形、相對位移或局部絕緣損壞。另一方面，頻繁起停帶來的負荷變化引起繞組頻繁熱脹冷縮，甚至產(chǎn)生蠕變，由于絕緣材料與繞組膨脹性能差異，當(dāng)彼此差異超出設(shè)計極限時，就發(fā)生絕緣材料開裂或移位故障，引發(fā)匝間短路，所以發(fā)電機“日起停”的運行工況也是一個重要原因。

5 防范措施

針對上述問題，同時基于現(xiàn)場檢修條件，提出防范措施如下。

1）殘留金屬異物或碎屑的防范措施

嚴格控制制造或檢修質(zhì)量，避免留下工藝性損傷：

（1）加強轉(zhuǎn)子制造下線過程的質(zhì)量控制，避免由于清理過程中或使用工具中將毛刺、鐵屑、碎屑等異物侵入轉(zhuǎn)子內(nèi)部。

（2）嚴格控制轉(zhuǎn)子裝套護環(huán)的操作過程，保證裝套護環(huán)的對稱性，避免出現(xiàn)啃傷護環(huán)的可能性，提高裝套護環(huán)質(zhì)量。

2）線圈繞組和匝間絕緣層位移的防范措施

S109FA燃氣輪發(fā)電機為連續(xù)運行設(shè)計，若反復(fù)起、停機，則容易造成線圈蠕變或相對位移，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子損傷較大，建議加強與電網(wǎng)調(diào)度的溝通，爭取連運方式以盡量減少起、停機次數(shù)，同時在發(fā)電機在運行過程中盡量減少機組負荷變化率，以避免負荷及轉(zhuǎn)速的劇烈波動可能導(dǎo)致故障的再次發(fā)生。

6 修后遺留問題

本次故障檢查處理，發(fā)現(xiàn)并消除了導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地和匝間短路的問題，但受現(xiàn)場環(huán)境和技術(shù)條件限制：①不能判定轉(zhuǎn)子裝配時，是否因裝配工藝而產(chǎn)生新的金屬碎屑遺留在轉(zhuǎn)子內(nèi)部；②未能對轉(zhuǎn)子所有匝間絕緣層更換進口粘接膠；③該轉(zhuǎn)子經(jīng)過多次檢修后機械扭曲和多次整形導(dǎo)致金屬性能發(fā)生變化，在運行一段時間后，外匝線圈可能再次發(fā)生移位和變形，因此無法保證轉(zhuǎn)子長期穩(wěn)定運行。

經(jīng)了解，國內(nèi)同類型機組均發(fā)生過轉(zhuǎn)子接地或轉(zhuǎn)子匝間短路故障，既有共性的制造問題，又與“日起停”調(diào)峰運行方式有關(guān)。鑒于目前還存在上述遺留問題，建議委托GE公司進行徹底維修處理。

7 結(jié)論

某公司燃氣輪發(fā)電機在停機惰走過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定接地故障，經(jīng)過檢查分析和轉(zhuǎn)子RSO試驗，確認存在接地故障及匝間短路故障。經(jīng)過對轉(zhuǎn)子解體檢修，暴露出故障原因主要有轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)極線圈直線段中部槽底有一條金屬絲、內(nèi)環(huán)極2#線圈底部匝間絕緣層移位、多個線圈繞組弧部移位變形等問題。在分析以上問題原因的基礎(chǔ)上，提出防范措施和處理建議，希望為類似故障的分析處理提供借鑒。

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Cause analysis of a rotor grounding fault of a gas turbine generator

Li Qin

(Guangzhou Development Group Incorporated, Guangzhou 510623)

This paper introduces the unstable grounding fault of the rotor of a gas turbine generator in a power generation company when it is disconnected to low speed. According to the fault characteristics, the rotor repeated pulse method (RSO) test is used to determine the grounding and interturn short circuits inside the rotor. On this basis, the rotor solution is examined and the exposure can be caused. Failure causes of rotor unstable grounding and inter turn short circuit are analyzed, and preventive measures are put forward at last.

gas turbine generator; rotor grounding; failure; cause analysis

2018-03-28

李 沁（1977-），男，重慶人，本科，工程師，主要從事發(fā)電廠安全技術(shù)管理工作。