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一例发电机励磁回路接地故障的分析与处理

一例发电机励磁回路接地故障的分析与处理
1故障情况
    某电厂由前苏联引进的1台200 MW汽轮发电机组采用三机励磁系统,带感应式主励磁机,自动电压调节器为磁放大器原理,参见图1。经过二十多年的运行,原配置的电磁型发电机变压器组保护继电器严重老化,动作特性难以满足主设备安全运行的要求,2000年在机组大修期间进行了技术改造,更换为国电南京自动化股份公司生产的WFBZ-01微机型发变组成套保护装置。
    机组大修启动后,新投运的发电机转子一点接地保护频繁动作发信,最多时1 d达30次以上,并且每次保护动作后均能复归。绝大多数情况下,保护动作报告打印的转子接地绝缘电阻的测量值为1.87 kΩ。
    按规程要求,发电机设有转子一点和两点接地保护。前者只发信号,后者保护跳闸,并且只有在确定励磁回路发生一点接地后,才由运行人员投入两点接地保护跳闸出口。由于该机组每次转子一点接地保护动作后均能复归,实际上也就没有机会投入两点接地保护。并且事后不能确定转子绕组对地绝缘是否降低过,因此怀疑是新的保护原理对发电机特殊的励磁方式不适用而造成的误动。
2保护原理与整定
    该发电机原配置前苏联制造的电磁式转子一点接地保护,采用迭加交流电压原理。更换后的微机型保护,采用新型的迭加直流电压方法,引入发电机转子负极与大轴接地线,迭加源电压为50 V,内阻大于50 kΩ。
    装置利用微机智能化测量,克服了传统上这种原理的保护在转子绕组正、负极灵敏度不均匀的缺点,能准确计算出转子对地的绝缘电阻值,测量范围可达200 kΩ,转子分布电容对测量无影响,并且在发电机启动过程中转子无电压时保护也不会失去作用。
2.1动作逻辑
    该保护动作逻辑见图2。
2.2定值整定
    Rg:保护动作的转子接地绝缘电阻值,kΩ。对于空冷或氢冷发电机,根据经验一般整定为20 kΩ。由于该机组的励磁系统整流元件采用了水冷方式,故将Rg整定为10 kΩ。
    Tyd:保护动作延时,s。该延时的整定比较有争议,规程上也没有明确要求。一般来说,为了防止保护在发电机励磁回路瞬时性接地和转子绕组暂态过程中的误动作,延时的整定可以长一些,保护制造厂家建议为5~10 s。该机组沿用了原先电磁型继电器的定值,Tyd整定为0.5 s。
3故障查找与处理
    励磁回路一点接地故障是发电机较常见的故障形式,一般不会对发电机造成危害。但是一旦出现转子两点接地的情况,不仅会严重烧损转子绕组,而且将使转子磁场畸变,机组振动加剧,特别是轴向电流可能烧坏轴承和大轴,使得汽轮机叶片磁化而造成难以挽回的后果。因此转子一点接地保护动作后,应立即查找原因并处理,避免转子两点接地故障的发生。
    停机检修时曾对故障发电机的转子回路绝缘进行全面检查,摇测转子正、负极对地绝缘均大于38 MΩ,没有发现绝缘薄弱点。在对转子滑环和电缆接头等处进行了认真清扫和绝缘处理后,保护频繁动作的情况也没有好转。检查中还发现,保护动作与机组工况及运行操作没有直接关系,但总的来说冬天动作次数比夏天要少,可见与环境温度有着某种关系。
    鉴于停机后难以发现转子回路故障点的具体情况,决定在机组运行状态下利用仪器捕捉转子一点接地保护动作瞬间转子电压的变化,确定保护频繁动作的原因;同时通过对励磁回路接地瞬间放电电流的测量,查找故障点的具体位置。
3.1励磁电压的检查
    采用HIOKI 8840瞬态信号波形记录仪,记录在转子一点接地保护动作时发电机励磁电压的变化情况,得出以下结论。
    a. 正常时不接入转子一点接地保护,使用指针表检查发电机转子正、负极对地电压,表针呈缓慢下降趋势,逐渐接近0,说明发电机转子对地绝缘良好。使用波形记录仪录波时相当于转子回路经仪器高阻接地,可以测量到稳定的电压值。正负极对地、正对负电压值分别为+126.8 V、-107.8 V、240.3 V。
    b. 正常时接入转子一点接地保护,由于转子回路经保护装置高阻接地,使用指针表检查发电机转子正、负极的对地电压,可以测量到稳定的电压值。正负极对地、正对负电压值分别为+334.7 V、+97.3 V、242.2 V。使用波形记录仪录波,测量结果与此相同。因为在迭加转子一点接地保护的直流电压后,转子负极对地电压被钳制在一个正电位上而导致了上述测量结果。
    c. 接入转子一点接地保护,使用波形记录仪记录保护动作瞬间,发电机转子正、负极对地电压为+232.5 V、+8 V,正对负电压为242. 3 V。可以判定,发电机转子回路负极对地确实存在不稳定的接地故障,录波图3记录了一次转子负极在某处对地短路,对地电压发生波动的情况,所以保护装置动作正确。实际模拟转子负极在滑环附近直接接地,保护动作报告打印的接地绝缘电阻值就是1.87 kΩ。
    d. 通过录波发现,该机组的励磁电压波形很差,见图4。由于主励磁机采用感应式原理,造成了转子电压纹波较大,因此在接入保护回路后测量励磁电压与实际值偏差较大,并且可能会对保护装置的测量产生不利影响。
3.2故障点的确定
    为确定接地点的准确位置,利用波形记录仪对转子回路接地时所产生的瞬间放电电流进行了测录,对相关励磁回路逐一排查。通过对录波资料的分析发现,每次发电机转子负极对地电压波动时,均有瞬间放电电流流过灭磁电阻RWC的回路。
    录波图5显示了发电机转子负极短暂接地放电的过程。在转子大轴对负极电压(通道1)波动的同时,放电电流(通道2、3)流经RWC电阻的电缆。由于在此电缆的两端(通道2、3)电流卡钳的极性被有意反置,放电电流所产生的跃变方向相反,说明波形不是干扰产生的,而确实是放电电流作用的结果。一次对地放电不足以使转子一点接地保护动作,只有在转子负极连续对地短路放电时,保护才经延时动作发信(通道4)。
    经排查逐步将故障点锁定在励磁小间的RWC电阻箱内。检查发现,电阻箱内电阻丝断开,并与外壳虚接,当机组运行振动大时即产生火花放电,导致转子负极接地短路。在夏季高温潮湿的环境条件下,放电更加频繁。对该故障点进行绝缘处理后,机组转子一点接地保护频繁动作问题从根本上得到解决。
4探讨与建议
4.1微机型迭加直流电压原理转子一点接地保护的评价
    在检查灭磁电阻箱内的接地点时发现,由于长时间的放电烧蚀,短路点附近的外壳铁皮出现1个孔洞,并且锈迹斑驳。表明该故障点存在已久,只是改造前的迭加交流电压原理转子一点接地继电器不能反应这种励磁回路短暂的接地故障。事实上,为了避免励磁回路较大的对地容抗对测量的影响,迭加交流电压式转子一点接地保护不得不降低灵敏度,已不能适应大机组的运行要求。
    传统的迭加直流电压原理转子一点接地保护有灵敏度在整个转子绕组上分布不均的缺点,如果是转子负极与大轴接地线间迭加电源,则在励磁绕组负极接地时灵敏度最低。这次转子接地故障恰好发生在转子的负极,并且短路点不稳定,而保护的动作仍然比较灵敏、可靠,证明新型微机保护较好地解决了励磁绕组接地绝缘电阻的测量问题。
4.2关于转子一点接地保护的出口方式及延时整定
    国外大型汽轮发电机一般不装设专门的转子两点接地保护,只是由一点接地保护按不同的定值和延时分别作用于发信和跳闸。国内的转子一点接地保护只动作于发信,再由运行人员投入两点接地保护,对此存在一定争议。有观点认为:励磁回路一点接地后,可能来不及投入两点接地保护很快发展为两点接地故障,造成汽机磁化的严重事故,所以转子一点接地保护应动作于跳闸,不允许发电机励磁回路带故障点长期运行。
    此次励磁回路接地故障证明上述观点有一定道理。故障调查中发现,每次发电机励磁回路负极对地绝缘下降,并没有稳定的短路过程,放电持续时间在几十ms到十几s不等,转子一点接地保护动作后均能复归。由于装置设定的延时使之躲开了许多短暂的放电过程,实际的转子接地次数要比保护动作次数频繁得多,此时一旦发生转子正极接地故障,运行人员已来不及投入两点接地保护,就可能发生励磁回路正、负极间短路的严重事故。
    关于转子一点接地保护动作延时的整定,在出现保护不明原因动作后,不应一昧采用增加延时的方法以躲开发电机励磁回路瞬时性接地。此次转子接地故障中,如果单纯以增加延时来避免保护的频繁动作,将埋下严重的事故隐患。鉴于微机型保护已可以有效地防止转子绕组暂态过程的干扰,建议转子一点接地保护的发信延时整定在0.5~2 s之间。
4.3关于发电机转子大轴接地问题的说明
    发电机运行时沿着转子轴感应产生交变电势,数值在几V甚至十几V,此电势可以通过发电机转子和轴承、大地构成回路产生轴电流,对转子轴颈及轴承的乌金造成损害。为了防止轴电流的形成,在发电机励侧轴承、励磁机轴承与机座的底板间,使用绝缘板隔开,每根油管的2个相邻的法兰也相互绝缘。同时为保证大轴与地等电位,在发电机的汽轮机侧装设有大轴接地碳刷。
    国内的制造厂家通常只提供发电机汽侧一个接地碳刷装置,也有在发电机的励磁机侧提供另一个接地碳刷的。在现场安装时,有的只将转子接地保护的二次线经接地碳刷连接大轴,并没有真正接地。发电机汽侧大轴不接地是有害的,因为大轴对地存在电位差,可能通过轴瓦油膜的间隙放电,造成轴颈和轴瓦的烧伤。因此,发电机汽侧的接地碳刷必须通过引线与机座相连可靠接地,如果转子接地保护也使用这个碳刷,建议将接地点改在保护屏处以提高保护灵敏度。为防止发电机励侧轴承座对地绝缘破坏,产生的较大轴电流威胁设备安全,可以经小电阻接地。
    发电机具有汽侧和励侧2个接地碳刷的,应该只将汽侧的碳刷接地,励侧的碳刷不得接地。如果转子接地保护使用励侧碳刷,必须注意保护二次回路不得有接地点,否则就提供了轴电流通路。
4.4励磁电压波形较差时如何保证保护装置的测量精度
    本次故障的发电机励磁电压波形较差,影响了保护装置对励磁回路接地电阻值的测量准确性。试验时,在转子负极与大轴接地线间接入可调电阻,校验保护装置测量的转子接地绝缘电阻值,发现装置的显示值不稳定,上下波动超过实际值的±30%。另外,接入转子一点接地保护后发现励磁电压纹波更加严重,原因是保护装置内部也采用了整流电路。为保证装置的测量精度,建议保护制造厂家增强装置内部的滤波功能,减小励磁回路杂波对保护测量的不利影响。
 

公司名称:湘潭碳刷厂(代理正宗英国摩根碳刷、法国罗兰碳刷进口碳刷发电机碳刷、轧钢电机碳刷)

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