浅析发电机转子绕组接地原因及危害_盛仲迪.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018浅析发电机转子绕组接地原因及危害盛仲迪上海申能临港燃机发电有限公司摘要：上海某电厂配有四台联合循环机组，每台机组装机容量为400 MW，发电机为上海发电机厂制造，采用德国西门子同步交流发电机技术，冷却方式为水氢氢。发电机出口设有开关和闸刀，正常并、解列操作通过出口开关进行。励磁系统为自并励静止可控硅整流励磁系统，主要由励磁电源变压器、三相全控桥式整流器、灭磁开关等组成。以该电厂2020年7月至9月间#1、#2机组启动时多次出现发电机转子绕组接地报警为例，分析了接地原因、危害及最终的解决方案。关键词：发电机；励磁系统；转子接地保护DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.022Analysis of Causes and Hazards of Generator Rotor Wind-ing GroundingSHENG ZhongdiShanghai Shenergy Lingang Gas Turbine Power Generation Co.,Ltd.Abstract:A power plant in Shanghai is equipped with four combined cycle units,each with an installedcapacity of 400 MW.The generators are manufactured by the Shanghai Power Plant and use Siemenssynchronous AC generator technology from Germany.The cooling method is water hydrogen hydro-gen.The generator outlet is equipped with a switch and a knife switch,and normal merging and split-ting operations are carried out through the outlet switch.The excitation system is a self parallel excita-tion static thyristor rectifier excitation system,mainly composed of excitation power transformer,threephase fully controlled bridge rectifier,deexcitation switch,etc.Taking the multiple generator rotor wind-ing grounding alarms that occurred during the startup of Units 1 and 2 of the power plant from July toSeptember 2020 as an example,the grounding reasons,hazards,and final solutions were analyzed.Key words:Generator;Excitation System;Rotor Grounding Protection收稿日期：2022-08-15作者简介：盛仲迪（1993-07-），男，硕士，从事电气工程自动化工作531SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 发电机转子绕组接地常见原因及危害发电机转子绕组接地是发电机常见的故障形式，通常又以一点接地居多。发生一点接地时，转子绕组与地之间尚未形成电气回路，转子励磁电压和电流受到的影响较小，此时可通过转移负荷的方式缓解故障，不会对发电机运行造成危害，故障可待停机后处理。但需注意的是一点接地如没及时发现和缓解，此时再发生另一点接地，即两点接地的话，则有可能出现严重问题。从实际情况看，发电机转子绕组接地的原因大致有以下几方面：1)磁极绕组与绝缘垫积尘受潮。由于发电机运行时冷却风会带入灰尘，在室内空气湿度较大的情况下易导致绕组绝缘性能下降而形成接地；2)集电环与电刷架黏上的电刷粉较多，导致电环与电刷架连通出现接地；3)集电环与磁极绕组的电缆引线破损使渗漏的透平油泥渗入引线而导致电缆接地，此外由于电缆橡胶皮与内部铜芯线的弹性差异，在旋转离心力的作用下，易造成铁皮夹破橡胶而导致电线铜芯接地。根据1982年以来部分200 MW发电机励磁回路接地故障的统计和分析，发现造成上述接地的根本是制造质量，即绕组匝间绝缘电阻在出厂时就存在短路或绝缘电阻低的隐患。从危害性看，一点接地若处理得当并不会对发电机造成危害，但两点接地则有可能出现以下问题：1)故障点由于流过大电流而烧伤转子本体；2)绕组短接导致电流增加,可能会因为过热而被烧坏；3)绕组短接会使气隙磁通失去平衡从而引起振动，严重的振动会造成灾难性的后果；4)轴系和汽机磁化。1 发电机转子接地保护原理简述目前发电机转子接地保护主要有：电桥式、乒乓式、电压注入式3种。该厂发电机配置了工频电压注入式转子接地保护和13 Hz低频方波注入式灵敏转子接地保护两种。1)工频电压注入式转子接地保护保护原理：保护装置通过耦合单元7XR6100从电压互感器取得外部电源，然后向转子回路注入幅值为3645 V的工频电压，再对称地注入到转子回路正负极，同时将保护装置的零序电压端子UE用于转子对地电阻的测量。串接电阻3PP13用来保护耦合单元7XR6100内的电容，由于此时回路中的阻抗主要是电刷电阻和转子回路对地电容，耦合到转子回路的工频电压将驱动一个很小的充电电流流经耦合单元。保护装置不断测量注入的电压URE和反馈接地电流IRE，计算得到转子绕组回路对地复阻抗，继而得到对地电阻。对地电阻有两段定值：当对地电阻小于起始段电阻4 k时，保护装置发出告警信号；对地电阻小于第二段电阻1.5 k时，保护装置在跳闸命令发出超出延时时长后跳闸。通过外部工频电压注入方法，保护装置可探测到转子回路电阻是否接地。工频电压注入式转子接地保护原理接线图见图1。2)13 Hz低频方波注入式灵敏转子接地保护保护原理：保护通过低频方波控制单元7XT71向转子回路注入50 V的低频方波电压，该电压经过电阻单元7XR6004转换为电流信号后再对称地注入到转子回路正负极，同时7XT71对该电流信号进行测量，计算得到转子回路电阻。13 Hz低频方波电压注入式灵敏转子接地保护远比工频电压注入式转子接地保护灵敏。13 Hz低频方波注入式灵敏转子接地保护原理接线图见图2。该厂在发电机运行时以低频方波注入式保护运行为主，只有当该保护出现故障时切换继电器K624A动作，自动投入工频注入式保护。应注意的是，两套保护同时动作会相互影响灵敏度，因此运行中应避免该情况。2 实例简析该电厂发电机为上海发电机厂制造，采用德国532SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018西门子同步交流发电机技术，励磁系统为自并励静止可控硅整流励磁系统，设备组成和功能包括：1)干式励磁变压器：由6 kV厂用母线供电。2)整流装置：由4路并联的三相全桥组成，当1路桥故障时，其他3路仍满足运行。每路桥的可控硅都串联熔丝，可在故障情况下断开该支路。3)过电压保护装置：直接连接在可控硅整流装置的直流输出侧，可抑制发电机在故障情况下的过电压。4)灭磁装置：由灭磁电阻组成，可快速灭磁。5)自动电压调节器AVR：用于调节发电机机端电压。除发电机及励磁系统外，启动初期，燃机及发电机由静态变频启动装置-SFC带动，待燃机点火后，静态变频启动装置将机组加速到自持转速，随后停止拖动。图2 13 Hz低频方波注入式灵敏转子接地保护原理接线图图1 工频电压注入式转子接地保护原理接线图浅析发电机转子绕组接地原因及危害533SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018该厂#1、#2机组在2020年7月至9月机组启动时多次出现发电机接地保护报警情况，其中#1机组 8 月至 9 月开机 25 次报警 6 次；#2 机组 7 月报警2次，9月1次；#3、#4机组虽无报警，但试验发现低负荷SFC拖动阶段转子绝缘均有不同幅度的降低。#1机启动阶段转子接地报警DCS记录见图3。针对这些情况，厂部与设备厂家进行了讨论，认为可能是现场励磁系统轴电压吸收回路未接地，对转子谐波抑制功能有影响，使转子回路上的谐波较大。此外，厂家认为除接地外，还有可能是转子回路绝缘低导致。图3#1机启动阶段转子接地报警DCS记录为保证机组安全运行，#1、#2 机组在 7 月至9 月的开机过程中，发电运行部值班员时刻保持与设备部电气专业工作人员的联系，在确保工作人员人身安全的前提下对转子绝缘进行实时测量，并积极配合空载试验。在对设备更换、重新布线无果后，该厂与ABB厂家取得了联系，对发电机励磁系统进行彻底排查并录波励磁电压，录波显示有6次较大的谐波。经分析，录波基波为50 Hz，励磁电压一个周期6个波头，6次谐波属正常，不会对转子绝缘产生影响，故排除转子接地是由励磁电压谐波引起。励磁电压录波结果见图4。之后，设备部又再次对转子回路接线进行了排查，发现励磁系统虽放置在空调房内，但出线有一部分在室外，有结露现象，对此进行了出线清洁，并小幅修改保护定值，之后再未出现发电机转子接地报警情况。3 故障的预防从以上分析可知，发电机接地故障难以避免且534SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期ENERGY SAVING ENGINEERING AND ECONOMYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018动态性强不可测，运行人员在机组启停过程中难以处理此类故障，但运行人员需清楚报警类型及保护定值，当出现报警时应积极配合设备部对绝缘进行实时监控，理清思路做好事故预想，如报警后绝缘仍然在变差，应稳定机组负荷或减负荷，待故障原因查明后再进行下一步操作。此外，需对设备进行日常保养，要及时清理和干燥励磁出线结露部位，必要时对重点设备房的湿度进行监控和除湿，定期清洁发电机与大轴之间的油膜、灰尘，保证设备的绝缘良好。图4 励磁电压录波结果浅析发电机转子绕组接地原因及危害535