转子绕组接地故障及原因和防止措施

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：转子绕组接地是发电机运行中较易发生的故障,又是严重影响发电机安全运行的故障。近几年来,国内大型发电机由转子绕组接地所引起的严重运行事故并不少见。因此研究转子绕组接地的原因和防止措施具有重要实际意义。分析认为,接地的原因是制造质量不良、转子绕组受潮。经检查,发电机转子汽侧#9 槽及励侧#15槽口处各有一点接地,形成两点接地故障。

转子绕组接地是发电机运行中较易发生的故障,又是严重影响发电机安全运行的故障。正常运行状态下,发电机转子绕组对地之间有一定的绝缘电阻与分布电容。其绝缘电阻一般大于1 MΩ,水冷绕组转子因有绝缘引水管,在通水状态下的绝缘电阻仅为数千欧。因某种原因绝缘电阻严重下降或对地绝缘损坏时,最常见的即是一点接地故障。此时,因未形成电流回路,对电机运行尚无直接影响。但是,一点接地故障存在后,如切合励磁开关及发电机出口断路器,或发生其他运行事故,转子回路产生过电压时,将有可能导致另外的接地点出现形成,严重威胁发电机安全运行的两点或多点接地事故。此时,发电机将出现不同程度地振动加剧、机组大轴磁化、局部烧损转子绕组绝缘及转轴的严重后果。近几年来,国内大型发电机由转子绕组接地所引起的严重运行事故并不少见。因此研究转子绕组接地的原因和防止措施具有重要实际意义。

(一) 转子绕组接地的原因

转子绕组由于主绝缘损坏导致接地的原因是多种多样的,但从转子接地故障统计资料来看,主要有以下几个方面:

1.制造质量不良

制造质量不良是导致事故和故障的主要原因,例如:

(1)某发电厂的#4 发电机,QFQS—200—2型于1986年12月投入运行,1987年6月在运行中发现转子一点接地,投入两点接地保护后,90min动作,发电机跳闸,测量转子绝缘电阻为304Ω。分析认为,接地的原因是制造质量不良、转子绕组受潮。安装试验时,转子绕组绝缘电阻就不合格。

(2)某发电厂的#6 发电机,QFQS—200—2型于1984年12月投入运行,1987年12月在运行中发现转子一点接地信号,停机检查系转子一点接地,未进行处理。3 天后启动,投入两点接地保护。带5MW 负荷时,两点接地保护动作,发电机跳闸。经检查,发电机转子汽侧#9 槽及励侧#15槽口处各有一点接地,形成两点接地故障。分析认为,接地的原因是制造质量不良,工艺粗糙。

(3)华能某电厂的#1发电机,QFQS—200—2型于1993年11月投入运行,1995年12月22日0∶00带有功负荷150MW、无功负荷30Mvar,转子电流1250A,转子电压233V。0∶40,发出“转子接地”光字牌信号,运行人员按规定投入两点接地保护,在调平衡时,两点接地保护发出信号,此时发电机有明显振动,5W、6W、7W 振动由0.023mm 上升到 0.046mm, 最大时达到0.048mm,8W、9W 的振动也明显上升。降有功至130MW、无功至20 Mvar,接地信号即消失,振动也有所下降。分析认为转子两点接地故障的原因是由于#25、#26槽端部转弯处上层线匝与护环间绝缘受损,且出厂时#25、#26槽可能就有轻微匝间短路,运行中,使该处的匝间绝缘进一步劣化,导致匝间绝缘短路。匝间绝缘破坏,造成转子产生的磁场不对称,导致大轴振动变大。随着故障的发展,在转子高速旋转时,#25、#26槽端部最外层线匝由于离心力作用而紧贴在绝缘烧焦的护板上,当负荷增大时,转子线圈膨胀,#25、#26槽汽端部最外层线匝相当于对护环短路,因而使得转子发出两点接地信号;当负荷减小时,转子线圈相对膨胀也减小,护板烧焦部分对#25、#26槽汽端部最外层线匝显示一定的绝缘,因而使得转子间断性地发出两点接地信号。

对接地故障的处理方法是,更换有关部位的绝缘材料。具体做法是:将汽侧护环下#25、#26槽线包间的绝缘碳化物以及#25、#26槽第1匝至第4匝间的绝缘碳化物清除干净,并用吸尘器反复吸3～5遍,然后用清洗剂清洗2～3遍后换上新的绝缘层和绝缘垫块。将原先松动的6块绝缘垫块进行更换和位置调整,并使松紧程度恰当。

(4)某发电厂的一台100MW 汽轮发电机,在试运中转速达2300r/min 时,出现了转子接地现象,当转速降低到1700r/min时,接地现象消除。分析认为产生接地现象的原因是:

1)实际部件与厂家原设计图纸不符。如图8-7所示,原设计有上异形块,现改用几条薄绝缘片,为防止垫片串动,并对A3弯板头处弯长一点,加上工艺不佳凸凹不平,同时无上异形块,使得转子引线上部有空凹间隙。

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图8-7　转子引线示意图

2)由于安装盖板时是用锤打进去的,在左侧安顶丝时,认为卡一点A3弯板还能起固定作用,造成打透。

3)忽视装盖板与顶丝的配合,完工后没做进一步的检查,而受打击痕迹处实际破坏了引线的绝缘,在出厂做试验时又未被发现。

这种缺陷只有在试运行中,转子达到某种转速时,由于受旋转离心力的影响才会暴露出来。

对此接地故障的处理方法是:

1)由厂家换上一块上异形块。

2)重新换A3弯板。将A3弯板缩短并弯成90°角,使转子恢复出厂标准。

处理后,投入运行一直正常。

2.检修质量不高

检修质量不高是产生接地故障的重要原因,例如,某发电厂的1 号发电机,QFSS—200—2型于1986 年12 月17 日进行大修后,启机前的试验发现转子绕组一点接地的现象。根据利用引水管分点测对地电压的结果分析认为接地故障是汽侧#5 引水管绝缘破损引起的,其故障部位如图8-8所示。

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图8-8　汽侧5号引水管拐弯处故障部位

(a)5号引水管槽;(b)故障部位

接地故障点的处理方法是:由于引水管绝缘破损部位深入在转子端部里侧,无法重新包缠绝缘。便采取加垫隔离的办法进行处理。先按槽宽切一长条0.8mm 厚的环氧玻璃布板加垫在槽楔下,并在深入到里侧后向上弯曲伸出,遮住接地点。然后将里侧第#7槽楔换用一块长度缩短10mm 的新槽楔。封门槽楔锯短5mm,即总长度减少15mm。处理后,在通水情况下,绝缘电阻由原来的4kΩ 上升到200kΩ,升速过程及定速后的绝缘电阻均为150kΩ,说明接地故障已经消除。

3.遗留导电金属车削物或渣粒等杂物

这也是导致转子绕组接地故障的原因之一。例如,某发电厂的1 台氢冷汽轮发电机,QFSN—300—2型于1993年3月正式并网发电,投入运行仅半年,转子即频繁出现不稳定接地信号。发电机升速时测得的转子绝缘电阻值如表8-5所示。

表8-5　转子绝缘电阻实测数值表

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由表8-5中数据可见,转子静止及低转速时,转子绝缘电阻值正常,但转速达650r/min时,绝缘电阻即迅速降低,至2200r/min时已降至零值。显然,接地故障的出现与转速有关,即与绕组所受的离心力大小有关,属于动态不稳定接地。

根据测试结果分析,转子接地故障是由未清除干净的金属细屑或粉尘引起的。在通电流的情况下被烧断或烧除。

抽出转子,拔下励侧护环后,发现第17号槽第3段槽楔绝缘垫条下,有一长31mm、直径约0.33mm 的铜屑形成的接地点,在其两端一转子铜线与槽壁上有残留的点电弧黑灰色放电痕迹,经揩拭后未见任何麻点,仍呈光滑表面。

消除故障后,装好转子,经耐压试验合格,重新并网运行,满负荷稳定运行至今。证明故障检查及处理是成功的。

4.氢气湿度过大

氢气湿度过大对转子主绝缘不利,如某台国产200MW 氢冷发电机,当氢气温度低至20℃时,氢气湿度过大,出现接地,当氢气温度提高后,接地现象消失。

(二) 防止转子绕组接地故障的措施

1.改进设计,提高制造质量

某电机厂早期生产的发电机,转子绕组通风结构采用侧面铣槽,槽内垫条位移堵塞通风孔,已造成许多电厂转子绕组对地绝缘烧损接地。其他电机厂生产的机组也发生过转子绕组接地和匝间短路,其原因是槽口处导线凸起变形,有的转子出厂通风试验不合格,可能导致绝缘烧损接地。

2.防止转子受潮

发电机在安装前的运输及保管过程中,应防止转子受潮。为此,要将转子充氮封闭。

3.防止异物落入通风孔内

为防止通风孔被堵塞而影响散热,在安装过程中,应避免异物掉入通风孔内。出厂和大修时应对通风孔检查和试验,对有堵塞现象的应查明原因加以消除。

(三) 转子绝缘电阻过低或接地的处理方法

根据《规程》(DL/T 596—1996)规定,运行中转子绕组的绝缘电阻在室温时一般不小于0.5MΩ,水内冷转子绕组的绝缘电阻值在室温时一般不应小于5kΩ。如发现转子绝缘电阻过低或接地情况时,应根据不同具体情况进行处理。常见的情况如下:

1.转子绝缘受潮

如果经试验鉴定及情况分析后,确认是因为受潮而使转子绝缘电阻过低或引起接地时,应进行干燥。

2.集电环 (滑环)下有碳粉或油污堆积

由于集电环与轴间的绝缘表面有碳粉和油污堆积使转子绝缘电阻过低或造成接地时,应将集电环及绝缘上的碳粉和油污用布擦净,再用0.4～0.6 MPa的压缩空气吹净,也可用布条浸汽油擦拭。处理后,应测量绝缘电阻,若绝缘电阻回升,则说明处理正确,否则应继续查找原因。

3.转子绕组端部积灰

转子绕组端部严重积灰是造成转子绕组绝缘电阻过低的主要原因。其处理办法是拉出两端护环,把端部积灰吹净。经处理后,其绝缘电阻一般会立刻回升。这时应剥去护环绝缘,用干燥的压缩空气将端部及转子本体上的各个通风槽内的积灰尽量吹净。压缩空气的压力一般为0.1～0.2 MPa。当端部绕组的绝缘漆膜有脱落时,应对端部绕组涂一层绝缘漆 (如H30—2 环氧漆)。干燥后装复护环,再测一次绝缘电阻,其值应大于0.5MΩ。

4.槽口绝缘损坏

当发电机转子拉出护环、剥去护环绝缘后,应仔细检查转子绕组端部和槽口绝缘的状况。由于机组运行日久,槽口处槽套的保护层容易老化、断裂,槽套的云母剥落,在云母剥落处形成的间隙中又大量积灰,导致转子绝缘电阻过低或造成接地。如果槽口绝缘普遍损坏,应在恢复性大修时更换槽套;当个别损坏时,可进行局部修理。

修理时需拆去端部和槽口处的绝缘垫块,用0.1～0.2MPa的压缩空气吹净积灰并擦掉垢渍,再将醇酸漆和云母粉调和的填充泥涂塞在槽口绝缘损坏处的缝隙内和绕组与本体之间的转角处,转角处的填充泥应形成一个圆角,以增加绕组与转子本体间的爬电距离。然后包2～4 层0.10× (10～25)mm 的玻璃丝带,应尽可能将填充泥形成的圆角全部包进,第一、二层玻璃丝带不能包得太紧,以免将填充泥挤出。玻璃丝带不要包得过长,否则影响散热。在新包玻璃丝带上应涂绝缘漆。所有槽口绝缘损坏处都应作同样处理,最后在绕组端部喷一层绝缘漆。

修补好槽口绝缘并配好槽口与端部垫块后,测量绝缘电阻符合要求,就可包护环绝缘,准备装复护环。

5.槽绝缘断裂或损坏

转子槽绝缘断裂或损坏时将造成转子绕组接地。如果槽绝缘已经严重老化、断裂,则应进行恢复性大修。若仅为靠近槽楔几匝处个别点槽绝缘断裂或损坏时,可采用临时的修理办法。

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图8-9　修理槽绝缘局部损坏时用的钢片

修理时,先用兆欧表或万用表或探针等方法查出接地点的准确位置,并做好记号。然后用如图8-9所示的前端呈斜面且磨光的钢片从接地点的槽壁插入,同时用万用表测量接地情况。当钢片插入时,万用表指针会有摆动,当钢片插到接地点时,万用表指针将会摆动显著或者使接地消失,绝缘电阻回升,再将钢片插进10mm 左右后,拔出钢片。如果仅此一点接地,拔出钢片后接地现象应消失。此时可将预先准备好的天然云母片或层压薄板塞入槽绝缘与槽壁的缝隙内,用兆欧表测量应无接地现象。向新插入的绝缘片周围的缝隙中注入绝缘漆。

槽绝缘修补好后,在槽内最上面的一匝绕组上涂绝缘漆,按原样垫好垫条打进槽楔。打好槽楔后,应再次测量绝缘电阻,如符合要求则表明已修好。

6.转子绕组引出线绝缘损坏

转子绕组引出线的安装方式有两种:

(1)引出线在转子轴表面的槽内。如图8-10(a)所示,集电环布置在转子两端,其引出线包好绝缘后,嵌放在转子轴表面的槽内,引出线的一头与绕组焊牢,另一头用螺钉或斜楔等与集电环连接,轴表面槽内部分的引出线用槽楔固定,以防止转动时移动或飞出。这种安装方式,引出线绝缘容易损坏。

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图8-10　转子绕组引出线的安装方式

(a)引出线在转子轴表面的槽内;(b)引出线在中心孔内
1—引出线;2—固定引出线的槽楔;3—集电环;4—固定楔块;5—集电环绝缘;6—转子;7—定位螺钉;8—麻线;9—连接铜条;10—长方形铜条;11—铜螺钉;12—环;13—导电螺杆

(2)引出线在中心孔内。如图8-10 (b)所示,集电环布置在励端轴承外侧,其引出线一般安装在中心孔内。这种安装方式,引出线绝缘损坏的可能性很小。

当引出线绝缘损坏时,也会引起转子接地。修理时应打出引出线槽楔,将引出线与集电环拆开,重包或加垫引出线绝缘。包扎绝缘时,新旧绝缘搭接处应有一定的锥度,新包绝缘的厚度应与原来一样。如果无法重新包扎,则应抬起引出线,在四面加绝缘垫条。如槽楔仍松动,可加垫绝缘垫条后将槽楔打紧。如果集电环影响检修,可以拉出集电环进行检修。

转子绕组接地故障及原因和防止措施

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