大容量發(fā)電機組安全運行對電網(wǎng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子短路故障是汽輪發(fā)電機常見故障之一，故障較嚴(yán)重時，可能造成大軸磁化、設(shè)備燒損等情況。

發(fā)生短路故障的原因主要有兩點：①由于運行過程中的機械力、電磁力導(dǎo)致絕緣變形或局部損壞；②由于制造工藝不足造成的絕緣損壞。查找轉(zhuǎn)子接地故障常用的檢測方法有交流阻抗與功率損耗試驗、重復(fù)脈沖（recurrent surge oscillograph, RSO）試驗、繞組電壓試驗和極電壓平衡試驗等。

本文以某電廠1080MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子短路故障為例，論述采用相關(guān)試驗等方法進行故障診斷和分析的過程；并對比故障前后的試驗結(jié)果，說明試驗分析與故障判定結(jié)果正確，確保缺陷消除后發(fā)電機狀態(tài)正常。

1 轉(zhuǎn)子接地故障過程與記錄

某廠一臺1080MW汽輪發(fā)電機組在168h試運期間發(fā)生滅磁開關(guān)跳閘動作致使機組解列，隨即針對故障開展診斷分析工作。發(fā)電機額定參數(shù)、故障前運行參數(shù)見表1。

1.1 發(fā)變組保護動作記錄

檢查發(fā)變組保護裝置，相關(guān)電氣保護動作過程見表2。其中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護由勵磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子接地保護裝置提供，轉(zhuǎn)子接地Ⅰ段定值10k 動作于報警，Ⅱ段定值5k 動作于跳閘；勵磁系統(tǒng)故障跳閘設(shè)有0.5s延時動作，轉(zhuǎn)子接地Ⅱ段跳閘設(shè)有5s延時動作。

表1 發(fā)電機額定及故障前運行參數(shù)

表2 發(fā)變組保護裝置動作記錄

1.2 故障錄波波形記錄

查看故障錄波裝置，在滅磁開關(guān)跳閘前，發(fā)電機運行正常，機端電壓、電流無異常，如圖1所示。而在滅磁開關(guān)跳閘前，勵磁電流和勵磁變高壓側(cè)電流明顯上升，勵磁電壓小幅下降情況，如圖2所示。

保護動作、開關(guān)變位的時間及順序記錄如圖3所示，其結(jié)果與發(fā)變組保護裝置事件記錄相符。其中，“轉(zhuǎn)子接地保護跳閘（A屏）”“轉(zhuǎn)子接地接地保護跳閘（B屏）”未保護啟動時，延時（定值5s）動作未計入。

1.3 勵磁系統(tǒng)記錄

為準(zhǔn)確分析故障時刻工況，查看勵磁系統(tǒng)故障波形，如圖4所示。

圖1 發(fā)電機機端電壓、電流波形記錄

圖2 勵磁電壓、電流波形記錄

圖3 保護動作及開關(guān)變位記錄

圖4 勵磁系統(tǒng)故障波形記錄

勵磁系統(tǒng)中P、Q基準(zhǔn)值為1 200MV?A；發(fā)電機電壓Ug基準(zhǔn)值481V，電流Ig基準(zhǔn)值25 661A；勵磁電壓Uf基準(zhǔn)值481V，勵磁電流If基準(zhǔn)值5327A。根據(jù)波形記錄可知故障時刻If最高達(dá)到3.08倍基準(zhǔn)值，約為16407A。

由以上各裝置的數(shù)據(jù)波形檢查可以判斷故障過程為：勵磁系統(tǒng)發(fā)生勵磁過流，導(dǎo)致滅磁開關(guān)跳閘；勵磁系統(tǒng)故障跳閘信號至發(fā)變組保護裝置，經(jīng)0.5s延時后保護動作，啟動廠用電切換，發(fā)關(guān)主汽門信號；隨后ETS動作，發(fā)熱工保護至發(fā)變組保護裝置，聯(lián)跳主變高壓側(cè)斷路器；熱工保護動作后延時約15s保護裝置收到轉(zhuǎn)子接地保護跳閘信號。

2 現(xiàn)場檢查與試驗分析

2.1 現(xiàn)場初步檢查

發(fā)電機跳閘后，轉(zhuǎn)子接地保護裝置顯示接地Ⅱ段動作、絕緣電阻1kΩ，且裝置不能復(fù)歸。斷開發(fā)電機大軸至轉(zhuǎn)子接地保護裝置接線，拆除勵磁碳刷后，轉(zhuǎn)子接地保護裝置可復(fù)歸，此時顯示絕緣電阻2MΩ，說明轉(zhuǎn)子接地保護裝置功能正常。

檢查發(fā)電機勵磁各部件無明顯損壞痕跡，經(jīng)測量勵磁直流母排絕緣電阻為2MΩ，轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻0.1Ω，轉(zhuǎn)子繞組直流電阻0.029Ω（其出廠值為0.069Ω）。為進一步查找故障原因，采取試驗方法進行檢測分析。

2.2 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗

測量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗參數(shù)，并與歷史數(shù)據(jù)對比變化趨勢，是判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在短路故障的常用方法。故障前后，發(fā)電機盤車工況的交流阻抗試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 故障前后轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗對比

根據(jù)兩次試驗數(shù)據(jù)的明顯差異，可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生短路故障。

2.3 轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗

RSO試驗原理基于行波過程理論，在轉(zhuǎn)子繞組兩端同時注入脈沖波，通過分析注入點波形和特性波形判斷繞組是否存在故障。繞組在正常情況下由于其結(jié)構(gòu)對稱性，當(dāng)兩端同時注入一致的脈沖波時，其特性波形應(yīng)為平直直線。

當(dāng)繞組存在故障時，繞組阻抗分布變化將產(chǎn)生反射波，則兩端呈現(xiàn)不同的合成波，在特性波形上表現(xiàn)為突起的尖峰。特性波形尖峰的位置、幅值與故障程度、位置有關(guān)。故障后盤車工況的RSO試驗波形如圖5所示。

圖5 故障后RSO試驗結(jié)果

根據(jù)特性波形曲線存在明顯尖峰，同樣可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在短路故障。

2.4 勵磁小電流開環(huán)試驗

為確定勵磁系統(tǒng)設(shè)備完好、功能正常，測量勵磁系統(tǒng)交、直流側(cè)絕緣結(jié)果合格，并進行小電流開環(huán)試驗，結(jié)果見表4。根據(jù)試驗結(jié)果可以判斷勵磁系統(tǒng)功能正常。

表4 勵磁小電流開環(huán)試驗結(jié)果

綜合上述多項試驗結(jié)果可以確定，此次勵磁系統(tǒng)過流引起的發(fā)電機解列事故，是由發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部發(fā)生接地短路故障造成。

3 故障原因分析

根據(jù)前文所述試驗結(jié)果，并結(jié)合發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點，推斷故障可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組前端及引出線導(dǎo)電桿兩個部位。為確認(rèn)故障發(fā)生部位，脫開發(fā)電機側(cè)導(dǎo)電螺釘后，分別測量轉(zhuǎn)子繞組和導(dǎo)電桿對地絕緣電阻。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻為93MΩ，導(dǎo)電桿對地絕緣電阻為0.1Ω。由試驗數(shù)據(jù)可以基本排除轉(zhuǎn)子繞組短路情況，可進一步確定故障點發(fā)生在導(dǎo)電桿處。

抽出導(dǎo)電桿后，發(fā)現(xiàn)靠發(fā)電機側(cè)表面存在明顯燒損痕跡，并且有一處碳化擊穿點，導(dǎo)電螺釘孔底部有金屬熔融物。將導(dǎo)電桿返廠解體檢查發(fā)現(xiàn)故障點銅體局部燒損，合縫處絕緣隔板燒損、碳化；接地點熔融物沿導(dǎo)電桿合縫面軸向流動，并沿寬度方向流動至導(dǎo)電螺釘孔底面。

圖6 導(dǎo)電桿內(nèi)部損壞痕跡

由此確定引起接地故障的原因是，導(dǎo)電桿內(nèi)部兩極間短路，產(chǎn)生高溫熔化局部導(dǎo)電桿并使導(dǎo)電桿對地絕緣碳化損壞造成接地故障。根據(jù)返廠檢查結(jié)果判定此次故障由導(dǎo)電桿內(nèi)部絕緣損壞，導(dǎo)致兩極間短路，產(chǎn)生高溫熔化局部導(dǎo)電桿并使導(dǎo)電桿對地絕緣損壞造成接地。

在完成導(dǎo)電桿修復(fù)安裝后，發(fā)電機在靜態(tài)工況下進行相關(guān)試驗檢查以確保缺陷已消除。靜態(tài)工況轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗結(jié)果見表5。

試驗數(shù)據(jù)表明修復(fù)后交流阻抗參數(shù)無異常。靜態(tài)工況轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗結(jié)果如圖7所示，可以看出合成的特性波形曲線為一條平展直線，表明無阻抗突變點，轉(zhuǎn)子繞組無異常。

通過上述試驗以及相關(guān)檢查工作可以判斷轉(zhuǎn)子內(nèi)無異常，修復(fù)后短路故障已排除，可正常投運。

表5 修復(fù)后轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗結(jié)果

圖7 修復(fù)后RSO試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了一臺1 080MW汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子短路故障的發(fā)展、診斷及處理過程。通過多項試驗分析確定該故障由導(dǎo)電桿內(nèi)兩極間短路造成，但由于故障部位損壞嚴(yán)重，尚未確定極間短路原因。

為避免同類故障的發(fā)生，提出幾點防范措施：

1）發(fā)電機在制造、運輸、安裝、維護時需進行嚴(yán)格質(zhì)量管控，以免在運行前造成設(shè)備缺陷。

2）發(fā)電機在運行過程中需對相關(guān)參數(shù)加強監(jiān)測和分析，及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)。

3）RSO試驗在判定轉(zhuǎn)子狀態(tài)、故障定位等方面有獨特優(yōu)勢，可以建立RSO試驗數(shù)據(jù)檔案，并進行長期跟蹤。

以上研究成果發(fā)表在2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“1080MW汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路故障分析”，作者為康逸群、宋夢瓊、宋楊。