发电机励磁回路一点接地故障分析

中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司的研究人员戴申华，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文，研究了发电机励磁回路不同部位一点接地时转子正负对地电位的大小及波形，并给出了通过转子正负对地电位的大小及波形确定接地点的方法。

同时，采用研究得出的方法分析了一起发电机转子接地故障，该发电机发生故障时的转子正负对地电位与文中分析的完全一致。文章给出的分析方法对于发电机励磁回路一点接地的查找及故障定位具有重要的参考价值。

发电机励磁回路是指励磁系统的功率回路，对于自并励励磁系统，励磁回路包括发电机转子回路和励磁变压器低压侧出线，而对于交流励磁机励磁系统，励磁回路包括发电机转子回路和励磁机电枢绕组出线。正常运行时励磁回路对地绝缘电阻应大于500kΩ。

励磁回路一点接地是指发电机转子回路、励磁变压器低压侧出线或励磁机电枢绕组出线等部位与地存在金属性或较低阻抗的短路点。一般情况下，励磁回路一点接地允许机组短期运行，但发生一点接地之后，如果发展成为两点接地，将会对机组转子及大轴造成很大损害[1]。

准确检测励磁回路一点接地是一个较为复杂的课题，检测原理有很多种，如迭加直流式、迭加交流式、乒乓式、惠灵顿电桥原理及转子对地电压直测式等[2]。目前，国内用的比较多的有迭加交流式、乒乓式以及惠灵顿电桥原理，从运行情况看，都曾出现过误动的问题[3][4]，并且发电机励磁回路有一部分是旋转部件，当发生非永久性接地时，故障排查十分困难。

针对发电机转子一点接地保护，目前有较多的研究，大部分关注的是继电保护动作可靠性和灵敏性[5]，而对于转子一点接地之后电气特性研究的较少。特别地，发电机转子回路是励磁回路的一部分，其电气上直接连接，发电机转子一点接地保护动作以后，其故障点不一定是在发电机转子回路，需要深入的研究及排查。

本文主要从励磁回路一点接地之后转子对地电压的变化来分析接地的可能位置，并结合实际案例来阐述故障分析过程。

1　励磁回路一点接地机理分析

在正常运行情况下，发电机转子回路与地绝缘，如果用万用表测量，则显示的是漂移电位。“转子一点接地”报警信号发出之后，现场确认最常用的方法是采用万用表测量转子正、负对地电压。本章将分别分析转子内部接地和整流桥交流侧接地时的整流桥正、负对地电压，研究其规律。

1.1　转子内部接地

图1是转子内部接地时等效电路图。

图1  转子内部接地时等效电路图

其中R1、R2分别为接地点至转子正、负极之间的电阻值，R为转子接地电阻值，设转子电压为U，正对地电压为U+，负对地电压为U-。由于转子是一点接地，励磁回路与地之间未形成回路，R上无电位差，则U+为转子电流在R1上形成的电压，U-为转子电流在R2上形成的电压，U+和U-满足以下关系式

式中U+和U-均为直流电压表测量的电压平均值。

1.2　整流桥交流侧接地

当整流桥交流侧接地时，随着二极管的换相，当接地点附近阳极二极管导通时，转子的正极电压被强制拉到0，此时负极对地电压为负的转子电压；当接地点附近阴极二极管导通时，转子的负极电压被强制拉到0，此时正极对地电压为正的转子电压；当接地点附近的两个二极管均不导通时，正极或负极的对地电压均为导通相对非导通相的线电压。

利用matlab/simulink搭建三相全控二极管整流仿真回路，模拟整流桥C相接地短路，分别录取整流桥正对地电压U+、负对地电压U-及整流桥输出直流电压Uf形如图2。

图2  整流桥正、负对地仿真电压波形

从图2的仿真结果可见，整流桥的正负对地电压呈现直流脉动波的形式，正对地全部大于0，负对地全部小于0，且正对地电压与负对地电压之间的电压差值正好与整流桥的直流电压相等。由于测量的时候受现场条件所限，采用的往往是万用表的直流电压档位，而万用表测量直流电压不能显示电压的波形和瞬时值，只能显示电压的平均值。

从仿真结果可见，当整流桥交流侧发生一点接地时，整流桥直流侧正对地电压和负对地电压平均值具备幅值相等、相位相反的特点。

2　案例分析

某电厂汽轮发电机运行中发出“发电机转子一点接地”报警。报警发生之后，初步检查发现该机组转子接地保护装置报“转子一点接地”报警，转子正负极对地电压分别为86V和-86V，机组3瓦在报警同时振动有上升（33um增加至55um），但在几分钟后振动稳定在39um，初步判断转子存在一点接地问题。

2.1　故障设备概况

该发电机为济南发电设备厂生产的60MW无刷励磁机组，其励磁机电枢绕组通过二极管整流桥全波整流为发电机提供励磁电流，励磁机励磁回路处于静止状态，其励磁电源由励磁调节器输出，励磁调节器可控硅的交流电源由厂用电提供。励磁机输出旋转二极管整流桥为三相全波整流，每组5个整流二极管，二极管并联阻容吸收回路。

图3  故障设备励磁回路示意图

图3为故障设备励磁回路示意图，其中每组5个整流二极管简化为一个整流二极管，F1为阻容吸收回路交流侧电缆，F2为转子中心点位置。

2.2　故障概况

1)　转子正负对地电压检查

发电机发“转子一点接地”报警后，退出转子接地保护，利用万用表直流电压档位测量发电机转子正负对地电压，测量结果为转子电压为172V，转子正对地86V，负对地为-86V，具备正、负对地电压的幅值之和等于转子电压值、而正负对地电压的幅值相等的特点。

2)　绝缘电阻检查

从发生报警至停机的6个小时过程中，励磁系统无报警信号发出，励磁电压电流稳定，无异常。

由于“转子一点接地”报警不能复归，为避免发展为两点接地导致更大的安全事故，机组解列，并采用500V绝缘摇表分别测量发电机转子对地绝缘情况，测量结果见表1。

表1  发电机降速过程中转子绝缘电阻测试

从转子绝缘电阻测试结果可见，随着转速下降，发电机转子对地绝缘电阻在增大，转速90r/min以下时，转子对地绝缘电阻迅速增大，在发电机盘车状态时，转子对地绝缘合格。

2.3　原因分析

从励磁回路绝缘测试结果可见，发电机确实存在转子接地，该接地是一个与转速强相关但不稳定的接地类型，应该是发电机的旋转部件发生了短路接地问题，且由于接地不稳定，故障排查比较复杂。

从转子正负对地电压绝对值相同可见，转子如果内部存在接地点，那接地点应该在转子中心点位置对大轴短路，但该发电机在年前返厂维修之后各项试验结果符合制造要求，才半年即发生转子接地的可能性不大。

该发电机采用的是旋转励磁，其励磁机电枢、整流回路均处于高速旋转状态，相对于转子铜排，整流回路的部分辅助电缆相对较细，也有可能在高速旋转时发生接地故障。从1.2节机理分析可见，整流桥交流侧接地时转子正负对地电压幅值相等、相位相反，与现场测量的结果一致。

从上述分析可见，旋转整流器交流侧一点接地和转子中心点位置对大轴短路均有可能，但由于转子内部故障排查需要抽转子检修，耗时相对很长。为尽快排除故障点，首先排查旋转整流器交流侧，经过讨论后，打开励磁机外壳（4瓦）检查，图4即为4瓦打开后旋转整流器附近的情形。

打开4瓦之后，检查旋转整流器周边回路，发现其阻容吸收回路的电缆有破损痕迹，部分电缆保护套已破坏严重，线芯散乱，在高速旋转时，电缆的线芯极易碰到大轴，如果阻容吸收回路靠交流侧的电缆（图3中的F1位置）发生接地，即相当于整流器交流侧接地。

图4  旋转整流器连接线损坏情况

结合上述分析，旋转整流器的阻容吸收回路电缆线芯在高速旋转时与大轴接通是导致转子一点接地报警的直接原因。

3　结语

基于文中所述，发电机励磁系统整流桥交流侧发生一点接地短路时继电保护也会发“发电机转子一点接地”报警。通过文章的分析，无论是转子还是整流桥交流侧接地，其均表现为发电机转子正负对地产生固定电位，转子正负对地电位的大小可以作为励磁回路一点接地排查的重要辅助判据。