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摘要：本文介绍了某600MW汽轮发电机在实际运行中发生的一起因转子励磁回路故障而引起发变组跳闸的事故。通过现象分析，逐步查找故障点，最后找出故障点。对故障进行了原因分析以及采取相应措施，保证机组安全稳定运行。
关键字：]转子励磁回路故障 查找过程 原因分析 采取措施
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-288-02
一、事情经过
某600MW燃煤机组。6：45时，该机组有功350MW，无功-7MVar运行。这时集控室#1机组DCS上发“#1发电机灭磁开关柜过电压保护动作”，紧接着发“#1发电机励磁系统一点接地报警#1、#2动作”，故障录波器上发“转子电流高越限启动”，发变组跳闸。就地保护室#1发变组保护IV屏M-3425A保护装置64F转子接地保护动作，#1发变组故障录波器启动录波。就地励磁小间#1发电机灭磁开关柜过电压保护动作信號灯亮。
二、励磁系统的构成
如下图1所示，该机组采用的是自并励的励磁方式，整个励磁系统共9台柜，包括一台AVR2000调节器柜，1台灭磁开关柜，4台可控硅整流柜，1台灭磁电阻柜，1台交流进线柜，1台直流出线柜。发电机正常运行时，发电机出口电源通过励磁变压器降压后，再经过可控硅整流柜转变成直流供给发电机的励磁电源。起励电源：a交流（380V保安段）；b直流（220V直流动力段）。起励回路由调节器自动控制投入，起励开关自动闭合，向磁场绕组通流，定子建压开始。当机端电压达到发电机额定电压的10%时，整流桥已能接管励磁控制，起励开关自动断开，起励自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到额定电压20KV，整个起励过程的控制和监测都是由AVR软件实现的。
灭磁：采用非线性电阻（ZnO）灭磁方式，配合调节器的逆变灭磁。（1）正常停机时控制系统向SAVR2000自动励磁调节器与手动励磁调节器发出停机逆变信号，励磁装置向可控硅整流装置发出逆变脉冲，发电机转子能量通过逆变送回励磁变压器交流侧进行灭磁。（2）事故停机时，直接跳灭磁开头，将非线性灭磁电阻接入。
图1：发电机励磁系统图
三、故障查找过程
1、对#1发电机转子试验检查未发现问题
用500V绝缘摇表测量转子绝缘电阻：1.8MΩ（带碳刷）；200MΩ（拆除碳刷）；拆除碳刷和直流励磁封母与励磁系统的联接后，测量直流励磁封母绝缘电阻：50MΩ。
2、对#1发变组保护IV屏的M-3425A保护装置（美国BECKWITH公司）定值与定值单核对检查一致和进行校验，装置动作正确。
转子接地保护[64F]FIELD GROUND PROTECTION 定值
整定值名称 整定值 定值说明
#1（I段定值） PICKUP（启动值） 15KΩ 在转子励磁回路上测量转子绕组与地（64F）之间的绝缘电阻（Rf）
DELAY（延时） 75C（周波） 1.5S
OUTPUT（动作输出继电器） 19（继电器） 发信
BLOCKING INPUT（输入闭锁信号） No Select 没选择
#2（II段定值） PICKUP（启动值） 5KΩ 在转子励磁回路上测量转子绕组与地（64F）之间的绝缘电阻（Rf）
DELAY（延时） 150C 3S
OUTPUT（动作输出继电器） 4（继电器） 全停1
BLOCKING INPUT（输入闭锁信号） No Select 没选择
3、对故障录波装置波形检查：发电机的机端电压、电流、励磁变高低压侧电流、转子电压没发生突变，转子电流有突变，在2000多安时突然增大到6000多安左右。
4、对发变组保护装置录波图检查发电机的机端电压、电流没发生突变。
5、对#1发电机灭磁开关柜过电压保护回路中的非线性电阻61R、62R进行更换和对转子电流的变送器更换。
6、对励磁系统可控硅整流装置进行静态小电流试验没发现整流后的波形畸变、异常。
7、#1发电机励磁系统中解开励磁变高压侧的进线，从6Kv工作IC段的备用间隔6517开关引三相电缆至励磁变高压侧的进线端，励磁系统采用他励方式手动对可控硅整流装置进行静态小电流试验没发现整流后的波形畸变、异常。手动励磁升压过程中在励磁系统转子直流出线母排分别通过电阻箱模拟转子正、负极对地接地故障，发变组保护转子接地保护动作正确。
8、模拟#1发电机灭磁开关柜过电压保护回路动作，信号正确。正向过电压回路设计值为2000V，反向过电压回路设计为1600V。
如下图2所示，未解线时，测量转子侧过压电阻71R、电源侧过压电阻72R两端阻值均为20KΩ，焊开71R、72R电阻的接线，测量71R、72R均为∞，71R、72R分别由8个电阻串而成，R71=10K+33K+33K+33K+20K+20K+20K+5K =174K，R72 =10K+33K+33K+33K+20K+20K+20K+10K =179K，其中71R的第1、3、5、6、7共5个电阻烧断，72R的第1、6、7共3个电阻烧断，更换烧坏电阻后并恢复接线，测量71R两端电阻为18.26KΩ，测量72R两端电阻为18.56 KΩ。因71R和73R并接、72R和74R并接，71R、72R的断开使阻值从18K左右增加至20K左右，提高了过压保护的动作值，过压回路并没有断开，接地时转子负极出现正向电压，触发可控硅导通，灭磁柜的过压信号发出是正确的。
图2：发电机过电压保护接线图
9、对转子滑环及碳刷、励磁封母进行清扫检查没发现异常。用500V绝缘摇表测励磁封母绝缘，绝缘合格。 10、以上检查和工作完成后发电机通过励磁系统手动零起升压试验，转子电流升至800A左右之后在DCS画面上显示的电流开始跳动至1000A多或2000A多不等，发变组保护装置M-3425A转子接地保护动作，机端电压升至18KV之后，就地励磁小间#1发电机灭磁开关柜过压保护动作，就地励磁过压保护动作后能复归，就地励磁小间对转子电压正、负极之间测量极间电压值稳定不变，测量转子电压正、负极分别对地（或大轴）电压值不断发生跳变，不固定一个数值。
11、解除发电机灭磁过压保护柜和转子接地保护装置、变送器测量回路与励磁系统相关的回路后，发电机通过励磁系统手动零起升压试验，转子电流仍跳变。
12、对励磁系统四个可控硅整流柜分别进行每个柜手动零起升压试验，转子电流仍然跳变，励磁系统过压保护和转子接地保护仍然动作。
13、经过对转子正极碳刷架、正极滑环、正极集电环、导电板、转子励磁风扇罩和转子負极碳刷架等进行吸尘清扫检查后，测量#1发电机转子动态交流阻抗试验未发现异常。
14、经过对转子正极碳刷架、正极滑环、正极集电环、导电板、转子励磁风扇罩和转子负极碳刷架等进行吸尘清扫检查后，励磁变用6KV工作IC段备用开关6517供电，励磁系统采用他励方式手动对可控硅整流装置进行零起升压试验到发电机空载电压14KV之前没发现整流后的波形畸变、异常，此时发变组保护发转子接地报警信号。升至15KV时发变组保护发转子接地报警信号，就地励磁小间对转子电压正、负极之间测量极间电压值稳定不变，测量转子电压正、负极分别对地电压值不断发生跳变，不固定一个数值，示波器观测到的正、负极分别对地的波形开始出现不规则波形。发电机电压从1KV建压升至15KV过程中，转子电流不再发生跳变现象。。发变组保护发转子接地报警信号后，逆变灭磁后即拔完励磁碳刷测转子绝缘为994MΩ（DC：1000V）。
15、拆除转子负极碳刷架和转子励磁风扇罩、负极软连接的底架底面与基础风洞相接的绝缘板，检查发现转子负极碳刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片第1块有断裂且对基座有放电痕迹，第1、2、3块软铜片之间也有放电烧损痕迹，见下图3所示。
图3：负极直流母排相软铜片断裂点
16、转子负极碳刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片有放电痕迹的第1、2、3块软铜片从转子负极碳刷架导电板根部、励磁系统负极直流母排根部切断清除后，#1发电机励磁系统恢复自并励励磁方式手动对发电机进行零起升压试验正常，转子电流、转子电压正常无跳动现象，发变组保护转子接地保护不发接地报警信号，励磁系统灭磁过压柜不再发过压保护动作信号。
四、动作原因分析
（一）#1机组跳闸的主要原因：
1、检查发现“转子负极刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片第一块有断裂且对基座有放电痕迹，第1、2、3块软铜片之间也有放电烧损的痕迹”。因此，分析认为，转子负极刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片第1块靠励磁系统负极直流母排侧完全断裂后，在机组运行过程中因下端无固定受力而受到转子碳刷冷却风的吹动发生晃动，励磁转子电流达到一定的数值后第1块软铜片下端对基座不稳定的间歇性放电接地，在此过程中励磁回路对地产生不稳定的交变电动势，引起转子正、负极对地电压产生不规则的变化，而发变组转子接地保护检测到转子接地达到保护发信及跳闸动作值后，转子接地保护先发信后再动作出口，转子接地保护正确动作后全停#1发变组联跳#1机组。
2、转子负极刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片在转弯处容易受折拉伸变形且受到转子碳刷冷却风的吹动发生晃动和励磁电磁力的影响而造成软铜片间产生电位放电损坏铜片，降低了强度受应力不均匀而发生断裂。
3、断裂后的软铜片因一端无固定受励磁电磁力和碳刷冷却风的吹动发生晃动及基座积尘多喝空气潮湿而产生放电接地和铜片之间放电。
（二）、转子过压保护动作的主要原因：
1、转子正极碳刷架其中一个（或几个）碳刷与正极导电板分流在转子高速转动时产生有规律的不稳定接触，在转子回路感应出交变电动势，通过转子回路过压保护的负极侧反向导通造成过压保护回路动作。
2、在此过程中转子回路感应出的交变电动势产生高次谐波引起在转子回路产生交变电流、转子交变电流经过变送器元件后再送至DCS画面监视数值的变化，故DCS画面电流值就有规则的变化，而就地直流指针式表记不变。
五、采取措施：
1、将转子负极碳刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片有放电烧损痕迹的第1、2、3块软铜片从转子负极刷架导电板根部、励磁系统负极直流母排根部切断清除，且对连接的软铜片进行适当的加固，避免软铜片层间放电及晃动。
2、拆除转子正、负极碳刷架、碳刷、转子励磁风扇罩、正负极软连接的底架地面与基础风洞相接的绝缘板进行吸尘清扫。
3、对励磁灭磁过压柜过压回路中的分压电阻已烧断的电阻进行更换。
4、调整正极刷架中心确保碳刷的均匀接触。
六、结束语
自并励励磁系统转子碳刷的冷却风吸入口一般在主厂房内，空气潮湿或机房漏入大量蒸汽时，湿汽就可能通过吸入口进入封母，造成励磁回路的绝缘比较低，容易造成转子接地故障的发生，而大型机组转子一点接地就会动作跳闸。机组正常运行时，注意保证励磁封母吸风口处干燥，避免励磁回路受潮引起机组跳闸。
参考文献：
[1]方思立，刘增煌，汽轮发电机自并励励磁系统的分析研究，电网技术，1997（12）
[2]王巍，大型汽轮发电机组自并励励磁系统的工程应用与研究，西安理工大学，2007。
关键字：]转子励磁回路故障 查找过程 原因分析 采取措施
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-288-02
一、事情经过
某600MW燃煤机组。6：45时，该机组有功350MW，无功-7MVar运行。这时集控室#1机组DCS上发“#1发电机灭磁开关柜过电压保护动作”，紧接着发“#1发电机励磁系统一点接地报警#1、#2动作”，故障录波器上发“转子电流高越限启动”，发变组跳闸。就地保护室#1发变组保护IV屏M-3425A保护装置64F转子接地保护动作，#1发变组故障录波器启动录波。就地励磁小间#1发电机灭磁开关柜过电压保护动作信號灯亮。
二、励磁系统的构成
如下图1所示，该机组采用的是自并励的励磁方式，整个励磁系统共9台柜，包括一台AVR2000调节器柜，1台灭磁开关柜，4台可控硅整流柜，1台灭磁电阻柜，1台交流进线柜，1台直流出线柜。发电机正常运行时，发电机出口电源通过励磁变压器降压后，再经过可控硅整流柜转变成直流供给发电机的励磁电源。起励电源：a交流（380V保安段）；b直流（220V直流动力段）。起励回路由调节器自动控制投入，起励开关自动闭合，向磁场绕组通流，定子建压开始。当机端电压达到发电机额定电压的10%时，整流桥已能接管励磁控制，起励开关自动断开，起励自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到额定电压20KV，整个起励过程的控制和监测都是由AVR软件实现的。
灭磁：采用非线性电阻（ZnO）灭磁方式，配合调节器的逆变灭磁。（1）正常停机时控制系统向SAVR2000自动励磁调节器与手动励磁调节器发出停机逆变信号，励磁装置向可控硅整流装置发出逆变脉冲，发电机转子能量通过逆变送回励磁变压器交流侧进行灭磁。（2）事故停机时，直接跳灭磁开头，将非线性灭磁电阻接入。
图1：发电机励磁系统图
三、故障查找过程
1、对#1发电机转子试验检查未发现问题
用500V绝缘摇表测量转子绝缘电阻：1.8MΩ（带碳刷）；200MΩ（拆除碳刷）；拆除碳刷和直流励磁封母与励磁系统的联接后，测量直流励磁封母绝缘电阻：50MΩ。
2、对#1发变组保护IV屏的M-3425A保护装置（美国BECKWITH公司）定值与定值单核对检查一致和进行校验，装置动作正确。
转子接地保护[64F]FIELD GROUND PROTECTION 定值
整定值名称 整定值 定值说明
#1（I段定值） PICKUP（启动值） 15KΩ 在转子励磁回路上测量转子绕组与地（64F）之间的绝缘电阻（Rf）
DELAY（延时） 75C（周波） 1.5S
OUTPUT（动作输出继电器） 19（继电器） 发信
BLOCKING INPUT（输入闭锁信号） No Select 没选择
#2（II段定值） PICKUP（启动值） 5KΩ 在转子励磁回路上测量转子绕组与地（64F）之间的绝缘电阻（Rf）
DELAY（延时） 150C 3S
OUTPUT（动作输出继电器） 4（继电器） 全停1
BLOCKING INPUT（输入闭锁信号） No Select 没选择
3、对故障录波装置波形检查：发电机的机端电压、电流、励磁变高低压侧电流、转子电压没发生突变，转子电流有突变，在2000多安时突然增大到6000多安左右。
4、对发变组保护装置录波图检查发电机的机端电压、电流没发生突变。
5、对#1发电机灭磁开关柜过电压保护回路中的非线性电阻61R、62R进行更换和对转子电流的变送器更换。
6、对励磁系统可控硅整流装置进行静态小电流试验没发现整流后的波形畸变、异常。
7、#1发电机励磁系统中解开励磁变高压侧的进线，从6Kv工作IC段的备用间隔6517开关引三相电缆至励磁变高压侧的进线端，励磁系统采用他励方式手动对可控硅整流装置进行静态小电流试验没发现整流后的波形畸变、异常。手动励磁升压过程中在励磁系统转子直流出线母排分别通过电阻箱模拟转子正、负极对地接地故障，发变组保护转子接地保护动作正确。
8、模拟#1发电机灭磁开关柜过电压保护回路动作，信号正确。正向过电压回路设计值为2000V，反向过电压回路设计为1600V。
如下图2所示，未解线时，测量转子侧过压电阻71R、电源侧过压电阻72R两端阻值均为20KΩ，焊开71R、72R电阻的接线，测量71R、72R均为∞，71R、72R分别由8个电阻串而成，R71=10K+33K+33K+33K+20K+20K+20K+5K =174K，R72 =10K+33K+33K+33K+20K+20K+20K+10K =179K，其中71R的第1、3、5、6、7共5个电阻烧断，72R的第1、6、7共3个电阻烧断，更换烧坏电阻后并恢复接线，测量71R两端电阻为18.26KΩ，测量72R两端电阻为18.56 KΩ。因71R和73R并接、72R和74R并接，71R、72R的断开使阻值从18K左右增加至20K左右，提高了过压保护的动作值，过压回路并没有断开，接地时转子负极出现正向电压，触发可控硅导通，灭磁柜的过压信号发出是正确的。
图2：发电机过电压保护接线图
9、对转子滑环及碳刷、励磁封母进行清扫检查没发现异常。用500V绝缘摇表测励磁封母绝缘，绝缘合格。 10、以上检查和工作完成后发电机通过励磁系统手动零起升压试验，转子电流升至800A左右之后在DCS画面上显示的电流开始跳动至1000A多或2000A多不等，发变组保护装置M-3425A转子接地保护动作，机端电压升至18KV之后，就地励磁小间#1发电机灭磁开关柜过压保护动作，就地励磁过压保护动作后能复归，就地励磁小间对转子电压正、负极之间测量极间电压值稳定不变，测量转子电压正、负极分别对地（或大轴）电压值不断发生跳变，不固定一个数值。
11、解除发电机灭磁过压保护柜和转子接地保护装置、变送器测量回路与励磁系统相关的回路后，发电机通过励磁系统手动零起升压试验，转子电流仍跳变。
12、对励磁系统四个可控硅整流柜分别进行每个柜手动零起升压试验，转子电流仍然跳变，励磁系统过压保护和转子接地保护仍然动作。
13、经过对转子正极碳刷架、正极滑环、正极集电环、导电板、转子励磁风扇罩和转子負极碳刷架等进行吸尘清扫检查后，测量#1发电机转子动态交流阻抗试验未发现异常。
14、经过对转子正极碳刷架、正极滑环、正极集电环、导电板、转子励磁风扇罩和转子负极碳刷架等进行吸尘清扫检查后，励磁变用6KV工作IC段备用开关6517供电，励磁系统采用他励方式手动对可控硅整流装置进行零起升压试验到发电机空载电压14KV之前没发现整流后的波形畸变、异常，此时发变组保护发转子接地报警信号。升至15KV时发变组保护发转子接地报警信号，就地励磁小间对转子电压正、负极之间测量极间电压值稳定不变，测量转子电压正、负极分别对地电压值不断发生跳变，不固定一个数值，示波器观测到的正、负极分别对地的波形开始出现不规则波形。发电机电压从1KV建压升至15KV过程中，转子电流不再发生跳变现象。。发变组保护发转子接地报警信号后，逆变灭磁后即拔完励磁碳刷测转子绝缘为994MΩ（DC：1000V）。
15、拆除转子负极碳刷架和转子励磁风扇罩、负极软连接的底架底面与基础风洞相接的绝缘板，检查发现转子负极碳刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片第1块有断裂且对基座有放电痕迹，第1、2、3块软铜片之间也有放电烧损痕迹，见下图3所示。
图3：负极直流母排相软铜片断裂点
16、转子负极碳刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片有放电痕迹的第1、2、3块软铜片从转子负极碳刷架导电板根部、励磁系统负极直流母排根部切断清除后，#1发电机励磁系统恢复自并励励磁方式手动对发电机进行零起升压试验正常，转子电流、转子电压正常无跳动现象，发变组保护转子接地保护不发接地报警信号，励磁系统灭磁过压柜不再发过压保护动作信号。
四、动作原因分析
（一）#1机组跳闸的主要原因：
1、检查发现“转子负极刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片第一块有断裂且对基座有放电痕迹，第1、2、3块软铜片之间也有放电烧损的痕迹”。因此，分析认为，转子负极刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片第1块靠励磁系统负极直流母排侧完全断裂后，在机组运行过程中因下端无固定受力而受到转子碳刷冷却风的吹动发生晃动，励磁转子电流达到一定的数值后第1块软铜片下端对基座不稳定的间歇性放电接地，在此过程中励磁回路对地产生不稳定的交变电动势，引起转子正、负极对地电压产生不规则的变化，而发变组转子接地保护检测到转子接地达到保护发信及跳闸动作值后，转子接地保护先发信后再动作出口，转子接地保护正确动作后全停#1发变组联跳#1机组。
2、转子负极刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片在转弯处容易受折拉伸变形且受到转子碳刷冷却风的吹动发生晃动和励磁电磁力的影响而造成软铜片间产生电位放电损坏铜片，降低了强度受应力不均匀而发生断裂。
3、断裂后的软铜片因一端无固定受励磁电磁力和碳刷冷却风的吹动发生晃动及基座积尘多喝空气潮湿而产生放电接地和铜片之间放电。
（二）、转子过压保护动作的主要原因：
1、转子正极碳刷架其中一个（或几个）碳刷与正极导电板分流在转子高速转动时产生有规律的不稳定接触，在转子回路感应出交变电动势，通过转子回路过压保护的负极侧反向导通造成过压保护回路动作。
2、在此过程中转子回路感应出的交变电动势产生高次谐波引起在转子回路产生交变电流、转子交变电流经过变送器元件后再送至DCS画面监视数值的变化，故DCS画面电流值就有规则的变化，而就地直流指针式表记不变。
五、采取措施：
1、将转子负极碳刷架导电板与励磁系统负极直流母排相连接的软铜片有放电烧损痕迹的第1、2、3块软铜片从转子负极刷架导电板根部、励磁系统负极直流母排根部切断清除，且对连接的软铜片进行适当的加固，避免软铜片层间放电及晃动。
2、拆除转子正、负极碳刷架、碳刷、转子励磁风扇罩、正负极软连接的底架地面与基础风洞相接的绝缘板进行吸尘清扫。
3、对励磁灭磁过压柜过压回路中的分压电阻已烧断的电阻进行更换。
4、调整正极刷架中心确保碳刷的均匀接触。
六、结束语
自并励励磁系统转子碳刷的冷却风吸入口一般在主厂房内，空气潮湿或机房漏入大量蒸汽时，湿汽就可能通过吸入口进入封母，造成励磁回路的绝缘比较低，容易造成转子接地故障的发生，而大型机组转子一点接地就会动作跳闸。机组正常运行时，注意保证励磁封母吸风口处干燥，避免励磁回路受潮引起机组跳闸。
参考文献：
[1]方思立，刘增煌，汽轮发电机自并励励磁系统的分析研究，电网技术，1997（12）
[2]王巍，大型汽轮发电机组自并励励磁系统的工程应用与研究，西安理工大学，2007。