汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路的判定及查找方法

李連強，王安東，董芙蓉

（1.鶴壁煤電股份有限公司熱電廠，河南 鶴壁 458030；2.山東電力研究院，山東 濟南 250002；3.山東省科技情報研究所，山東 濟南 250101）

0 引言

汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路是一種常見故障。匝間短路嚴重時，會影響機組的無功，使機組的振動增大，有的會造成轉(zhuǎn)子線圈接地，燒傷轉(zhuǎn)子護環(huán)，引起發(fā)電機甚至汽輪機的大軸磁化，后果十分嚴重。為此，機械行業(yè)專門制定了相關(guān)的標準JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路多與制造工藝不良有關(guān)。檢修時，異物進入轉(zhuǎn)子堵塞轉(zhuǎn)子冷卻回路，引起匝間絕緣過熱，或金屬屑進入轉(zhuǎn)子匝間，刺穿匝間絕緣，也會間接或直接造成轉(zhuǎn)子匝間短路。

1 匝間短路的判斷

運行中，如果發(fā)現(xiàn)發(fā)電機汽勵兩側(cè)的軸振突然增大，超出GB7064-2008《隱極同步發(fā)電機技術(shù)要求》中的規(guī)定時，應(yīng)對振動的原因進行分析。通常，電氣方面造成轉(zhuǎn)子振動增大的原因就是轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了匝間短路。

轉(zhuǎn)子匝間短路有明顯的特征：轉(zhuǎn)子的振動值與勵磁電流有關(guān)，負荷不變，無功增加（勵磁電流增加）時，振動增大；發(fā)電機機座臺板、軸承座等處有磁化現(xiàn)象，情況嚴重的可以吸住大頭針、扳手等導(dǎo)磁物品，此時，軸電壓也往往比正常值明顯增高，常常超出10 V的規(guī)定值。

如果發(fā)電機存在磁化和軸電壓明顯升高現(xiàn)象，證明轉(zhuǎn)子匝間短路情況已經(jīng)比較嚴重，繼續(xù)運行有可能燒損軸瓦或大軸，需要立即停機處理。其它情況，需要對是否存在轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)象做進一步的分析。

1.1 轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)時的檢查及分析

1.1.1 空載短路

當(dāng)空載或短路曲線與歷史曲線比較明顯下移時，可以斷定是轉(zhuǎn)子存在匝間短路現(xiàn)象。只有匝間短路十分嚴重時（一般短路匝數(shù)在5%左右），才能從空載、短路試驗曲線上反映出來，其結(jié)果只能作為判斷是否存在匝間短路故障的參考[1]。

短路曲線是一條直線，用短路曲線分析比用空載曲線的準確度要高。

1.1.2 動態(tài)交流阻抗及功率損耗

動態(tài)交流阻抗及功率損耗試驗是不停機測量轉(zhuǎn)子有無匝間短路的最常用手段。

動態(tài)交流阻抗及功率損耗主要用于檢查轉(zhuǎn)子是否存在動態(tài)匝間短路現(xiàn)象，其標準在JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》中有比較詳細的規(guī)定：“每隔300 r/min之間的阻抗差不得大于最大值的5%”[2]。

動態(tài)交流阻抗和損耗試驗方法雖然應(yīng)用得非常普遍，但尚不能用它直接判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路故障。有些采用松打槽楔工藝的轉(zhuǎn)子，在某一轉(zhuǎn)速下，阻抗及功率損耗常會有突變。

1.1.3 重復(fù)脈沖波形（RSO）法

重復(fù)脈沖波形（RSO）法是近年興起的一種檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障的新方法。其原理是基于轉(zhuǎn)子繞組的對稱結(jié)構(gòu)，分別從轉(zhuǎn)子的正、負兩極向轉(zhuǎn)子注入高頻脈沖信號，將高頻脈沖的響應(yīng)波形進行180°的換相重疊，通過比較兩條響應(yīng)曲線的吻合度，驗證轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路。正常情況下，兩條響應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)十分吻合。如果兩條曲線重疊度不佳，即判斷轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。

轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)、外均可使用該方法進行檢測。該方法操作方便，但目前沒有相關(guān)標準，作為一種獨立的判據(jù)有一定難度。圖1是轉(zhuǎn)子存在匝間短路時的測量波形圖，可以看出兩條曲線的重疊度不佳，在中部有不吻合現(xiàn)象。

圖1 轉(zhuǎn)子匝間短路時的測量波形圖

1.2 轉(zhuǎn)子在膛外時的檢查及分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)確認存在匝間短路現(xiàn)象時，仍需抽出轉(zhuǎn)子，在膛外進行試驗核實。

膛外的試驗主要有直流電阻、轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗、開口變壓器、極間電壓、匝間電差測量、動態(tài)微分波形法等方法。其中，動態(tài)微分波形法主要在制造廠使用，電廠則一般采用轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗法作為常規(guī)的檢測方法，當(dāng)發(fā)現(xiàn)匝間故障后，再采用單開口變壓器法確定故障所在槽數(shù)。

1.2.1 直流電阻測量

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)匝間短路故障時，轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻值會變小。理論上，通過測量其直阻值的下降，可以判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝短故障。但通常轉(zhuǎn)子繞組的總匝數(shù)較多，而匝間短路的匝數(shù)較少，轉(zhuǎn)子直阻下降很小，一般變化量小于1%，很難判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝短故障；只有當(dāng)短路的匝數(shù)較多時，直阻測量才有效，如某廠的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組有5處發(fā)生了匝間短路，其直阻值下降了7.1%。

直流電阻用來判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的靈敏度很低，只適合作為判斷有無匝間短路的輔助方法。

1.2.2 轉(zhuǎn)子阻抗和功率損耗法

轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗的測量，是判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路故障的最常用方法。它具有操作簡單，轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)、外均可方便地進行測量的特點，因此，得到了廣泛的應(yīng)用，在《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗標準》、《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中都提及了該方法。

轉(zhuǎn)子交流阻抗及功率損耗雖然是最常用的方法，但由于不同位置的匝間短路點對交流阻抗及功率損耗的影響程度不同，所以現(xiàn)有的標準《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中只是規(guī)定“阻抗和功率損耗值自行規(guī)定，在相同試驗條件下與歷年數(shù)值比較，不應(yīng)有顯著變化”，并未給出可操作的判據(jù)，所以在實際使用中，其局限性比較明顯。一般只有當(dāng)阻抗下降10%，且功率損耗增加10%時才能初步確定轉(zhuǎn)子存在匝間短路。通常，匝間短路對功率損耗的影響要比交流阻抗敏感得多，所以在判斷匝間短路時，應(yīng)側(cè)重于功率損耗的變化分析。

1.2.3 極間電壓法

當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路時，在交流電壓下，短路線匝相當(dāng)于變壓器二次繞組短路，流經(jīng)短路線匝的電流，約比正常線匝中的電流大n倍（n為一槽線圈的總匝數(shù)），它有強烈的去磁作用，會導(dǎo)致交流阻抗下降，且對轉(zhuǎn)子繞組短路所在磁極的影響大于正常極。因此，對非水冷轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子繞組施加交流電后，分別測量兩極線圈的壓降并進行比較，其準確度要高于交流阻抗及功率損耗的測量。

目前，該方法已逐步得到推廣，其判據(jù)在JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》中有明確的規(guī)定“兩極線圈間的電壓差不得大于最大值的3%”。

通常情況下，極間電壓法的準確度較高，制造廠及電廠均把它作為主要的判斷方法。從測量原理上可知，極間電壓法也有其局限性，當(dāng)兩極繞組均存在匝間短路，且短路情況相近時，極間電壓差別較小，此時無法判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路現(xiàn)象。

1.2.4 開口變壓器法

開口變壓器法分為單、雙開口變壓器兩種方法，因其可以準確找到匝間短路線圈所在槽，而得到了廣泛應(yīng)用。

轉(zhuǎn)子滑環(huán)上加入交流電后，在轉(zhuǎn)子槽齒上會產(chǎn)生交變漏磁通。當(dāng)開口變壓器置于轉(zhuǎn)子齒槽上時，交變漏磁通主要經(jīng)過變壓器的鐵芯形成閉合回路，該磁通會在變壓器線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)某一槽內(nèi)有匝間短路時，該槽內(nèi)的短路電流會比較大，短路電流的相位與正常電流的相位相反，因此變壓器線圈的感應(yīng)電勢相位與正常的相位值也相差較大，接近180°，短路線圈所在的另一槽相位變化情況也相同。單開口變壓器是通過測量感應(yīng)電勢的相位變化來判斷有無匝間短路。

當(dāng)短路部位在線圈底部或轉(zhuǎn)子有阻尼繞組時，該測量方法的準確性會受到一定限制。

雙開口變壓器法是將兩個開口變壓器分別置于轉(zhuǎn)子不同的槽齒上，在其中的勵磁變壓器上加交流電，當(dāng)線圈不存在匝間短路現(xiàn)象時，勵磁磁通主要通過轉(zhuǎn)子軛部閉合，測量電壓器上的感應(yīng)電勢幾乎為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路現(xiàn)象時，短路線圈內(nèi)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通通過測量線圈，起到助磁作用，測量線圈的感應(yīng)電勢會成倍增加，而轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢會減少。通過測量每槽感應(yīng)電勢的變化并互相比較即可判斷有無匝間短路現(xiàn)象。

通常雙開口變壓器的靈敏度要高于單開口變壓器法，但操作復(fù)雜，電廠通常采用單開口變壓器法進行試驗。

1.2.5 動態(tài)微分波形法

在制造廠，動態(tài)匝間短路波形試驗是判斷轉(zhuǎn)子有無匝間短路的最重要的一項試驗，其方法和判別標準在JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》中有明確的規(guī)定。研究表明，動態(tài)微分波形法在膛外測量的靈敏度及準確度最高；轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)時，短路試驗時靈敏度比較好，其次，是空載試驗；帶負荷時，判斷比較困難。因該方法需要在距離轉(zhuǎn)子表面較近處或定子氣隙距轉(zhuǎn)子表面1/3處安裝微分探測線圈才能進行試驗，在現(xiàn)場應(yīng)用受到一定限制。采用動態(tài)微分波形法的優(yōu)點是可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)匝間短路并確定匝間短路的槽號，這是其它方法無法做到的。見圖2。

圖2 正常轉(zhuǎn)子的動態(tài)匝間短路波形

正常轉(zhuǎn)子動態(tài)匝間短路波形中，波形的包絡(luò)線呈下凹的圓弧狀，兩極及同極的波形都具有對稱性，匝間短路時，包絡(luò)線會出現(xiàn)下陷的缺口，該缺口對應(yīng)的線圈槽處存在匝間短路現(xiàn)象。圖3中所示的部位有匝間短路現(xiàn)象，其對應(yīng)的槽數(shù)為3號、4號槽。

圖3 匝間短路時的動態(tài)匝間短路波形

綜上所述，在所有判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的方法中，轉(zhuǎn)子動態(tài)匝間短路波形測量的方法是最準確、全面的方法，它可以判斷動靜態(tài)轉(zhuǎn)子匝間短路，也可以確定短路所在槽，但實施測量的條件要求較高，已投運的機組如不安裝微分探測線圈，就無法進行檢測；RSO法的測量效果也比較好，但需要專用的儀器，對測試人員的技術(shù)要求也較高；極間電壓法的準確度比交流阻抗、空載短路曲線、直流電阻等方法要高，但在特殊情況下有誤判，如能跟交流阻抗法配合同時使用，可以防止兩極同時存在匝間短路現(xiàn)象，極間電壓檢測正常的極端情況出現(xiàn)，降低誤判的可能性。因交流阻抗法與極間電壓法的測量接線相似，建議將極間電壓法、交流阻抗同時使用，作為常規(guī)的匝間短路檢測方法。

2 匝間短路點的定位

當(dāng)確定轉(zhuǎn)子繞組有匝間短路情況出現(xiàn)時，需要拔護環(huán)進行處理。由于匝間短路大部分發(fā)生在汽勵兩側(cè)護環(huán)下，提前判定匝間短路所在槽及具體的部位，不僅可以確定拔哪側(cè)護環(huán)，減少檢查的工作量，而且可以防止拔護環(huán)后短路點消失，無法處理的情況出現(xiàn)。

2.1 匝間短路所在槽的確定

確定匝間短路所在槽有開口變壓器法及轉(zhuǎn)子繞組電壓分布兩種。其中，轉(zhuǎn)子繞組電壓分布測量，是近些年采用的新方法。

目前，國內(nèi)運轉(zhuǎn)的100 MW以上汽輪發(fā)電機護環(huán)內(nèi)側(cè)都有一定的空間，可以看到轉(zhuǎn)子繞組各槽的底匝線圈，這為轉(zhuǎn)子繞組電壓分布法的實施提供了方便。見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)子護環(huán)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子繞組電壓分布法是在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上施加交流電，用探針測量護環(huán)下相鄰兩底匝線圈間的電壓差 （U12、U23、U34、U45、U56、U67、U78）。對 于正 常 轉(zhuǎn)子，其兩極繞組對應(yīng)的電壓差具有良好的重合性，每極的電壓差值在0～2倍單槽線圈電壓之間跳變。圖5是正常情況下底匝間的電壓差。

圖5 正常底匝電壓差分布圖

匝間短路時，由于短路匝短路電流的存在，故障匝的電壓值會發(fā)生顯著的變化，短路匝與相鄰匝的電壓差會有明顯降低。這樣通過測量相鄰底匝間壓差，可以將故障線圈的范圍縮小到電壓異常值對應(yīng)的兩個相鄰槽上。如圖6所示。

圖6 匝間短路時底匝電壓差分布圖

該方法判斷匝間短路的準確度比極間電壓法明顯要高，其缺點是仍不能確定匝間短路的具體槽數(shù)及短路點。

2.2 槽內(nèi)短路部位的確定

確定匝間短路所在槽后，要準確測量短路部位，還需要進行槽內(nèi)的匝間電壓差測量。測量匝間電壓差時，一般在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上施加直流電。采用交流電時，電壓差容易受電抗及短路環(huán)流的干擾，判斷比較困難，通常不予推薦。

轉(zhuǎn)子內(nèi)冷（水內(nèi)冷除外）的發(fā)電機，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)線圈的匝間電壓可以通過本體上的通風(fēng)孔進行測量，這為精確判斷匝間短路部位提供了方便。

槽內(nèi)匝間電壓差法的原理[3]如下：

在轉(zhuǎn)子上滑環(huán)上加10%額定電流左右的直流電，測量匝間短路所在槽線圈相鄰匝間的匝間電壓。如轉(zhuǎn)子存在匝間短路，短路匝流過的電流：式中：I為轉(zhuǎn)子正常匝流過的電流；Rc為等效短路電阻；Rg為短路匝的內(nèi)阻。

從圖7可以看出，測量匝間電壓時，未遇到短路匝前，上下兩匝的匝間電壓基本是恒定值，即線圈一匝的壓降Un。當(dāng)測量匝間電壓的表筆一端與短路匝接觸時，匝間電壓測量值開始降低。減小的量ΔU與表筆接觸到的短路匝上的測量點距C點（短路點）的距離Lr（沿電流方向）成正比。式中：Ln為短路匝線圈的長度；Un為額定的匝間壓降。

圖7 槽內(nèi)匝間壓降測量示意圖

圖中，C點為等效短路點，A、B點為短路匝上下兩匝與C點徑向的對應(yīng)點。

從圖8中，可以看出通過繪制測量曲線，找到最低電壓點，即找到了匝間短路的位置。實踐證明，該方法對僅有一處匝間短路的情況非常有效，當(dāng)同一槽內(nèi)存在多處匝間短路時，曲線交點的位置是等效短路位置，需要找到并處理其中一個短路點后，再進行測量。另外，在測量中需要了解轉(zhuǎn)子繞組的繞向。

圖8 匝間電壓分布圖

3 結(jié)語

通過對幾種測量的方法比較，可以看出轉(zhuǎn)子極間電壓法配合交流阻抗的測量是判斷轉(zhuǎn)子有無匝間短路的最簡單有效方法，在機組檢修時，轉(zhuǎn)子繞組電壓分布法是靈敏度最高的一種方法。當(dāng)確認轉(zhuǎn)子存在匝間短路時，可通過開口變壓器法查找短路所在槽，然后通過測量故障槽匝間壓降來確認故障點。