汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷及分析

摘 要： 本文主要以日立公司生產(chǎn)的600MW汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的檢測和診斷方法進行了介紹和分析，結(jié)合實際的運行經(jīng)驗， 就大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間故障診斷技術(shù)的特點及存在的問題進行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機 轉(zhuǎn)子繞組 匝間短路 故障診斷 故障分析

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）10-0276-02

引言

汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的匝間短路嚴重影響發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行，運行中造成勵磁電流增大，輸出無功功率減少。轉(zhuǎn)子振動加劇、轉(zhuǎn)軸軸電壓增高等不良影響。如果對轉(zhuǎn)子匝間短路故障不能及時發(fā)現(xiàn)， 則會產(chǎn)生很大的危害，短路點處的過熱會導(dǎo)致絕緣損壞造成接地、線棒過熱會引起局部變形或燒熔， 故障的進一步發(fā)展會造成大軸整體磁化，護環(huán)燒損， 或燒傷軸頸和軸瓦等， 甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子燒損事故。所以。必須及時找出故障點，予以消除，這而解決這一問題，必須進行發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間繞組短路故障的分析，并采用正確的處理方法。

一、發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路的原因及分類

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路的原因，綜合起來大概有制造和運行兩個方面：

1.廠家制造工藝不良。如：端部墊塊固定不牢，脫落端部繞組匝間短路；在轉(zhuǎn)子繞組制造中，工作人員在下線、整形等工藝過程中，損壞了匝間絕緣；或絕緣材料中遺存有金屬硬物（如銅線有硬塊，毛刺），刺穿了匝間絕緣導(dǎo)致匝間短路。

2.轉(zhuǎn)子在運行中在熱、電、機械等綜合應(yīng)力作用下，其繞組就會產(chǎn)生位移﹑變形或端部絕緣墊塊松動脫落，致使匝間絕緣磨損﹑斷裂﹑脫落，或由于內(nèi)部臟污等原因，造成轉(zhuǎn)子一點或多點匝間短路。運行中檢修殘留異物堵塞通風(fēng)孔引起高溫造成匝間絕緣損壞引起匝間短路。運行年限長久，轉(zhuǎn)子絕緣老化，也會造成匝間短路。

轉(zhuǎn)子匝間短路的分類：轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路，按其短路的穩(wěn)定性，可分為不穩(wěn)定和穩(wěn)定兩種。所謂不穩(wěn)定的匝間短路，則與轉(zhuǎn)子的溫度和轉(zhuǎn)速等有關(guān)，也即在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速、低溫或高溫時才發(fā)生的短路，或者在溫度和轉(zhuǎn)速同時作用下，才能出現(xiàn)的短路。而穩(wěn)定的匝間短路是指此短路與轉(zhuǎn)子的溫度和轉(zhuǎn)速等均無關(guān)的短路。

二、轉(zhuǎn)子匝間短路的主要診斷方法及優(yōu)缺點

1.比較直流電阻法

依據(jù)電力行業(yè)標準《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中所規(guī)定，在交接和每次大、小修時，都要對轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻進行測量，測量標準是：測量值與初次（交接或大修）所測結(jié)果比較其差別一般不超過2%。理論上，當(dāng)繞組發(fā)生匝間短路時，直流電阻會隨之減小。但實際上，一般發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的總匝數(shù)較多，若其中只有少量匝數(shù)短路，即使測量很精確，直流電阻減小也可能不超過2%的標準。故此方法只有在短路匝數(shù)較多時方能奏效，因此，比較直流電阻法的判斷是否有匝間短路靈敏度是很低的，不能作為判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的主要方法，只能作為綜合判斷的方法之一。

2.交流阻抗及損耗測量法

依據(jù)電力行業(yè)標準《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中所規(guī)定：阻抗和功率值自行規(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，相差10%應(yīng)該引起注意。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中發(fā)生匝間短路時，在交流電壓作用下流過短路線匝中的電流，約比正常線匝中的電流大n（n 為一槽線圈總匝數(shù)）倍，并有強烈的去磁作用，并造成轉(zhuǎn)子交流阻抗大大下降，功率損耗顯著增加。本方法簡便、實用、較靈敏，可以動態(tài)、靜態(tài)下測量。但此方法因受多種因素影響，常常降低其試驗結(jié)果的準確度，如試驗時施加電壓的大小，轉(zhuǎn)子所處位置﹑電源頻率﹑短路點接觸電阻及短路線匝在槽內(nèi)所處位置等. 所以此方法應(yīng)并結(jié)合其他的測試方法，綜合判斷再作定論。

3.空載短路試驗法

此方法是將空載電壓及勵磁電流、短路電流測量出來進行曲線繪制，與出廠的原始曲線進行比較，在短路匝數(shù)很少時，曲線變化甚微，不能明確判定是否存在匝間短路，只有在只有短路匝數(shù)較多時，試驗曲線才有變化，所以判斷比較粗略，只能作為綜合判斷的方法之一。

4.開口變壓器法

開口變壓器法的原理是在轉(zhuǎn)子繞組中通人交流電后， 利用一只開口變壓器依次測量轉(zhuǎn)子各槽上漏磁通引起的感應(yīng)電壓。當(dāng)短路線匝靠近槽底或槽的中部時， 開口變壓器中所測得電壓的數(shù)值將顯著降低， 但短路線匝靠近槽楔下面時， 則不能發(fā)現(xiàn)，因此時感應(yīng)電壓反而增大。在具有鐵磁性槽楔及槽楔下有磁性鋼片時， 此法更不適用。

5.兩極電壓和分包壓降法

在轉(zhuǎn)子繞組中通人交流電， 測量轉(zhuǎn)子二極電壓。二極電壓相等時說明轉(zhuǎn)子不存在匝間短路， 不相等時說明存在匝間短路， 然后依次測量各個分包線圈的電壓降。若測得電壓降將顯著減小， 那么此線圈存在短路。也就是分別測量各個分包線圈的交流阻抗。在實際中，通常都采用直流電壓降法。將轉(zhuǎn)子繞組中通人直流電，用接有毫伏表的探針， 依次測量分包短路線圈中各線匝間的電壓降，若所測得的電壓將顯著減少，則此線匝短路 且越靠近短路點處的測得電壓最低。對于繞線式和具有輻向通風(fēng)孔的轉(zhuǎn)子，可以很方便地使用此法進行測量， 而對于其它型式發(fā)電機轉(zhuǎn)子只有在拆下護環(huán)時才能應(yīng)用此法。

6.轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的RSO 重復(fù)脈沖檢測法

RSO測試方法是由英國專家J.W.Wood在上世紀末提出來，并由NEIParsons公司在500MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組上進行過實驗應(yīng)用。轉(zhuǎn)子線圈RSO 檢測技術(shù)的工作原理應(yīng)用波過程理論（行波技術(shù)），其基本過程是采用雙脈沖信號發(fā)生器對發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩極同時施加一個前沿陡峭的沖擊脈沖波。當(dāng)脈沖波傳播到阻抗突變點位置時會產(chǎn)生一個反射波和折射波，用雙線錄波器錄得兩組與正?；芈窡o阻抗突變時不同的響應(yīng)特性曲線。將這兩組響應(yīng)特性曲線做差得到差值波形。當(dāng)測得正負兩級脈沖響應(yīng)特性曲線完全一致，即兩條相應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)完全重合，其相減波為一條直線，則表明轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣正常，無存在匝間短路的可能，一旦兩條相應(yīng)曲線不能完全重合，相減波出現(xiàn)凸起，說明轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣存在異常，可能存在匝間短路現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時測試結(jié)果存在較大干擾，并且需要采取輔助手段才能實現(xiàn)短路缺陷的定位。

7.微分線圈動測法

這種方法最早是由美國的Albright提出來，它是將探測線圈安裝在定子鐵芯的空氣間隙表面，線圈方向可以為徑向放置和切向放置，這樣可以測量磁通的徑向分量和切向分量。其基本原理就是在發(fā)電機通勵磁電流旋轉(zhuǎn)時，通過探測線圈將發(fā)電機氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場進行微分，然后將探測微分信號引入示波器進行分析，通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈故障前后感應(yīng)電動勢波形對比分析（轉(zhuǎn)子匝間短路前后波形不一致），即可診斷出轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，并根據(jù)波形可判斷出故障槽的位置。這種方法不受外部條件及匝間故障點在槽中位置的影響，可信度較高，這種方法要求轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測量，所以在轉(zhuǎn)子安裝前和半成品時無法應(yīng)用。

三、綜合判斷轉(zhuǎn)子匝間故障實例分析

某廠2號發(fā)電機是日立生產(chǎn)的600MW發(fā)電機，04年12月投運，08年9月第一次大修，投運后發(fā)電機兩端7、8號瓦振動比較大。邀請振動專家協(xié)助分析，一直未徹底解決。2號機安裝在線轉(zhuǎn)子匝間短路測量裝置，2010年9月，該裝置多次報警，其報警值為2.5%，其軟件判斷約為其軟件判斷約為2-3匝短路。2011年1月停機檢修，機組停運前發(fā)電機勵側(cè)，汽側(cè)振動都比較大。停機前發(fā)電機軸向的振動（Z向）已至130μm。600MW機組廠內(nèi)限定負荷不超過420MW，嚴重影響出力和機組穩(wěn)定運行。

發(fā)電機停機前后試驗數(shù)據(jù)。

1.在線監(jiān)測分析

2號機轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測報警

2010年9月，某廠2號機轉(zhuǎn)子在匝間短路在線檢測裝置報警圖如下：其報警值為2.5%，懷疑約為2-3匝短路。（本機組為原裝日立機組，安裝有進口的轉(zhuǎn)子在匝間短路在線檢測裝置）

2.交流阻抗及功率損耗試驗

從實驗數(shù)據(jù)分析，功率損耗雖然未到規(guī)程規(guī)定注意值10%，但也增加了將近5%，阻抗降低了2%，分析認為，在形同條件下，功率損耗增大，阻抗降低，符合匝間短路的趨勢分析。可能存在匝間短路，

3.RSO 試驗及分析

2號機修前RSO實測圖譜

1號機RSO實測圖譜

5號機RSO實測圖譜

由于第1次使用RSO試驗，2號機組故障前沒有原始圖譜，只有對比同類型機組的圖譜，故對比1、2、5號機圖譜，2號機組頻響曲線不重合，1、5號機組重合比較好，認定2號機有匝間短路故障，應(yīng)該存在多處匝間短路點，但是每個短路點都不嚴重。

在廠家來人的指導(dǎo)和配合下，取下了轉(zhuǎn)子兩端的護環(huán)，想先通過測量交流分包壓降，再一次確定匝間短路的具體匝數(shù)。

該機為日立600MW機組，每極7包，每包8匝線圈。對其進行兩極電壓試驗：內(nèi)環(huán)對中：93.8V，外環(huán)對中為94.6V，兩級電壓均衡，膛外交流阻抗變化不明顯。

但測量分包壓降中，第7包壓降變化明顯，比其他壓降小得多，重點對第7包的匝間進行檢查，對轉(zhuǎn)子加100A直流，進行匝間短路定位試驗，分別是勵磁護環(huán)S極面第七包5-6匝（靠近護環(huán)為第一匝）和汽側(cè)護環(huán)下N極面第七包5-6匝存在匝間短路。

經(jīng)過檢查具體部位：

汽側(cè)7包N極面5-6匝之間發(fā)現(xiàn)有焊渣焊死在6匝上，造成5-6匝短路。

勵側(cè)S極面7包5-6匝間加墊絕緣后，該包故障消失。

復(fù)測分包壓降發(fā)現(xiàn)汽側(cè)端部S極面4包1-2匝間存在匝間短路，處理后消失對所判定的位置進行了重包絕緣。重包絕緣后又重新測量了交流分包壓降，各包的變化趨勢正常。經(jīng)過檢修處理后圖譜

2號機檢修后RSO實測圖譜

檢修后測量交流阻抗及功率損耗為-1.9%，功率損耗未-2%，機組啟動后振動正常，轉(zhuǎn)子匝間短路無報警。

四、結(jié)語

通過以上分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路需要綜合分析，由于各種試驗方法均有不同的影響因素和局限性，對判斷結(jié)論造成影響。電機轉(zhuǎn)子運行參數(shù)有可能作出匝間短路報警，不能靈敏反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組絕緣輕微劣化狀態(tài)。輕微匝間短路時交流阻抗和直流電阻數(shù)據(jù)雖略有減小，但均在規(guī)程規(guī)定的范圍，無法明確判斷是否存在匝間短路，轉(zhuǎn)子在膛外后進行的分包壓降和兩極電壓法能反應(yīng)匝間短路缺陷，并能初步定位包位置；RSO 診斷試驗對高阻匝間短路有高靈敏度，當(dāng)分包壓降、兩極電壓和直流匝間壓降都正常的情況下，RSO能正確判明存在高阻匝間短路缺陷。RSO診斷試驗對絕緣缺陷的早期診斷具有優(yōu)越性。可為電廠處理故障提供了充裕的準備時間。

參考文獻

[1]《電氣設(shè)備交接和預(yù)防性試驗規(guī)程》華北電力集團公司.

[2]《高壓電氣設(shè)備試驗方法》西南電業(yè)管理局試驗研究所.

[3]《高壓電氣設(shè)備試驗方法及診斷技術(shù)》電力工業(yè)部

作者簡介：張盛（1972-），男，工程師，畢業(yè)于華北電力大學(xué)，現(xiàn)任內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司檢修部電氣隊長。