一起汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間絕緣惡化的監(jiān)測、診斷與處理

金 泱，黃 捷，龐 雷，王 新，王展宏，錢 坤

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609）

0 引 言

轉(zhuǎn)子匝間短路故障是發(fā)電機(jī)常見的故障之一[1-5]。發(fā)電機(jī)出現(xiàn)匝間短路故障時其癥狀并不明顯，若不能及時發(fā)現(xiàn)則會引起轉(zhuǎn)子振動加劇，轉(zhuǎn)子本體磁化，線圈過熱變形等異?，F(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子燒損事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-11]。

極間電壓法和線圈電壓法是兩種常用的轉(zhuǎn)子匝間絕緣診斷方法，對識別轉(zhuǎn)子匝間絕緣金屬性短路有著較高的準(zhǔn)確性及靈敏度。但其試驗(yàn)條件較為苛刻，且不具備識別轉(zhuǎn)子匝間非金屬短路的能力，無法監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間絕緣的發(fā)展趨勢。重復(fù)脈沖（RSO）法相較于上述兩種方法具有更高的靈敏度。目前對于RSO法在轉(zhuǎn)子非金屬性匝間短路診斷中的應(yīng)用報道較少，且尚未見到RSO法在監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間絕緣中的應(yīng)用。本文通過一起轉(zhuǎn)子匝間絕緣老化實(shí)例，論證了RSO法在診斷轉(zhuǎn)子非金屬性匝間短路及監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間絕緣發(fā)展趨勢的有效性。

1 RSO原理

RSO試驗(yàn)的基本原理是在轉(zhuǎn)子繞組的兩端同時注入脈沖信號，即前沿陡峭的低電壓脈沖，通過分析注入點(diǎn)脈沖信號與反射波的疊加波形來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。

RSO試驗(yàn)的試驗(yàn)波形如圖1所示，圖中紅色和綠色曲線分別為轉(zhuǎn)子正負(fù)極注入脈沖信號后采集得到的注入信號與反射信號疊加得到的波形，藍(lán)色曲線為轉(zhuǎn)子正負(fù)極波形相減后得到的特征波形。轉(zhuǎn)子匝間絕緣正常時，轉(zhuǎn)子正極與負(fù)極波形重合度高，特征波形近似為一條直線。轉(zhuǎn)子匝間絕緣異常時，轉(zhuǎn)子正極與負(fù)極波形不重合，特征波形中出現(xiàn)幅值較大的尖峰。

圖1 2019年10月RSO試驗(yàn)波形圖

2 機(jī)組概況

某電廠3號發(fā)電機(jī)型號為QFSN-660-2，轉(zhuǎn)子匝間絕緣為單層絕緣無縫拼接形式，由某設(shè)備廠2008年11月出產(chǎn)，2010年3月投運(yùn)。

2019年10月機(jī)組C修時，技術(shù)人員在該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子RSO試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該次試驗(yàn)波形有明顯的尖峰異常情況，如圖1所指示，藍(lán)色的特征波形曲線峰值達(dá)到0.3 V，超過了制造廠0.2 V的標(biāo)準(zhǔn)。

3 現(xiàn)場檢查及試驗(yàn)

RSO試驗(yàn)異常后，打開定子勵側(cè)上端蓋對轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵側(cè)端部有多處黃粉（見圖2與圖3）。

圖2 2019年10月轉(zhuǎn)子端部黃粉1

圖3 2019年10月轉(zhuǎn)子端部黃粉2

將該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子從膛內(nèi)抽出后進(jìn)行RSO試驗(yàn)復(fù)測，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，特征波形曲線與膛內(nèi)基本一致，特征波形峰值為0.28 V。該轉(zhuǎn)子在之前的檢修過程中模擬過匝間短路RSO波形，圖5為轉(zhuǎn)子正常時模擬內(nèi)環(huán)4槽匝間短路得到的RSO波形圖。對比圖4和圖5可知，兩次試驗(yàn)RSO波形相似度極高。對該轉(zhuǎn)子外環(huán)4槽進(jìn)行補(bǔ)償短路試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)波形如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)原先特征波形向下的波峰被補(bǔ)償，補(bǔ)償后特征波形峰值為0.05 V。綜上所述可以推測該轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)4槽線圈層間絕緣存在隱患。

圖4 2019年10月RSO試驗(yàn)復(fù)測波形圖

圖5 內(nèi)環(huán)4槽模擬匝間短路RSO波形

圖6 外環(huán)4槽補(bǔ)償短路RSO波形

為驗(yàn)證該轉(zhuǎn)子匝間絕緣是否存在異常，分別對該轉(zhuǎn)子進(jìn)行了極間電壓測試和線圈電壓測試（加壓200 V），試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，極間電壓法和線圈電壓法兩極及各線圈之間電壓差值百分比均未超過3%，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

表1 2019年10月極間電壓試驗(yàn)結(jié)果

表2 2019年10月線圈電壓試驗(yàn)結(jié)果

4 轉(zhuǎn)子絕緣評估

4.1 轉(zhuǎn)子歷年試驗(yàn)及檢查情況

該臺發(fā)電機(jī)曾于2017年5月遭受沖擊，發(fā)生失磁異步振蕩。受沖擊后對該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了RSO試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，特征波形峰值為0.04V（脈沖波形起始階段的波峰為干擾），轉(zhuǎn)子匝間絕緣未受沖擊影響，絕緣正常。

圖7 2017年RSO試驗(yàn)波形圖

該轉(zhuǎn)子在2018年3月發(fā)電機(jī)檢修時，已出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子勵側(cè)端部兩處有黃粉的現(xiàn)象（見圖8和圖9），且出現(xiàn)位置與2019年相似。同時期轉(zhuǎn)子RSO試驗(yàn)波形如圖10所示，特征波形峰值為0.12 V，相較2017年有所增加，但未超警戒值，轉(zhuǎn)子匝間絕緣正常。

圖8 2018年3月轉(zhuǎn)子端部黃粉1

圖9 2018年5月轉(zhuǎn)子端部黃粉2

表3至表6為該轉(zhuǎn)子歷年來交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對比可知轉(zhuǎn)子在膛外時，2018年功率損耗相較2011年未增加，交流阻抗最多下降1.1%。轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)時2019年功率損耗相較2013年最多增加2.3%，交流阻抗最多下降2.3%。以上數(shù)據(jù)均在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)。

表3 2011年轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)（膛外）

表6 2019年轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)（膛內(nèi)）

表4 2013年轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)（膛內(nèi)）

表5 2018年轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)（膛外）

4.2 轉(zhuǎn)子匝間絕緣情況評估

對比圖1、圖7、圖10可以發(fā)現(xiàn)，2018年RSO試驗(yàn)結(jié)果正常，但相較于2017年特征波形同一位置峰值已由0.04 V增加至0.12 V，至2019年檢測時，該位置特征波形峰值已增加至0.3 V，結(jié)合圖5和圖6可知，在該發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間內(nèi)環(huán)4號線圈匝間絕緣逐年下降。但該轉(zhuǎn)子歷年交流阻抗變化率、極間電壓壓差和線圈電壓壓差均在合理范圍，可以判斷該轉(zhuǎn)子雖然內(nèi)環(huán)4號線圈匝間絕緣下降，但還未發(fā)生金屬性匝間短路。結(jié)合該轉(zhuǎn)子兩次檢修期間端部黃粉現(xiàn)象，可以推測該發(fā)電機(jī)遭受沖擊后，可能引起該轉(zhuǎn)子單層匝間絕緣局部過熱，轉(zhuǎn)子相關(guān)絕緣墊塊存在松動摩擦情況，造成轉(zhuǎn)子匝間絕緣性能下降，最終造成轉(zhuǎn)子匝間高阻性短路。

該發(fā)電機(jī)此前運(yùn)行時轉(zhuǎn)子暫無接地報警，相關(guān)電氣參數(shù)正常，發(fā)電機(jī)側(cè)的6號、7號、8號軸振均在正常范圍之內(nèi)，因此該發(fā)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，待下次檢修時間充裕時將該轉(zhuǎn)子返廠修復(fù)，并進(jìn)行絕緣升級。在轉(zhuǎn)子返廠檢修前，該發(fā)電機(jī)應(yīng)監(jiān)督運(yùn)行，重點(diǎn)關(guān)注軸承振動、勵磁電流、油氫差壓等重要參數(shù)的變化情況。

5 轉(zhuǎn)子返廠修復(fù)及故障原因解析

該轉(zhuǎn)子于2021年10月返回發(fā)電機(jī)廠修復(fù)，解體前對該轉(zhuǎn)子進(jìn)行了RSO試驗(yàn)、極間電壓及絕緣電阻測試。500 V下絕緣電阻為1000 MΩ，符合制造廠要求。RSO試驗(yàn)波形如圖11所示，試驗(yàn)波形存在明顯的不重合現(xiàn)象，特征波形峰值為0.307 V，且根據(jù)波形不重合位置分析，故障點(diǎn)位于內(nèi)環(huán)4號線圈，與2019年判斷一致。根據(jù)表7四個方向的極間電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該轉(zhuǎn)子兩極電壓不平衡，兩極電壓差最小已達(dá)9.5%，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3%，參考2019年極間電壓試驗(yàn)結(jié)果，可以推斷在發(fā)現(xiàn)匝間絕緣隱患至轉(zhuǎn)子檢修返廠的運(yùn)行過程中，該轉(zhuǎn)子已由高阻性匝短路發(fā)展成為金屬性匝間短路。

圖11 解體前RSO試驗(yàn)波形圖

表7 轉(zhuǎn)子返廠后極間電壓試驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)子解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)內(nèi)部有油污，通風(fēng)隔板處有大量異物，端部墊塊與線圈間存在大量油污混合的異物。同時在線圈絕緣清理過程中發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，該故障點(diǎn)位于汽端內(nèi)環(huán)4號線圈從上往下第一、二匝間，與2019年判斷結(jié)果一致。該處線圈匝間絕緣層拼縫處已碳化，且在線圈表面留下對應(yīng)痕跡，如圖12、圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)子線圈層間絕緣擊穿位置

圖13 轉(zhuǎn)子線圈絕緣擊穿位置

根據(jù)轉(zhuǎn)子解體結(jié)果，造成轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣擊穿可能性較大的原因是機(jī)組運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)汽勵端可能均伴隨漏油，污染物在發(fā)電機(jī)通風(fēng)循環(huán)的作用下，在轉(zhuǎn)子端部絕緣拼縫處堆積，造成匝間絕緣磨損，導(dǎo)致匝間絕緣削弱，隨著運(yùn)行時間的積累，線圈匝間絕緣電阻逐漸降低，匝間絕緣損壞加劇，從而引發(fā)線圈匝間擊穿。另外，轉(zhuǎn)子線圈在勵磁電流的作用下發(fā)熱引起匝間絕緣老化，加快轉(zhuǎn)子匝間短路形成的過程。

該轉(zhuǎn)子返廠后徹底清理了轉(zhuǎn)軸和線圈，并修復(fù)了故障點(diǎn)，同時將轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣升級為無縫拼接結(jié)構(gòu)，以降低拼縫處因積灰、積油后發(fā)展成匝間短路的可能性。轉(zhuǎn)子修復(fù)后RSO試驗(yàn)波形圖如圖14所示，特征波形曲線中的異常波峰已消失。

圖14 修復(fù)后RSO試驗(yàn)波形圖

6 結(jié) 論

通過跟蹤該起轉(zhuǎn)子匝間絕緣逐漸劣化、試驗(yàn)分析及返廠修理的過程，本文得出了如下結(jié)論：

（1）定期進(jìn)行RSO試驗(yàn)?zāi)軌蛴行ПO(jiān)測并判斷轉(zhuǎn)子匝間絕緣的惡化發(fā)展趨勢。

（2）相較于極間電壓法、線圈電壓法和轉(zhuǎn)子交流阻抗法，RSO法具有更高的匝間絕緣檢測靈敏度，能夠在轉(zhuǎn)子匝間短路早期發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間的絕緣隱患。

（3）轉(zhuǎn)子匝間絕緣存在隱患，發(fā)電機(jī)繼續(xù)監(jiān)督運(yùn)行時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軸承振動、勵磁電流、油氫差壓等重要參數(shù)的變化情況，具備檢修機(jī)會時及時返廠修復(fù)。

（4）發(fā)電機(jī)汽勵兩端漏油易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間絕緣強(qiáng)度逐漸下降，因此在機(jī)組運(yùn)行期間需控制好油氫差壓，防止密封油向發(fā)電機(jī)內(nèi)部滲漏。