600 MW發電機轉子動態匝間短路分析處理

錢和平，李中玉，董建洋

（1.浙能蘭溪發電有限公司，浙江 蘭溪 321100；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

發電機靜態匝間短路故障分析與診斷技術已經相對完善，但對動態匝間短路的判斷與故障點定位仍無法作出準確判斷。以某發電廠3號發電機動態匝間短路故障診斷處理為例進行分析，指出氣隙磁場波形分析是判斷動態匝間短路的有效方法。

1 故障分析過程

1.1 機組軸振與無功輸出變化的相關性

3號發電機系東方電機廠生產的QFSN-600-2-22C型電機，于2006年12月投運。在2007年5月運行中發現機組7，8號瓦軸振動隨勵磁電流與無功功率的增大而增大的現象，具體表現為∶振動量有突變，當機組有功在450 MW穩定運行，若無功由50 Mvar增至250 Mvar，7，8號瓦軸振要增加35～40 μm，軸振動變化滯后無功變化30 min左右；滿負荷運行時振動絕對值很大，當機組有功在600 MW時，若無功達到200 Mvar，7號瓦X向軸振動高達130 μm，8號瓦X向軸振動高達103 μm。在首次觀察到機組振動隨發電機無功變化影響之后，又發現這種變化關系并不是穩定的，初期只是偶爾出現發電機振動隨無功變化的情況，6個月之后，振動隨無功變化的關系逐漸穩固。

1.2 發電機變無功試驗

為確認觀測結果，進行了發電機變無功試驗，試驗結果如圖1所示。

發電機有功穩定在600 MW，調節發電機勵磁電流和無功。當勵磁電流與無功較小時，7，8號瓦軸振較?。辉龃髣畲烹娏骱蜔o功，7，8號瓦軸振動隨之緩慢上升；當勵磁電流增大到4 252 A時，發電機轉子7，8號瓦軸振動急劇增大，最大達147 μm，迅速降勵磁電流后，振動仍在130 μm左右，比試驗前振動有明顯偏大。試驗證實：3號發電機轉子振動隨勵磁電流增大而增大；轉子的振動增加與減小均滯后勵磁電流變化0.5 h左右。

圖1 發電機變無功試驗數據曲線

電氣專業分析認為，發電機轉子存在匝間短路的可能性較大。由于轉子繞組絕緣損壞造成轉子繞組匝間短路后，破壞了轉子的磁場均勻性，造成轉子受力不均，使機組振動增大。匝間短路很好地解釋了振動隨勵磁電流增加而增加的現象，但無法解釋振動變化滯后勵磁電流變化的現象。

汽機專業給出了不同觀點，并引用學術論文與故障經驗作為論據。3號發電機振動隨著勵磁電流的增加有明顯上升且有滯后現象，是轉子散熱結構損壞，如局部風道堵塞，造成熱變形從而引起轉子振動的典型特征[1]。熱變形很好地解釋了振動變化滯后勵磁電流變化的現象。

由于不同故障的維修方法差異極大，因而有必要在大修前確定故障原因，作為制訂修理方案的基礎。

1.3 傳統匝間短路檢測試驗

1.3.1 初步檢測試驗

發電機臨時停機，在盤車狀態下測量轉子交流阻抗，測得的數據與交接試驗相比無明顯偏差，盤車狀態下的轉子交流阻抗試驗表明，轉子無明顯匝間短路特征。這一試驗結果干擾了對發電機轉子故障原因的判斷，為確認故障原因，必須獲取更多的試驗數據。

1.3.2 測量不同轉速下轉子交流阻抗

測量不同轉速下的轉子交流阻抗，經反復多次進行試驗，獲得了多組數據如表1，大部分試驗數據表明轉子交流阻抗變化在允許范圍以內，但也有與歷史值偏差較大的試驗數據。其中1組數據表明，轉速達到500 r/min以后，試驗值與交接試驗數據的差別開始增大。

表1 不同轉速下轉子交流阻抗數據與歷史值比較

當轉速達到500 r/min以后，與交接試驗數據相比交流阻抗明顯變小，損耗明顯增大，說明存在匝間短路。另外，在試驗時發現：轉速上升至2 800 r/min時，電流出現晃動現象，在43 A→39.0 A→43 A之間晃動；轉速下降至2 720 r/min時，電流也在39 A→43 A間晃動，之后電流恢復正常，該現象說明匝間短路現象不穩定。

1.3.3 額定轉速空載試驗

空載試驗數據如表2：表中U為發電機定子線電壓二次值，Uf勵磁電壓，If1交接試驗時勵磁電流，If2本次試驗時勵磁電流。

表2 額定轉速下空載試驗數據

從試驗結果中可以發現，在相同的試驗條件下試驗勵磁電流值與交接試驗時相比有增大現象，約增長1%～2%，空載曲線與以前比有向右偏移現象。

由以上試驗可以說明該轉子在轉速大于500 r/min后出現動態匝間短路缺陷，但匝間短路狀態有時不穩定。

1.4 發電機三相短路狀態下氣隙磁場波形錄取

由于轉子的匝間短路屬于動態匝間短路，轉子靜止后短路現象可能消失，無法通過電氣試驗來查找故障點，將給處理缺陷帶來困難，影響檢修工期和效果，所以考慮錄取氣隙磁場波形確定故障點位置。

在3號發電機定子、轉子氣隙間已安裝轉子匝間短路探測線圈，將探測線圈信號線接至錄波器，可錄下感應電勢波形，由于探測線圈的感應電勢正比于轉子各槽dB/dt，槽中有短路線匝時，相應的dB/dt幅值銳減。由鍵相信號確定出缺陷極，由感應電勢波形圖確定槽數，可將短路缺陷范圍縮小至1個繞組（2匝）之內。

在短路狀態下,探測線圈感應電勢波形較平滑規則，易分辨短路匝及其所在槽位。所以在大修前安排發電機短路試驗進行氣隙磁場錄波，如圖2所示。3號發電機轉子N，S極分別有16槽，每槽有11層線圈。從圖2中可看出在轉子線圈中有1處明顯的短路點。匝間短路故障位置為鍵相信號對應側第5匝，已大大縮小了故障范圍。

圖2 發電機氣隙磁場波形

綜合上述試驗結果，確認3號發電機轉子鍵相信號對應側第5匝存在動態匝間短路故障，但短路點并不是穩定存在著的，且短路線匝較少，在勵磁電流較小的情況下，磁場崎變較小，勵磁電流大于4 252 A后出現繞組熱變形引起發電機振動增大。

2 動態匝間短路點的確認

3號發電機大修期間，在現場進行發電機轉子檢查處理。由于轉子繞組在勵側進行焊接，歷史經驗又表明勵側出現故障概率大，所以先拔出勵側大護環，很快就在第5匝2～3層線圈間發現短路點，如圖3所示。故障點位置與事先判斷結果完全一致。

圖3 動態匝間短路的短路點

由于制造廠加工工藝的控制不嚴，匝間絕緣上留有焊渣，在機組運行一段時間后焊渣受振動影響磨壞絕緣材料造成短路，短路電流燒毀焊渣同時使絕緣材料局部受熱燒損，在絕緣層上形成1個孔洞，破壞了轉子匝間絕緣。

在勵磁電流較小，轉子溫度較低時，轉子繞組匝間的擠壓力較小，絕緣層燒穿后的微小間隙仍然存在，短路點的短路現象不明顯，從而使得轉子在低勵磁電流、低無功運行時，轉子振動無異常；在高轉速的離心力與熱膨脹等因素作用下，絕緣損壞處的間隙縮小將會出現短路。電流越大，溫度越高則短路點越穩固，匝間短路現象越明顯，從而形成了不穩定匝間短路，此時獲得的試驗值與交接值有顯著差異。而在低轉速下測交流阻抗，轉子線圈離心力小，所以轉子交流阻抗與功率損耗顯示正常。

短路點進行處理后，轉子交流阻抗及損耗值、發電機空載特性數據已恢復正常。3號發電機投運后，7，8號瓦軸振動大幅下降，且滿負荷時振動值在70 μm以下。

3 結論

分析認為，在轉子的各種匝間短路故障形式中，若能選用有效的故障檢測手段，則能迅速分析出故障真實原因，從而及時消除設備缺陷。各種試驗方法在確認匝間短路故障中的作用如表3所示。

表3 發電機轉子匝間短路試驗方法在確認故障中的作用

顯然，傳統的匝間短路檢測試驗方法在診斷發電機動態匝間短路時有很大的局限性，難以給出明確的判斷。

氣隙磁場波形分析方法由于檢測靈敏度高、檢測工況與發電機實際運行狀態非常接近，并能排除故障判斷中的干擾因素，是判斷發電機動態匝間短路的有效方法。

[1]張麗娟，楊新華，馬呈霞，等.轉子熱彎曲引起發電機組振動的診斷與處理[J].大電機技術，2009（8）∶13-16.

[2]孫宇光，王祥珩，桂林，等.步發電機勵磁繞組匝間短路的仿真研究[J].電工電能新技術，2008，27（2）∶5-10.

[3]李偉清.汽輪發電機故障檢查分析及預防[M].北京：中國電力出版社.2002.