大型汽輪發電機轉子匝間短路故障點現場定位與計算

劉 海 波

（珠海發電廠，廣東 珠海 519050）

前言

發電機轉子結構設計復雜，因制造、安裝、運行、維護等原因，常發生匝間短路故障。發現、處理不及時會引起機組振動及轉子繞組燒損。

國內外診斷發電機轉子繞組匝間短路故障和位置的常用方法有測轉子繞組的交流阻抗和功率損耗法、兩極電壓平衡法、探測線圈法等。這些方法存在無法準確定位診斷的缺點。而對于大型汽輪發電機來說，當發現轉子繞組匝間短路故障，如能夠盡早準確無誤地計算和定位出轉子繞組匝間缺陷點和絕緣情況，既可為之及時處理故障，同時也可避免故障的進一步發展和重大設備損壞事故發生，從而保證機組安全連續穩定運行。

本文通過對某電廠2號發電機轉子繞組匝間短路故障快速診斷定位、計算分析，進行相關論述和探討。

1 故障情況

某火力發電廠2號發電機為原美國西屋公司生產的水氫氫汽輪發電機，額定功率746MW，額定勵磁電流6371A，額定勵磁電壓400V，采用自并勵靜態勵磁。轉子外徑1168mm，本體長度6350mm。轉子為2極，每極8個線圈，每個線圈6匝，共計32槽96匝線圈。轉子采取軸向－徑向通風，四級高壓風扇及立式氫冷器置于汽端。該機組未裝設轉子繞組動態匝間短路在線監測裝置。

該廠2號發電機2000年正式投運，于2009年12月機組小修期間，依照計劃對轉子進行電氣預防性試驗。常規試驗情況具體如下。

1.1 直流電阻測試

換算至同一溫度下，2009年12月所測的直流電阻值，與交接試驗值相比，偏差0.83%＜2%，符合DL/T 596-2005標準。電力設備預防性試驗規程要求：冷態下測量，與初次（交接或者大修）所測結果相比較，其差別一般不超過2%[1,2]。

1.2 膛內靜態交流阻抗與功率損耗試驗

當試驗電壓升至206.0V時，2號發電機轉子的交流阻抗比2005年的歷史數據阻抗下降了7.5%，而損耗則增大了9.83%。數據對比存在一定的變化，顯示可能存在轉子匝間絕緣故障。由于偏差不大，還不能成為判斷轉子繞組存在匝間短路故障的典型數據，只能作為分析轉子繞組是否存在匝間短路故障的一種參考判據。

1.3 兩極電壓平衡試驗

2號轉子繞組兩極之間的電壓平衡度偏差達到11.0V，大大超出西屋公司的轉子繞組極平衡試驗的標準要求，即兩極之間的電壓平衡度偏差不得大于試驗電壓的2%。極平衡結果也符合匝間短路的故障特征。

1.4 RSO重復脈沖試驗

當轉子兩極完全對稱不存在匝間絕緣故障時，由轉子兩極注入的脈沖應是基本重疊的。合成的特性曲線應為一條近乎完全重合的曲線。電廠現場RSO試驗波形結果如圖1，其兩極注入的脈沖信號曲線存在較大偏差，達150mV，初步判斷，2號發電機組轉子匝間絕緣不正常，在第三槽有一匝金屬性短路。

圖1 2號發電機轉子RSO試驗（抽轉子前）

1.5 故障性質

在進行了轉子繞組RSO試驗、直流電阻、交流阻抗及損耗測量、極平衡試驗等系列試驗，對各項試驗結果綜合分析，數據一致表明2號發電機轉子匝間絕緣存在異常現象，極1第3槽存在金屬性的匝間短路故障。

2 故障點現場精確定位與計算

傳統試驗方法可對轉子的故障進行定性的判斷，卻無法對故障點進行準確定位。在現場一旦確診轉子匝間短路故障后，接下來的首要任務就是實現故障的定位和準確計算，然后根據結果進行下一步對策制訂和后續事項實施。

2.1 定位匝間短路的槽和匝號

轉子匝間短路的定位，從故障所在線圈到定位故障所在的具體線匝，既可采用線圈和匝間交流分布法，也可采用直流電壓法。考慮到交流法測量匝間電壓分布時，繞組間存在互感的影響，對試驗結果的判斷會產生很大的干擾。直流法測量匝間短路時，不存在這樣的問題。

由于該轉子設計上采用半軸向通風結構形式，每個線圈的左右兩側都有12個通風孔，這12個通風孔位于轉子本體中部，如圖2所示。每個通風孔都對應了各自的某匝線棒的通風。通過這些通風孔，可以將探針插入到底部，測量得到極1繞組或極2繞組8組線圈各匝線棒的電壓。

圖2 轉子繞組的半軸向通風結構

在發電機膛內未抽出轉子前，為實現故障點的定位及測量數據便于分析，同時考慮測量人員安全，采用焊機給轉子提供直流電，在轉子二極導電螺釘之間輸入不超過額定電壓的直流量（50A），分別測量二極對應線圈的各匝間的電壓降，通過對比兩極線圈的壓降，即可確定故障點存在的槽號及匝數。

測試時焊機施加的實測電流59.4A，直流電壓2.307V。兩極各線圈的相鄰匝間電壓測試數據見表1。表中“匝間電壓”的測量部位，如“1-2”、“5-6”等，其“1”表示位于轉子槽內頂部的線棒即頂匝，“6”表示位于轉子槽內底部的線棒即底匝。

數據分析：表中列出了極1與極2的8組線圈各匝間的壓降，對比數據不難發現：

（1）極1的3號線圈5-6匝間電壓僅6.8V，明顯低于極2的3號線圈5-6匝間電壓26.1V；

（2）極1的4-5匝間電壓21.1V，雖與極2的4-5匝間電壓27.0V相差5.9V，但根據轉子電流的方向不難發現，3號線圈的電流方向是由底匝（6匝）流入，頂匝（1匝）流出，極1的4-5匝壓降低顯然是被5-6匝的電壓降拉低了。其他線圈匝間電壓值基本一致。由此判斷，轉子極1的3號線圈5-6匝間發生了匝間短路。

2.2 轉子匝間短路故障點的精確定位計算

在確認了轉子匝間短路發生的槽號與匝數，但仍需確定匝間短路故障存在于轉子某處具體位置。發電機轉子勵端、汽端及本體在結構上卻存在著很大的差異，而正是這種差異，使得處理的復雜程度大相徑庭。因此，為了便于制定轉子后續處理方案，有必要對轉子繞組發生匝間短路故障的部位進行準確的定位。

表1 2號發電機轉子直流匝間電壓分布試驗測試部位/mV

發電機轉子在沒有任何匝間短路等異常狀況時，轉子兩極繞組應是完全一致，兩極具有良好的對稱性。當轉子匝間出現故障時，在轉子二極通入電壓，根據基爾霍夫電流定律，此時故障點電流的方向就產生了變化，由于線圈長度應與電位降成正比，按線匝長度的關系，經過計算可知短路點的位置，即可對故障點的定位，計算出故障點與測量點的距離。

2.2.1 直流法匝間短路位置計算公式推導

圖3 轉子一組線圈示意圖

如圖3，測量點3、4、5表示面向轉子勵端右側中間出風孔編號，一匝線圈的長度為L，U56為短路匝的匝間電壓，U45為順著電流方向與短路匝相鄰的匝間電壓，U為正常的匝間電壓，短路電流為IK，LK為短路點和測量點的距離，順電流方向來看。

（1）測量點順著電流方向與故障點的距離LK/L的公式推導

由公式（2）得：

將式（3）代入式（1）得

（2）判斷轉子匝間短路點故障性質(I-IK)/I的公式推導

將式（5）與式（6）相加，得

2.2.2 轉子匝間短路點的精確計算實例

計算對象：該廠的2號發電機轉子繞組。

根據推導公式（4），短路點距離測量點的距離：

由于3號線圈整個線圈的長度L為15m，根據LK/L=0.2239，已知L=15 m，那么短路匝距測量點的相對距離為3.36 m（順電流方向），由于右側電流方向為從汽端到勵端，測點在轉子右側中部出風孔處，那么短路點應在測點位置向勵端方向3.36m位置，由現場實際測量，故障點在轉子勵端護環右側處（面向轉子勵端），并非汽端。

2.2.3 轉子匝間短路點故障性質的判斷

根據推導公式（7），代入測量數據：

由計算結果可知：除去短路電流外，剩余電流僅占流過總電流的4.1%，短路電流為每匝線圈上流過總電流的95.9%，因此可得出結論：2號發電機轉子匝間短路屬于金屬性短路，與之前轉子RSO試驗的結論不謀而合。

2.2.4 故障處理

2號發電機轉子送國內某大型發電機制造廠拔掉勵側護環后，在未解體轉子線棒前進行檢查時，取出端部墊塊，用絕緣楔形塊撐開3號線圈5-6匝之間的拐彎處，再用檢查鏡直接查看，果然發現此處粘連有一顆米粒大小的銅渣，其故障部位與上述定位分析完全吻合，計算值與實際短路點相差僅15mm。將該銅渣清除后，故障現象立即消除。修復后進行系列電氣試驗，數據均顯示合格。

3 小結

轉子繞組的交流阻抗和功率損耗、轉子繞組極平衡試驗等是發現轉子匝間故障的常規試驗。這些試驗可作為發電機轉子故障的參考判據，但無法實現故障點的定位。

RSO測試能快速有效發現轉子匝間短路故障。只需在停盤車狀態下就可實施較為準確測量。因此在常規試驗發現轉子匝間絕緣存在缺陷后，利用轉子RSO試驗，對發電機轉子匝間短路故障進行診斷，并初步定位故障點位置。

結合轉子結構特點，通過線圈和匝間直流電壓分布試驗法，采用直流法匝間短路位置計算公式，可以實現故障點的精準定量計算和定位。通過測量數據可以找出轉子匝間短路的具體槽號、匝數，再結合轉子結構、尺寸，通過試驗數據的計算，最終定位出轉子匝間短路的具體位置。

匝短故障發生在轉子的不同部位，其處理方案和處理成本就可能會有很大的差異。如果能事先確定故障點的部位，就可以使電廠科學合理地、有針對性地制定后續的工作方案。作為一個成功的經驗和經典案例，該故障點的現場精確定位法，不但為轉子的故障定量分析和處理提供了充足的依據，并由此能以較小的成本進行快速修復，從而節省大量的人力、物力和財力，挽回巨大的經濟損失，而且不用先拆護環進行檢測，十分簡便快捷，實用有效。

[1]DL/T 596-2005, 電力設備預防性試驗規程[S].

[2]GB 50150-2006, 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].