600 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷及處理

馬親良，孫善華，楊翠平

（1.鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273500；2．山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般有上百及上千匝的多匝繞組，其匝間絕緣薄，厚度僅0.3~0.5 mm，因制造、運(yùn)行、維修等原因，常發(fā)生匝間短路故障［1］。轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生匝間短路后雖不象接地故障那樣嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，但嚴(yán)重時(shí)會(huì)使發(fā)電機(jī)無(wú)功出力降低，不平衡的匝間短路會(huì)引起機(jī)組劇烈振動(dòng)，也可能由于突發(fā)性匝間短路產(chǎn)生的電弧燒損對(duì)地絕緣進(jìn)而發(fā)展成接地故障［2］。因而轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是一種不可輕視的故障，機(jī)組大修時(shí)應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行轉(zhuǎn)子匝間短路試驗(yàn)。

1 故障情況

鄒縣發(fā)電廠6號(hào)發(fā)電機(jī)是我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)化600 MW水氫氫冷發(fā)電機(jī)，安全運(yùn)行已有十余年，2011年4月開(kāi)始第三次大修。2011年5月27日，在對(duì)其進(jìn)行大修的預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有匝間短路的跡象。

1.1 直流電阻法

轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路時(shí)其直流電阻會(huì)減小。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)量結(jié)果與基值相比較，歷次測(cè)量值的變化不應(yīng)超過(guò)2%，否則應(yīng)查明原因。本次大修，用直流電阻測(cè)試儀對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量值如表 1 所示［3］。

表1 轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測(cè)試值

從表1可看出，轉(zhuǎn)子直流電阻與上次測(cè)量值相比明顯偏小，接近2%的標(biāo)準(zhǔn)。再對(duì)其出廠以來(lái)的所有直流電阻值進(jìn)行了縱向比較，表2所示。

表2可以看出這次直流電阻測(cè)試值與出廠值比較降低的較多，懷疑轉(zhuǎn)子繞組存在有匝間短路，尚需結(jié)合其它測(cè)試手段和方法進(jìn)行綜合判斷。

1.2 交流阻抗和功率損耗法

測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗是判斷有無(wú)匝間短路的較為靈敏和有效的方法［3］。在交流電壓作用下，轉(zhuǎn)子繞組短路匝中流過(guò)的電流要比正常匝大，其方向與正常匝的電流方向相反，有較明顯的去磁作用，形成繞組總阻抗的顯著下降，功率損耗明顯增加。本次測(cè)量值如表3所示，轉(zhuǎn)子繞組歷次交流阻抗及功率損耗測(cè)試值如表4所示。

表2 歷次測(cè)試的轉(zhuǎn)子直流電阻值

表3 本次轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗及功率損耗測(cè)試值

表4 轉(zhuǎn)子繞組歷次交流阻抗及功率損耗測(cè)試值

表4可看出，轉(zhuǎn)子交流阻抗與前幾次測(cè)量值相比明顯偏小，與第一次大修時(shí)相比下降了6.71%，功率損耗則增加了6.04%，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，具有匝間短路特征。

1.3 單開(kāi)口變壓器法

單開(kāi)口變壓器法是現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用的一種判定匝間短路故障部位較為有效的方法［3］。試驗(yàn)時(shí)將開(kāi)口變壓器（繞有3 000～5 000匝，直徑0.3～0.5 mm漆包線，鐵芯開(kāi)口寬度稍大于轉(zhuǎn)子齒距，齒寬稍小于被測(cè)轉(zhuǎn)子齒寬）扣在轉(zhuǎn)子槽兩側(cè)的齒上。對(duì)轉(zhuǎn)子繞組施加交流電壓，形成轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于原繞組、開(kāi)口變壓器的繞組相當(dāng)于副繞組的感應(yīng)系統(tǒng)。如被測(cè)轉(zhuǎn)子線槽無(wú)匝間短路，則自各槽測(cè)得的感應(yīng)電勢(shì)及相位基本相同。如某一槽存在短路線匝，則開(kāi)口變壓器繞組的端電勢(shì)及相位將有明顯變化。表5為本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值，中間在廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)下，還調(diào)整了試驗(yàn)電壓和轉(zhuǎn)子的角度，以便排除非穩(wěn)態(tài)短路情況。

表5 單開(kāi)口變壓器法測(cè)試數(shù)據(jù)

注：僅考察故障周?chē)€槽

通過(guò)以上單開(kāi)口變壓器法測(cè)得的數(shù)據(jù)可以明顯的看出，轉(zhuǎn)子的8號(hào)和25號(hào)槽與同側(cè)其它槽角度偏差較大，最大差值分別為176.2°和207.2°，均超過(guò)90°，8號(hào)和25號(hào)槽中放置的是同一個(gè)線圈，懷疑這個(gè)線圈中存在著匝間短路。

1.4 中心線電壓測(cè)量法

廠家提供了另外一種檢測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路的簡(jiǎn)便方法——中心線電壓測(cè)量法。在轉(zhuǎn)子勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)下，若能找到轉(zhuǎn)子的中心線，便能夠?qū)D(zhuǎn)子繞組施加交流電壓，然后分別測(cè)量中心線到正極和負(fù)極滑環(huán)的電壓。若不平衡度超出3%，便可以判定轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路。本次檢查，對(duì)轉(zhuǎn)子分別施加了100 V、200 V交流電壓，測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6 中心線電壓法測(cè)試數(shù)據(jù)

由表6可以看出，兩極不平衡度已超過(guò)10%，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子確實(shí)存在匝間短路。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的全面綜合分析，可以確定6號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子8號(hào)、25號(hào)槽存在有匝間短路故障。

2 故障定位及處理

2.1 扒護(hù)環(huán)前

采用匝間壓降法來(lái)進(jìn)行精確定位。具體方法是：在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上施加直流電壓，用觸針在兩側(cè)護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)的徑向通風(fēng)孔中測(cè)量短路槽中線匝間的電壓，因理論證實(shí)，短路匝間電壓僅為正常匝電壓的1/10或更小。用直流電焊機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子施加了48 A的直流電，分別測(cè)量8號(hào)槽和25號(hào)槽兩側(cè)徑向通風(fēng)孔中的匝電壓，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 匝間電壓測(cè)試數(shù)據(jù) mV

從表7可以看到，汽側(cè)8號(hào)槽的第五匝和第六匝之間電壓最低，只有4.5 mV，其它正常的一般都在35 mV左右。判斷匝間短路點(diǎn)位于汽側(cè)8號(hào)槽的第五和第六匝間，應(yīng)該扒下汽側(cè)的護(hù)環(huán)進(jìn)行處理。

2.2 扒護(hù)環(huán)后

扒下護(hù)環(huán)后，露出了汽側(cè)的端部線圈，在8號(hào)槽、25號(hào)槽以及它們之間進(jìn)行了匝間電壓的測(cè)量，這次施加的是66 A的直流，數(shù)據(jù)如表8。

表8 扒下護(hù)環(huán)后匝間電壓測(cè)試數(shù)據(jù) mV

從表8能進(jìn)一步確定短路點(diǎn)在8號(hào)槽，將8號(hào)槽靠近汽側(cè)三分之一的槽楔退掉，露出通風(fēng)孔，然后從汽側(cè)第一塊槽楔處開(kāi)始測(cè)量第五匝和第六匝之間的電壓，數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 第五匝和第六匝匝間電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

從表9的匝間電壓數(shù)據(jù)就可以明顯的看出，轉(zhuǎn)子8號(hào)槽從汽側(cè)數(shù)第五槽楔附近存在匝間短路。找到了具體的短路位置，開(kāi)始故障處理。將8號(hào)槽靠上的5匝線圈撬起，露出第六匝線圈，可以清晰的看到兩個(gè)短路點(diǎn)，圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子匝間短路點(diǎn)其中之一

2.3 故障原因分析

轉(zhuǎn)子線圈匝間短路的準(zhǔn)確位置在8號(hào)槽線圈第五匝與第六匝之間，有兩個(gè)短路點(diǎn)。第一點(diǎn)距汽端本體端面距離為900 mm，第二點(diǎn)距汽端本體端面距離為1 430 mm，兩處短路點(diǎn)距離為530 mm。分析原因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組在五、六匝間存在高點(diǎn)或有異物，加之轉(zhuǎn)子槽楔為松打結(jié)構(gòu)，每次開(kāi)停機(jī)時(shí)匝間繞組在離心力及轉(zhuǎn)子大軸擾動(dòng)的作用下存在相對(duì)位移，匝間絕緣磨損后造成短路。

2.4 故障處理

截去兩短路點(diǎn)之間的一段已局部碳化而且已燒到穿孔的匝間墊條（長(zhǎng)度約600 mm），銅線做砂光處理，重新墊入新墊條（長(zhǎng)約700 mm，兩端與舊墊條搭接約50 mm）。相鄰匝（即第六、七匝）對(duì)應(yīng)于短路部位的匝間墊條有過(guò)熱痕跡，增加一層匝間墊條（長(zhǎng)約250 mm）作補(bǔ)強(qiáng)之用。

3 修后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1）轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù)

2）轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測(cè)試（平均溫度35.5℃）數(shù)據(jù)如表11所示。

表11 轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)

3）轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗及功率損耗測(cè)試數(shù)據(jù)如表12所示。

表12 轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗及功率損耗測(cè)試數(shù)據(jù)

4）轉(zhuǎn)子匝間短路試驗(yàn)

單開(kāi)口變壓器法測(cè)試數(shù)據(jù)如表13所示。

表13 單開(kāi)口變壓器法測(cè)試數(shù)據(jù)

中心線電壓測(cè)量（施加200 V交流電壓）數(shù)據(jù)如表14所示。

表14 中心線電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

從修后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)看，轉(zhuǎn)子的匝間短路故障已完全消除，因?qū)D(zhuǎn)子繞組和槽楔進(jìn)行了局部的修復(fù)，故交流阻抗與修前數(shù)據(jù)有些差別，是否影響發(fā)電機(jī)的性能，待轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)時(shí)再進(jìn)行動(dòng)態(tài)交流阻抗測(cè)量確認(rèn)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路等故障后，解體檢查修復(fù)的周期較長(zhǎng)，因此，對(duì)發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響比較大。建議制造廠加強(qiáng)對(duì)制造工藝的監(jiān)督，在繞組下線、整形等工藝過(guò)程中嚴(yán)防匝間絕緣損傷，杜絕繞組銅導(dǎo)體的毛刺，徹底清理干凈槽內(nèi)的導(dǎo)電金屬屑。發(fā)電廠在大小修時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路的試驗(yàn)監(jiān)督，防止因運(yùn)行年久，在電、熱和機(jī)械應(yīng)力的作用下而使得導(dǎo)體移位、變形，從而導(dǎo)致匝間絕緣磨損、斷裂。另外要嚴(yán)格轉(zhuǎn)子的檢修工藝，做好通風(fēng)孔等處的清理工作，防止通風(fēng)孔堵塞或絕緣受潮臟污導(dǎo)致的匝間短路缺陷。