600 MW發電機轉子匝間短路故障診斷及處理

馬親良，孫善華，楊翠平

（1.鄒縣發電廠，山東 鄒城 273500；2．山東電力研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

發電機轉子結構復雜，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、運行、維修等原因，常發生匝間短路故障［1］。轉子繞組產生匝間短路后雖不象接地故障那樣嚴重影響發電機安全運行，但嚴重時會使發電機無功出力降低，不平衡的匝間短路會引起機組劇烈振動，也可能由于突發性匝間短路產生的電弧燒損對地絕緣進而發展成接地故障［2］。因而轉子繞組匝間短路是一種不可輕視的故障，機組大修時應認真進行轉子匝間短路試驗。

1 故障情況

鄒縣發電廠6號發電機是我國第一臺國產化600 MW水氫氫冷發電機，安全運行已有十余年，2011年4月開始第三次大修。2011年5月27日，在對其進行大修的預防性試驗時，發現有匝間短路的跡象。

1.1 直流電阻法

轉子繞組存在匝間短路時其直流電阻會減小。標準規定，測量結果與基值相比較，歷次測量值的變化不應超過2%，否則應查明原因。本次大修，用直流電阻測試儀對轉子繞組進行了測試，測量值如表 1 所示［3］。

表1 轉子繞組直流電阻測試值

從表1可看出，轉子直流電阻與上次測量值相比明顯偏小，接近2%的標準。再對其出廠以來的所有直流電阻值進行了縱向比較，表2所示。

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

1.2 交流阻抗和功率損耗法

測量轉子繞組交流阻抗和功率損耗是判斷有無匝間短路的較為靈敏和有效的方法［3］。在交流電壓作用下，轉子繞組短路匝中流過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。本次測量值如表3所示，轉子繞組歷次交流阻抗及功率損耗測試值如表4所示。

表2 歷次測試的轉子直流電阻值

表3 本次轉子繞組交流阻抗及功率損耗測試值

表4 轉子繞組歷次交流阻抗及功率損耗測試值

表4可看出，轉子交流阻抗與前幾次測量值相比明顯偏小，與第一次大修時相比下降了6.71%，功率損耗則增加了6.04%，從測試結果來看，具有匝間短路特征。

1.3 單開口變壓器法

單開口變壓器法是現場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］。試驗時將開口變壓器（繞有3 000～5 000匝，直徑0.3～0.5 mm漆包線，鐵芯開口寬度稍大于轉子齒距，齒寬稍小于被測轉子齒寬）扣在轉子槽兩側的齒上。對轉子繞組施加交流電壓，形成轉子繞組相當于原繞組、開口變壓器的繞組相當于副繞組的感應系統。如被測轉子線槽無匝間短路，則自各槽測得的感應電勢及相位基本相同。如某一槽存在短路線匝，則開口變壓器繞組的端電勢及相位將有明顯變化。表5為本次現場測量值，中間在廠家技術人員的指導下，還調整了試驗電壓和轉子的角度，以便排除非穩態短路情況。

表5 單開口變壓器法測試數據

注：僅考察故障周圍線槽

通過以上單開口變壓器法測得的數據可以明顯的看出，轉子的8號和25號槽與同側其它槽角度偏差較大，最大差值分別為176.2°和207.2°，均超過90°，8號和25號槽中放置的是同一個線圈，懷疑這個線圈中存在著匝間短路。

1.4 中心線電壓測量法

廠家提供了另外一種檢測轉子匝間短路的簡便方法——中心線電壓測量法。在轉子勵側護環下，若能找到轉子的中心線，便能夠對轉子繞組施加交流電壓，然后分別測量中心線到正極和負極滑環的電壓。若不平衡度超出3%，便可以判定轉子繞組存在匝間短路。本次檢查，對轉子分別施加了100 V、200 V交流電壓，測量結果如表6所示。

表6 中心線電壓法測試數據

由表6可以看出，兩極不平衡度已超過10%，發電機轉子確實存在匝間短路。

經過對以上數據的全面綜合分析，可以確定6號發電機轉子8號、25號槽存在有匝間短路故障。

2 故障定位及處理

2.1 扒護環前

采用匝間壓降法來進行精確定位。具體方法是：在轉子滑環上施加直流電壓，用觸針在兩側護環內側的徑向通風孔中測量短路槽中線匝間的電壓，因理論證實，短路匝間電壓僅為正常匝電壓的1/10或更小。用直流電焊機對轉子施加了48 A的直流電，分別測量8號槽和25號槽兩側徑向通風孔中的匝電壓，試驗數據見表7。

表7 匝間電壓測試數據 mV

從表7可以看到，汽側8號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。判斷匝間短路點位于汽側8號槽的第五和第六匝間，應該扒下汽側的護環進行處理。

2.2 扒護環后

扒下護環后，露出了汽側的端部線圈，在8號槽、25號槽以及它們之間進行了匝間電壓的測量，這次施加的是66 A的直流，數據如表8。

表8 扒下護環后匝間電壓測試數據 mV

從表8能進一步確定短路點在8號槽，將8號槽靠近汽側三分之一的槽楔退掉，露出通風孔，然后從汽側第一塊槽楔處開始測量第五匝和第六匝之間的電壓，數據見表9。

表9 第五匝和第六匝匝間電壓測試數據

從表9的匝間電壓數據就可以明顯的看出，轉子8號槽從汽側數第五槽楔附近存在匝間短路。找到了具體的短路位置，開始故障處理。將8號槽靠上的5匝線圈撬起，露出第六匝線圈，可以清晰的看到兩個短路點，圖1所示。

圖1 轉子匝間短路點其中之一

2.3 故障原因分析

轉子線圈匝間短路的準確位置在8號槽線圈第五匝與第六匝之間，有兩個短路點。第一點距汽端本體端面距離為900 mm，第二點距汽端本體端面距離為1 430 mm，兩處短路點距離為530 mm。分析原因為轉子繞組在五、六匝間存在高點或有異物，加之轉子槽楔為松打結構，每次開停機時匝間繞組在離心力及轉子大軸擾動的作用下存在相對位移，匝間絕緣磨損后造成短路。

2.4 故障處理

截去兩短路點之間的一段已局部碳化而且已燒到穿孔的匝間墊條（長度約600 mm），銅線做砂光處理，重新墊入新墊條（長約700 mm，兩端與舊墊條搭接約50 mm）。相鄰匝（即第六、七匝）對應于短路部位的匝間墊條有過熱痕跡，增加一層匝間墊條（長約250 mm）作補強之用。

3 修后試驗數據

1）轉子繞組絕緣電阻測試數據如表10所示。

表10 轉子繞組絕緣電阻測試數據

2）轉子繞組直流電阻測試（平均溫度35.5℃）數據如表11所示。

表11 轉子繞組直流電阻測試數據

3）轉子繞組交流阻抗及功率損耗測試數據如表12所示。

表12 轉子繞組交流阻抗及功率損耗測試數據

4）轉子匝間短路試驗

單開口變壓器法測試數據如表13所示。

表13 單開口變壓器法測試數據

中心線電壓測量（施加200 V交流電壓）數據如表14所示。

表14 中心線電壓測量數據

從修后的各項數據來看，轉子的匝間短路故障已完全消除，因對轉子繞組和槽楔進行了局部的修復，故交流阻抗與修前數據有些差別，是否影響發電機的性能，待轉子沖轉時再進行動態交流阻抗測量確認。

4 結語

當發電機轉子發生匝間短路等故障后，解體檢查修復的周期較長，因此，對發電廠的安全穩定運行影響比較大。建議制造廠加強對制造工藝的監督，在繞組下線、整形等工藝過程中嚴防匝間絕緣損傷，杜絕繞組銅導體的毛刺，徹底清理干凈槽內的導電金屬屑。發電廠在大小修時，應加強對轉子匝間短路的試驗監督，防止因運行年久，在電、熱和機械應力的作用下而使得導體移位、變形，從而導致匝間絕緣磨損、斷裂。另外要嚴格轉子的檢修工藝，做好通風孔等處的清理工作，防止通風孔堵塞或絕緣受潮臟污導致的匝間短路缺陷。