汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷及分析

摘 要： 本文主要以日立公司生產的600MW汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障的檢測和診斷方法進行了介紹和分析，結合實際的運行經驗， 就大型汽輪發電機轉子繞組匝間故障診斷技術的特點及存在的問題進行了研究和探討。

關鍵詞：發電機 轉子繞組 匝間短路 故障診斷 故障分析

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）10-0276-02

引言

汽輪發電機轉子的匝間短路嚴重影響發電機的安全穩定運行，運行中造成勵磁電流增大，輸出無功功率減少。轉子振動加劇、轉軸軸電壓增高等不良影響。如果對轉子匝間短路故障不能及時發現， 則會產生很大的危害，短路點處的過熱會導致絕緣損壞造成接地、線棒過熱會引起局部變形或燒熔， 故障的進一步發展會造成大軸整體磁化，護環燒損， 或燒傷軸頸和軸瓦等， 甚至會造成轉子燒損事故。所以。必須及時找出故障點，予以消除，這而解決這一問題，必須進行發電機轉子匝間繞組短路故障的分析，并采用正確的處理方法。

一、發電機轉子匝間短路的原因及分類

轉子繞組發生匝間短路的原因，綜合起來大概有制造和運行兩個方面：

1.廠家制造工藝不良。如：端部墊塊固定不牢，脫落端部繞組匝間短路；在轉子繞組制造中，工作人員在下線、整形等工藝過程中，損壞了匝間絕緣；或絕緣材料中遺存有金屬硬物（如銅線有硬塊，毛刺），刺穿了匝間絕緣導致匝間短路。

2.轉子在運行中在熱、電、機械等綜合應力作用下，其繞組就會產生位移﹑變形或端部絕緣墊塊松動脫落，致使匝間絕緣磨損﹑斷裂﹑脫落，或由于內部臟污等原因，造成轉子一點或多點匝間短路。運行中檢修殘留異物堵塞通風孔引起高溫造成匝間絕緣損壞引起匝間短路。運行年限長久，轉子絕緣老化，也會造成匝間短路。

轉子匝間短路的分類：轉子繞組的匝間短路，按其短路的穩定性，可分為不穩定和穩定兩種。所謂不穩定的匝間短路，則與轉子的溫度和轉速等有關，也即在低轉速、高轉速、低溫或高溫時才發生的短路，或者在溫度和轉速同時作用下，才能出現的短路。而穩定的匝間短路是指此短路與轉子的溫度和轉速等均無關的短路。

二、轉子匝間短路的主要診斷方法及優缺點

1.比較直流電阻法

依據電力行業標準《電力設備預防性試驗規程》中所規定，在交接和每次大、小修時，都要對轉子繞組的直流電阻進行測量，測量標準是：測量值與初次（交接或大修）所測結果比較其差別一般不超過2%。理論上，當繞組發生匝間短路時，直流電阻會隨之減小。但實際上，一般發電機轉子繞組的總匝數較多，若其中只有少量匝數短路，即使測量很精確，直流電阻減小也可能不超過2%的標準。故此方法只有在短路匝數較多時方能奏效，因此，比較直流電阻法的判斷是否有匝間短路靈敏度是很低的，不能作為判斷轉子匝間短路的主要方法，只能作為綜合判斷的方法之一。

2.交流阻抗及損耗測量法

依據電力行業標準《電力設備預防性試驗規程》中所規定：阻抗和功率值自行規定，在相同試驗條件下，與歷年數值比較，不應有顯著變化，相差10%應該引起注意。當轉子繞組中發生匝間短路時，在交流電壓作用下流過短路線匝中的電流，約比正常線匝中的電流大n（n 為一槽線圈總匝數）倍，并有強烈的去磁作用，并造成轉子交流阻抗大大下降，功率損耗顯著增加。本方法簡便、實用、較靈敏，可以動態、靜態下測量。但此方法因受多種因素影響，常常降低其試驗結果的準確度，如試驗時施加電壓的大小，轉子所處位置﹑電源頻率﹑短路點接觸電阻及短路線匝在槽內所處位置等. 所以此方法應并結合其他的測試方法，綜合判斷再作定論。

3.空載短路試驗法

此方法是將空載電壓及勵磁電流、短路電流測量出來進行曲線繪制，與出廠的原始曲線進行比較，在短路匝數很少時，曲線變化甚微，不能明確判定是否存在匝間短路，只有在只有短路匝數較多時，試驗曲線才有變化，所以判斷比較粗略，只能作為綜合判斷的方法之一。

4.開口變壓器法

開口變壓器法的原理是在轉子繞組中通人交流電后， 利用一只開口變壓器依次測量轉子各槽上漏磁通引起的感應電壓。當短路線匝靠近槽底或槽的中部時， 開口變壓器中所測得電壓的數值將顯著降低， 但短路線匝靠近槽楔下面時， 則不能發現，因此時感應電壓反而增大。在具有鐵磁性槽楔及槽楔下有磁性鋼片時， 此法更不適用。

5.兩極電壓和分包壓降法

在轉子繞組中通人交流電， 測量轉子二極電壓。二極電壓相等時說明轉子不存在匝間短路， 不相等時說明存在匝間短路， 然后依次測量各個分包線圈的電壓降。若測得電壓降將顯著減小， 那么此線圈存在短路。也就是分別測量各個分包線圈的交流阻抗。在實際中，通常都采用直流電壓降法。將轉子繞組中通人直流電，用接有毫伏表的探針， 依次測量分包短路線圈中各線匝間的電壓降，若所測得的電壓將顯著減少，則此線匝短路 且越靠近短路點處的測得電壓最低。對于繞線式和具有輻向通風孔的轉子，可以很方便地使用此法進行測量， 而對于其它型式發電機轉子只有在拆下護環時才能應用此法。

6.轉子繞組匝間短路的RSO 重復脈沖檢測法

RSO測試方法是由英國專家J.W.Wood在上世紀末提出來，并由NEIParsons公司在500MW發電機轉子繞組上進行過實驗應用。轉子線圈RSO 檢測技術的工作原理應用波過程理論（行波技術），其基本過程是采用雙脈沖信號發生器對發電機轉子兩極同時施加一個前沿陡峭的沖擊脈沖波。當脈沖波傳播到阻抗突變點位置時會產生一個反射波和折射波，用雙線錄波器錄得兩組與正常回路無阻抗突變時不同的響應特性曲線。將這兩組響應特性曲線做差得到差值波形。當測得正負兩級脈沖響應特性曲線完全一致，即兩條相應曲線應當完全重合，其相減波為一條直線，則表明轉子線圈匝間絕緣正常，無存在匝間短路的可能，一旦兩條相應曲線不能完全重合，相減波出現凸起，說明轉子繞組匝間絕緣存在異常，可能存在匝間短路現象。在轉子旋轉時測試結果存在較大干擾，并且需要采取輔助手段才能實現短路缺陷的定位。

7.微分線圈動測法

這種方法最早是由美國的Albright提出來，它是將探測線圈安裝在定子鐵芯的空氣間隙表面，線圈方向可以為徑向放置和切向放置，這樣可以測量磁通的徑向分量和切向分量。其基本原理就是在發電機通勵磁電流旋轉時，通過探測線圈將發電機氣隙中的旋轉磁場進行微分，然后將探測微分信號引入示波器進行分析，通過對發電機轉子線圈故障前后感應電動勢波形對比分析（轉子匝間短路前后波形不一致），即可診斷出轉子繞組是否存在匝間短路故障，并根據波形可判斷出故障槽的位置。這種方法不受外部條件及匝間故障點在槽中位置的影響，可信度較高，這種方法要求轉子處于旋轉狀態下測量，所以在轉子安裝前和半成品時無法應用。

三、綜合判斷轉子匝間故障實例分析

某廠2號發電機是日立生產的600MW發電機，04年12月投運，08年9月第一次大修，投運后發電機兩端7、8號瓦振動比較大。邀請振動專家協助分析，一直未徹底解決。2號機安裝在線轉子匝間短路測量裝置，2010年9月，該裝置多次報警，其報警值為2.5%，其軟件判斷約為其軟件判斷約為2-3匝短路。2011年1月停機檢修，機組停運前發電機勵側，汽側振動都比較大。停機前發電機軸向的振動（Z向）已至130μm。600MW機組廠內限定負荷不超過420MW，嚴重影響出力和機組穩定運行。

發電機停機前后試驗數據。

1.在線監測分析

2號機轉子匝間短路在線監測報警

2010年9月，某廠2號機轉子在匝間短路在線檢測裝置報警圖如下：其報警值為2.5%，懷疑約為2-3匝短路。（本機組為原裝日立機組，安裝有進口的轉子在匝間短路在線檢測裝置）

2.交流阻抗及功率損耗試驗

從實驗數據分析，功率損耗雖然未到規程規定注意值10%，但也增加了將近5%，阻抗降低了2%，分析認為，在形同條件下，功率損耗增大，阻抗降低，符合匝間短路的趨勢分析。可能存在匝間短路，

3.RSO 試驗及分析

2號機修前RSO實測圖譜

1號機RSO實測圖譜

5號機RSO實測圖譜

由于第1次使用RSO試驗，2號機組故障前沒有原始圖譜，只有對比同類型機組的圖譜，故對比1、2、5號機圖譜，2號機組頻響曲線不重合，1、5號機組重合比較好，認定2號機有匝間短路故障，應該存在多處匝間短路點，但是每個短路點都不嚴重。

在廠家來人的指導和配合下，取下了轉子兩端的護環，想先通過測量交流分包壓降，再一次確定匝間短路的具體匝數。

該機為日立600MW機組，每極7包，每包8匝線圈。對其進行兩極電壓試驗：內環對中：93.8V，外環對中為94.6V，兩級電壓均衡，膛外交流阻抗變化不明顯。

但測量分包壓降中，第7包壓降變化明顯，比其他壓降小得多，重點對第7包的匝間進行檢查，對轉子加100A直流，進行匝間短路定位試驗，分別是勵磁護環S極面第七包5-6匝（靠近護環為第一匝）和汽側護環下N極面第七包5-6匝存在匝間短路。

經過檢查具體部位：

汽側7包N極面5-6匝之間發現有焊渣焊死在6匝上，造成5-6匝短路。

勵側S極面7包5-6匝間加墊絕緣后，該包故障消失。

復測分包壓降發現汽側端部S極面4包1-2匝間存在匝間短路，處理后消失對所判定的位置進行了重包絕緣。重包絕緣后又重新測量了交流分包壓降，各包的變化趨勢正常。經過檢修處理后圖譜

2號機檢修后RSO實測圖譜

檢修后測量交流阻抗及功率損耗為-1.9%，功率損耗未-2%，機組啟動后振動正常，轉子匝間短路無報警。

四、結語

通過以上分析，發電機轉子匝間短路需要綜合分析，由于各種試驗方法均有不同的影響因素和局限性，對判斷結論造成影響。電機轉子運行參數有可能作出匝間短路報警，不能靈敏反應轉子繞組絕緣輕微劣化狀態。輕微匝間短路時交流阻抗和直流電阻數據雖略有減小，但均在規程規定的范圍，無法明確判斷是否存在匝間短路，轉子在膛外后進行的分包壓降和兩極電壓法能反應匝間短路缺陷，并能初步定位包位置；RSO 診斷試驗對高阻匝間短路有高靈敏度，當分包壓降、兩極電壓和直流匝間壓降都正常的情況下，RSO能正確判明存在高阻匝間短路缺陷。RSO診斷試驗對絕緣缺陷的早期診斷具有優越性。可為電廠處理故障提供了充裕的準備時間。

參考文獻

[1]《電氣設備交接和預防性試驗規程》華北電力集團公司.

[2]《高壓電氣設備試驗方法》西南電業管理局試驗研究所.

[3]《高壓電氣設備試驗方法及診斷技術》電力工業部

作者簡介：張盛（1972-），男，工程師，畢業于華北電力大學，現任內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司檢修部電氣隊長。