關(guān)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的判斷及分析

高升

摘? 要：文章主要敘述了大型汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判斷及分析方法，通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障現(xiàn)象的分析和檢測快速判斷出匝間短路故障位置，為后續(xù)處理方案的制定提供合理的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子繞組;匝間短路;故障

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0116-02

Abstract： This paper mainly describes the judgment and analysis method of the turn-to-turn short circuit fault of the rotor winding during the operation of the large turbogenerator， and quickly determines the position of the turn-to-turn short circuit fault through the analysis and detection of the turn-to-turn short circuit fault of the generator rotor. The purpose of this paper is to provide a reasonable basis for the formulation of the follow-up treatment scheme.

Keywords： rotor winding; turn-to-turn short circuit; fault

近年來，隨著用電量的增加發(fā)電機(jī)組數(shù)量、容量也跟隨著增加，從200MW的中小型發(fā)電機(jī)，到1000MW的大型發(fā)電機(jī)，都有各種不同的故障出現(xiàn)，有的故障還是非常特殊的故障現(xiàn)象。此種情況可能跟近年來機(jī)組的負(fù)荷迅猛增長有關(guān)系，也跟國內(nèi)前幾年新建發(fā)電機(jī)組數(shù)量的爆發(fā)性增長有關(guān)系，還有就是與發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家的制造工藝有關(guān)。這些故障分布在發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、以及發(fā)電機(jī)外圍附屬設(shè)備等各個(gè)方面。不論是在定子線棒、繞組端部，還是在定子鐵芯，或是在轉(zhuǎn)子繞組方面，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上重大的損失。在這里對轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障分析、處理方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)跟大家進(jìn)行交流。

1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障原因分析和檢測

對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障現(xiàn)象、分析、診斷和處理過程中，需經(jīng)過以下幾個(gè)過程：

（1）運(yùn)行中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)異常，通過異常振動(dòng)現(xiàn)象來分析轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子盤車停運(yùn)后，要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行定子膛內(nèi)相關(guān)的電氣試驗(yàn)，以判斷是否存在匝間短路故障。

（3）將轉(zhuǎn)子抽出發(fā)電機(jī)定子膛外后，進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障點(diǎn)定位分析。

（4）確定故障點(diǎn)后進(jìn)行現(xiàn)場處理或返廠處理，并進(jìn)行故障發(fā)生原因進(jìn)行分析，以便有針對性地進(jìn)行處理。

2 針對上述的檢測方法具體分析如下

2.1 轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的匝間短路故障分析

《GB7064-2008隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》中，正常運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子一般保持在不大于80μm的振動(dòng)水平。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)異常振動(dòng)后，首先要對轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)的原因進(jìn)行分析，而造成轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)的電氣因素通常就是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障使定子氣隙中的合成磁場發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)子因受到了不平衡電磁力影響而發(fā)生振動(dòng)，隨著勵(lì)磁電流的增加，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)也相應(yīng)的增大，出現(xiàn)上述運(yùn)行狀態(tài)時(shí)應(yīng)當(dāng)懷疑轉(zhuǎn)子內(nèi)部可能發(fā)生了匝間短路的故障。

2.2 轉(zhuǎn)子停運(yùn)后（轉(zhuǎn)子仍在發(fā)電機(jī)定子膛內(nèi)）匝短故障的分析

雖然可以通過上述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)曲線與勵(lì)磁電流之間的相關(guān)性來分析轉(zhuǎn)子是否存在匝短故障，但畢竟還沒有針對轉(zhuǎn)子繞組做過任何的電氣試驗(yàn)進(jìn)行檢查，因此，還缺少最直接的判斷依據(jù)。機(jī)組解列后，當(dāng)轉(zhuǎn)子仍在發(fā)電機(jī)膛內(nèi)時(shí)，可以進(jìn)行以下電氣試驗(yàn)來判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝短故障。

（1）發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)。

（2）轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測量。

（3）轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和損耗試驗(yàn)。

（4）RSO（Repetitive Surge Oscilloscope）試驗(yàn)。

下面我們對于上述各種試驗(yàn)方法的特點(diǎn)做一個(gè)簡要的分析。

（1）發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)是通過空載狀態(tài)下測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流，與歷史值進(jìn)行比較、分析其變化的程度來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。存在匝間短路故障的轉(zhuǎn)子繞組，其空載電流要有所增大。不過，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路匝數(shù)較少時(shí)，勵(lì)磁電流的增加不會(huì)很明顯，因此，空載試驗(yàn)只能作為判斷是否存在匝間短路故障的一種參考。

（2）轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測量

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，繞組的直流電阻值會(huì)相應(yīng)的變小，直流電阻測量是通過測量轉(zhuǎn)子繞組直流電阻的數(shù)值來判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間是否存在短路故障，不過當(dāng)發(fā)生匝間短路的繞組匝數(shù)很少時(shí)（例如只在兩匝之間發(fā)生了匝短，轉(zhuǎn)子繞組直流電阻值變化很小，而且這種變化量可能比測量儀器的誤差范圍內(nèi)，就很難準(zhǔn)確地判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，反之，這種方法還是十分簡單有效的，如阻值偏差超過了5%時(shí)。

（3）轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和損耗試驗(yàn)

轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和損耗試驗(yàn)是判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障的一種常用方法，無論轉(zhuǎn)子在發(fā)電機(jī)膛內(nèi)或是膛外，均可方便地進(jìn)行測量，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，交流阻抗和功率損耗這兩個(gè)參數(shù)在診斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)，功率損耗要比交流阻抗敏感得多。對于轉(zhuǎn)子的交流阻抗來說，其阻抗下降10%的變化，往往并不能說明轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障。但功率損耗值上升10%左右以上的變化，往往說明轉(zhuǎn)子繞組很可能已存在匝間短路故障。不過，這里不包含交接時(shí)的采用松打槽楔工藝的新轉(zhuǎn)子在首次超速前后的阻抗和損耗值的變化。因?yàn)椴捎盟纱虿坌üに嚨男罗D(zhuǎn)子在首次超速試驗(yàn)后，由于槽楔松緊度的顯著變化，往往會(huì)造成轉(zhuǎn)子交流阻抗和損耗值的較大變化。但是最新發(fā)行的DL/T1525-2016《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷導(dǎo)則》中明確了交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)的條件及方式，并明確了判斷的原則;a.交流阻抗值與出廠數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)比較，減小超過10%;b.損耗與出廠數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)比較，增加超過10%;c.當(dāng)交流阻抗值與出廠數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)比較，減小超過8%，同時(shí)損耗與出廠數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)比較，增加超過8%;d.在轉(zhuǎn)子升速與降速過程中，相鄰轉(zhuǎn)速下，相同電壓的交流阻抗或損耗值發(fā)生5%以上的突變時(shí)的情況之一應(yīng)判斷為故障。

（4）重復(fù)脈沖波形（RSO）法

RSO方法目前在檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障中有了越來越多的廣泛應(yīng)用，RSO方法基于轉(zhuǎn)子繞組的對稱結(jié)構(gòu)，分別從轉(zhuǎn)子的正、負(fù)兩極向轉(zhuǎn)子注入高頻脈沖信號(hào)，將高頻脈沖的響應(yīng)波形進(jìn)行180度的換相重疊，通過比較對稱性，驗(yàn)證轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路，正常情況下，兩條響應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)十分吻合，當(dāng)兩條曲線不吻合度達(dá)到一定的程度時(shí)，即判斷轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。這種檢測方法比較方便，使用此方法成功確認(rèn)了一臺(tái)被某省電科院確定存在4處匝間短的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為誤判的先例。圖1是應(yīng)用RSO方法檢測某電廠發(fā)電機(jī)（135MW）轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)的測量波形。從圖1中可見，兩條曲線的吻合度很好，差異不顯著。為防止匝間短路出現(xiàn)在上層線棒中，我們在機(jī)組0-3000r/min時(shí)錄制了動(dòng)態(tài)的RSO圖，見圖2，沒有發(fā)現(xiàn)問題，在錄制動(dòng)態(tài)RSO圖之前我們通過模擬各匝間發(fā)生短路后進(jìn)行了故障波形的錄制如圖3，綜合了機(jī)組之前的運(yùn)行情況分析認(rèn)為該轉(zhuǎn)子不存在匝間短路故障。

3 轉(zhuǎn)子置于發(fā)電機(jī)定子膛外后，匝間短路故障點(diǎn)的定位分析

轉(zhuǎn)子抽出來置于發(fā)電機(jī)定子膛外的檢修現(xiàn)場后，除了可以施行前面所講的轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測量、轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)、重復(fù)脈沖波形（RSO）外，還可以進(jìn)行對轉(zhuǎn)子匝短故障點(diǎn)進(jìn)行定位分析。

對匝間短路故障點(diǎn)進(jìn)行定位分析是非常有意義的一項(xiàng)工作，以前只要判斷出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組確實(shí)存在匝短故障，就是返廠處理，修理好后返回安裝、運(yùn)行。不能在現(xiàn)場對匝短故障點(diǎn)的具體部位進(jìn)行定位分析。如事先能準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)的位置，就有可能在短時(shí)間內(nèi)處理好故障，從而節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，挽回巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如果能準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)的部位，就可以有針對性地制定處理方案。

當(dāng)轉(zhuǎn)子抽出來置于發(fā)電機(jī)檢修現(xiàn)場后，就可以方便地對匝間短路點(diǎn)的部位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。為了能準(zhǔn)確定位匝間短路故障位置，需要利用兩極繞組的對稱性，并對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行直流試驗(yàn)。為了更精確地定位到匝短故障點(diǎn)，可以利用轉(zhuǎn)子本體上的通風(fēng)孔來測量線圈各匝繞組的電壓分布，從而計(jì)算出匝間短路的故障點(diǎn)所處的位置。

4 結(jié)束語

實(shí)際分析經(jīng)驗(yàn)表明，上述各種分析方法均有各自的適用性、對故障的敏感性、診斷的準(zhǔn)確度等各有差異。愿我們做過的工作對大家今后在轉(zhuǎn)子匝間短路故障的系統(tǒng)性分析時(shí)能有一些幫助，今后的工作中各位專家同仁，在轉(zhuǎn)子匝短故障方面有什么新的更好的方法，共同相互溝通交流，共同提高。

參考文獻(xiàn)：

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