關于水輪發電機整機交流阻抗無法判斷轉子繞組匝間短路問題的研究

鄢宜軍，張曉霞，蔣 蒴

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

隨著大渡河流域水輪發電機組的大量投產，發電機轉子繞組匝間短路的情況也日趨增多，具體的成因主要有兩方面，一是制造原因：如制造的施工工藝不良，使得轉子繞組在下線、整形等過程中，引起匝間絕緣損傷，又如轉子繞組匝間絕緣材料中的金屬顆粒刺穿匝間絕緣，導致繞組匝間短路；二是運行方面：在電、熱、機械力等綜合應力作用下，使得轉子繞組出現變形或位移，引起匝間絕緣斷裂、磨損，進而引起匝間短路。轉子繞組出現嚴重匝間短路時，將引起轉子繞組電流增大、溫度升高、限制發電機的無功功率輸出，也可能使得機組振動增加，定子電流諧波分量異常，甚至嚴重時引起非計劃停機，嚴重影響電力生產安全[2]。因此能夠及時準確的判斷轉子是否存在匝間短路顯得尤為重要。轉子繞組的匝間短路一般分為穩定(靜態)和不穩定(動態)兩種，本文主要討論的水輪發電機組轉子繞組匝間短路為穩定(靜態)情形。

1 問題現象

某電站2號水輪發電機由東芝水電設備(杭州)有限公司生產，型號：SF165-66/13640，額定壓：15.75 kV，額定電流：6 721 A，額定勵磁電壓：435 V，額定勵磁電流：1 600 A，功率因數：0.9(滯后)，接線方式3Y，額定頻率：50 Hz，額定轉速：90.9 r/min。2019年1月，對2號水輪發電機進行B修(轉子未吊出)，當進行轉子交流阻抗試驗時，發現一奇怪現象，轉子整體的交流阻抗與以往數據進行比較幾乎未出現任何變化。其歷年具體數據如表1所示。

表1 某站2號發電機轉子整體交流阻抗歷年測量數值表

根據DL/T1768《旋轉電機預防性試驗規程》，轉子繞組交流阻抗未出現顯著變化的情形，故判斷不存在匝間短路情況。但當電氣一次人員將轉子擋風板拆除后(注：必須拆除轉子擋風板，方可進行單個磁極試驗)，試驗人員單獨對每個磁極進行交流阻抗測試時，發現第36號磁極的交流阻抗較其他磁極阻抗出現了明顯下降的情況。具體試驗數據如表2所示。

表2 2019年1月某站2號發電機轉子各磁極測量交流阻抗值 Ω

可發現，以36號磁極為轉折點，與其相鄰的幾個磁極，交流阻抗出現穩定→降低→升高→穩定的情況，且36號磁極的交流阻抗較正常磁極的交流阻抗出現了明顯降低情況[3]，說明磁極本身出現了異常。初步判斷36號磁極存在匝間短路的情況。

2 原因分析及判斷

2號水輪發電機組的轉子繞組為顯極式，由66個磁極構成，對其施加200 V工頻交流電壓時，因第36號轉子存在匝間短路，使得流經短路匝的電流，是正常線圈電流的n倍(其中n為一個磁極線圈的總匝數)[2]，它有著強烈的去磁作用，使得線圈中的磁通量減少，根據公式L=φ/I(其中L為線圈電感量，φ為線圈的磁通量，I為線圈電流)可得，磁極的電感量將出現明顯下降，再根據公式Z=R+jXL(Z線圈阻抗，R為線圈直流電阻，XL為線圈電抗)及公式XL=2πfL(f為電壓電流頻率)[4]，可以得出磁極的交流阻抗大大降低。因與相鄰磁極構成磁通回路，在36號磁極出現磁通量減小的情況下，也使得相鄰的兩個磁極的磁通量降低，造成相鄰磁極的交流阻抗(實測值)，也出現了明顯降低的情況，但實際相鄰的兩個磁極并未發生匝間短路。故呈現出如上述表2的試驗數據現象。

后續通過對36號磁極進行拆除分解，確實發現了其存在匝間短路故障點，也證實了依據試驗數據的分析判斷，36號磁極本身存在匝間短路的情況。這就要進一步分析，在確定36號磁極出現匝間短路的情況下，進行轉子繞組整體交流阻抗試驗時，交流阻抗值卻與正常值(表3修復后的正常測試數據)比較，均未出現明顯變化[5]。這極易導致試驗人員出現誤判，使得故障問題被掩蓋。作者從以下兩個方面進行分析判斷，來解開出現這種情況的原因。

1)當一個磁極出現匝間短路時，對于上述66個磁極的轉子繞組來說，其整體的交流阻抗下降值在3～4 Ω。相對于整體交流阻抗240 Ω左右來說，其變化率(約1.7%)太小，根據DL/T1768《旋轉電機預防性試驗規程》(當變化減小超過10%時，易引起注意)的規程判斷，將會得出此轉子不存在匝間短路的結論，極易引起故障漏判。

2)通常施加的工頻交流電電壓相同，進行交流阻抗的測量，并以此數據與歷年數據進行比較、分析、判斷。若某個磁極出現匝間短路，則阻抗降低，其分得的磁極電壓將出現明顯降低。這勢必會導致其他正常磁極分得的電壓升高，轉子電流趨勢增大的情況下，也使得正常磁極(除故障磁極相鄰的兩個磁極外)的磁場增大，正常磁極的交流阻抗出現了增大趨勢[2]。從而部分抵消了因匝間短路磁極引起的交流阻抗值下降，也間接使得轉子繞組的整體交流阻抗值將不會發生明顯的變化。這也就說明轉子整體的交流阻抗，在個別磁極出現匝間短路的情況下，仍不會出現顯著降低的現象。

通過試驗的具體數據也印證了上述的分析判斷。如表3所示。

表3 某站2號發電機轉子匝間短路修復(前、后)不同電壓下交流阻抗對比數據表

從表3可以發現，轉子繞組單個磁極出現匝間短路的情況下，在磁極進行修復前、后，其整體的交流阻抗幾乎未出現變化，當試驗電壓加至250 V時，其交流阻抗出現了相等的情況。同時也可以明顯看出，在磁極進行修復后，整體交流阻抗隨電壓的升高，而出現了增大的趨勢。故前述的分析判斷符合實際測量數據表現。也進一步說明，對于水輪發電機顯極式轉子繞組，通過整體的交流阻抗，無法準確判斷轉子繞組各個磁極是否出現匝間短路。而應更多的采用測量單個磁極的交流阻抗，通過各磁極間的交流阻抗比較，來判斷轉子繞組是否存在匝間短路的情況。

3 結 語

通過對其他類似電站且多臺機組出現轉子繞組匝間短路的數據對比，發現個別磁極出現匝間短路的情形下，其整體交流阻抗未出現明顯變化。這也進一步證實了水輪發電機組轉子繞組整體交流阻抗試驗，無法有效發現轉子單個磁極是否存在匝間短路，其檢測的有效性、準確性較差。應更多的采用測量單個磁極的交流阻抗來判斷轉子繞組是否存在匝間短路的情況。通過此次的研究論證，對于加強水輪發電機轉子繞組的匝間短路檢測，起到了積極的意義，有效避免了以往單獨依靠整體交流阻抗數據來判斷轉子繞組是否存在匝間短路，而引起的故障被掩蓋。也給同業者在檢測轉子繞組是否存在匝間短路的方法使用上提供了參考價值。在保證電力設備安全可靠運行，故障的及時發現處理，起到了積極的作用。