關(guān)于水輪發(fā)電機(jī)整機(jī)交流阻抗無法判斷轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)組的大量投產(chǎn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子繞組在下線、整形等過程中，引起匝間絕緣損傷，又如轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣材料中的金屬顆粒刺穿匝間絕緣，導(dǎo)致繞組匝間短路；二是運(yùn)行方面：在電、熱、機(jī)械力等綜合應(yīng)力作用下，使得轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)變形或位移，引起匝間絕緣斷裂、磨損，進(jìn)而引起匝間短路。轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)嚴(yán)重匝間短路時(shí)，將引起轉(zhuǎn)子繞組電流增大、溫度升高、限制發(fā)電機(jī)的無功功率輸出，也可能使得機(jī)組振動(dòng)增加，定子電流諧波分量異常，甚至嚴(yán)重時(shí)引起非計(jì)劃停機(jī)，嚴(yán)重影響電力生產(chǎn)安全[2]。因此能夠及時(shí)準(zhǔn)確的判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路顯得尤為重要。轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路一般分為穩(wěn)定(靜態(tài))和不穩(wěn)定(動(dòng)態(tài))兩種，本文主要討論的水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間短路為穩(wěn)定(靜態(tài))情形。

1 問題現(xiàn)象

某電站2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)由東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)：SF165-66/13640，額定壓：15.75 kV，額定電流：6 721 A，額定勵(lì)磁電壓：435 V，額定勵(lì)磁電流：1 600 A，功率因數(shù)：0.9(滯后)，接線方式3Y，額定頻率：50 Hz，額定轉(zhuǎn)速：90.9 r/min。2019年1月，對(duì)2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行B修(轉(zhuǎn)子未吊出)，當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一奇怪現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子整體的交流阻抗與以往數(shù)據(jù)進(jìn)行比較幾乎未出現(xiàn)任何變化。其歷年具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某站2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子整體交流阻抗歷年測量數(shù)值表

根據(jù)DL/T1768《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》，轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗未出現(xiàn)顯著變化的情形，故判斷不存在匝間短路情況。但當(dāng)電氣一次人員將轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板拆除后(注：必須拆除轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板，方可進(jìn)行單個(gè)磁極試驗(yàn))，試驗(yàn)人員單獨(dú)對(duì)每個(gè)磁極進(jìn)行交流阻抗測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)第36號(hào)磁極的交流阻抗較其他磁極阻抗出現(xiàn)了明顯下降的情況。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2019年1月某站2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各磁極測量交流阻抗值 Ω

可發(fā)現(xiàn)，以36號(hào)磁極為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與其相鄰的幾個(gè)磁極，交流阻抗出現(xiàn)穩(wěn)定→降低→升高→穩(wěn)定的情況，且36號(hào)磁極的交流阻抗較正常磁極的交流阻抗出現(xiàn)了明顯降低情況[3]，說明磁極本身出現(xiàn)了異常。初步判斷36號(hào)磁極存在匝間短路的情況。

2 原因分析及判斷

2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組為顯極式，由66個(gè)磁極構(gòu)成，對(duì)其施加200 V工頻交流電壓時(shí)，因第36號(hào)轉(zhuǎn)子存在匝間短路，使得流經(jīng)短路匝的電流，是正常線圈電流的n倍(其中n為一個(gè)磁極線圈的總匝數(shù))[2]，它有著強(qiáng)烈的去磁作用，使得線圈中的磁通量減少，根據(jù)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(xiàn)明顯下降，再根據(jù)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(gòu)成磁通回路，在36號(hào)磁極出現(xiàn)磁通量減小的情況下，也使得相鄰的兩個(gè)磁極的磁通量降低，造成相鄰磁極的交流阻抗(實(shí)測值)，也出現(xiàn)了明顯降低的情況，但實(shí)際相鄰的兩個(gè)磁極并未發(fā)生匝間短路。故呈現(xiàn)出如上述表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)象。

后續(xù)通過對(duì)36號(hào)磁極進(jìn)行拆除分解，確實(shí)發(fā)現(xiàn)了其存在匝間短路故障點(diǎn)，也證實(shí)了依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析判斷，36號(hào)磁極本身存在匝間短路的情況。這就要進(jìn)一步分析，在確定36號(hào)磁極出現(xiàn)匝間短路的情況下，進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞組整體交流阻抗試驗(yàn)時(shí)，交流阻抗值卻與正常值(表3修復(fù)后的正常測試數(shù)據(jù))比較，均未出現(xiàn)明顯變化[5]。這極易導(dǎo)致試驗(yàn)人員出現(xiàn)誤判，使得故障問題被掩蓋。作者從以下兩個(gè)方面進(jìn)行分析判斷，來解開出現(xiàn)這種情況的原因。

1)當(dāng)一個(gè)磁極出現(xiàn)匝間短路時(shí)，對(duì)于上述66個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子繞組來說，其整體的交流阻抗下降值在3～4 Ω。相對(duì)于整體交流阻抗240 Ω左右來說，其變化率(約1.7%)太小，根據(jù)DL/T1768《旋轉(zhuǎn)電機(jī)預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(當(dāng)變化減小超過10%時(shí)，易引起注意)的規(guī)程判斷，將會(huì)得出此轉(zhuǎn)子不存在匝間短路的結(jié)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(jìn)行交流阻抗的測量，并以此數(shù)據(jù)與歷年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析、判斷。若某個(gè)磁極出現(xiàn)匝間短路，則阻抗降低，其分得的磁極電壓將出現(xiàn)明顯降低。這勢必會(huì)導(dǎo)致其他正常磁極分得的電壓升高，轉(zhuǎn)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(gè)磁極外)的磁場增大，正常磁極的交流阻抗出現(xiàn)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(zhuǎn)子繞組的整體交流阻抗值將不會(huì)發(fā)生明顯的變化。這也就說明轉(zhuǎn)子整體的交流阻抗，在個(gè)別磁極出現(xiàn)匝間短路的情況下，仍不會(huì)出現(xiàn)顯著降低的現(xiàn)象。

通過試驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)也印證了上述的分析判斷。如表3所示。

表3 某站2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路修復(fù)(前、后)不同電壓下交流阻抗對(duì)比數(shù)據(jù)表

從表3可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子繞組單個(gè)磁極出現(xiàn)匝間短路的情況下，在磁極進(jìn)行修復(fù)前、后，其整體的交流阻抗幾乎未出現(xiàn)變化，當(dāng)試驗(yàn)電壓加至250 V時(shí)，其交流阻抗出現(xiàn)了相等的情況。同時(shí)也可以明顯看出，在磁極進(jìn)行修復(fù)后，整體交流阻抗隨電壓的升高，而出現(xiàn)了增大的趨勢。故前述的分析判斷符合實(shí)際測量數(shù)據(jù)表現(xiàn)。也進(jìn)一步說明，對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)顯極式轉(zhuǎn)子繞組，通過整體的交流阻抗，無法準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子繞組各個(gè)磁極是否出現(xiàn)匝間短路。而應(yīng)更多的采用測量單個(gè)磁極的交流阻抗，通過各磁極間的交流阻抗比較，來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路的情況。

3 結(jié) 語

通過對(duì)其他類似電站且多臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)個(gè)別磁極出現(xiàn)匝間短路的情形下，其整體交流阻抗未出現(xiàn)明顯變化。這也進(jìn)一步證實(shí)了水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組整體交流阻抗試驗(yàn)，無法有效發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子單個(gè)磁極是否存在匝間短路，其檢測的有效性、準(zhǔn)確性較差。應(yīng)更多的采用測量單個(gè)磁極的交流阻抗來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路的情況。通過此次的研究論證，對(duì)于加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(dú)依靠整體交流阻抗數(shù)據(jù)來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路，而引起的故障被掩蓋。也給同業(yè)者在檢測轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路的方法使用上提供了參考價(jià)值。在保證電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行，故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，起到了積極的作用。