水布埡電廠發電機磁極繞組匝間短路故障分析與處理

張佳文，廖海威

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江水布埡電廠位于湖北省恩施土家族自治州巴東縣水布埡鎮，地下廠房安裝4臺單機容量460 MW總裝機容量1 860 MW水輪發電機。其中，1、2號機組由東方電機廠制造，3、4號機組由哈爾濱電機廠制造。

1 磁極匝間短路發現過程

在水布埡電廠1號發電機一次例行C修中，檢修人員對定子繞組進行了絕緣電阻、吸收比及極化指數、泄漏電流及直流耐壓進行了測量，試驗數據均符合DL/T 596-1996《電力設備預防性試驗規程》[1]的要求；對發電機轉子繞組進行了絕緣電阻、直流電阻測量和轉子交流阻抗測試，所有試驗結果合格。轉子繞組具體試驗數據見表1。

表1 發電機預防性試驗記錄表

對吊出機坑的19、20號磁極進行常規外觀檢查，未發現異常；在隨后進行的19、20號磁極預防性試驗檢查中，發現19號磁極交流阻抗數值偏小。19、20號磁極試驗數據見表2、表3。

表2 19、20號磁極絕緣、直阻試驗記錄表 mΩ

表3 19、20號磁極交流阻抗試驗記錄表

試驗人員對數據進行初步分析，發現19號磁極與20號磁極相比，絕緣電阻、直流電阻均合格，在相同試驗電流下，19號磁極交流阻抗偏小50%以上。在發現異常數據后，檢修人員再次對19號磁極外表進行清掃，清除磁極表面油污、粉塵，并重點檢查磁極繞組散熱邊無焊渣、金屬雜質。排除外部因素后，換用多套設備再次測量，試驗數據無變化，可以排除試驗設備故障的可能。試驗人員將19號磁極的交流阻抗數值與歷年來1號機組單臺磁極在相同條件下測量的數值進行橫向比較，確認試驗數據異常是由于磁極繞組缺陷引起，疑似為匝間短路故障。

2 磁極繞組匝間短路分析與處理

2.1 磁極繞組匝間短路危害

磁極繞組匝間短路是發電機較為常見的一種設備缺陷。輕微的匝間短路不影響設備運行，短路點可能會表現出局部過熱；如果不能及時發現并處理，故障會進一步惡化，導致機組勵磁電流增大，無功輸出減小，轉子電磁力不平衡，致使發電機振幅增大[2]；短路點的局部過熱可能會破壞磁極繞組絕緣，造成轉子一點或兩點接地，進而導致鐵芯磁化、轉子大軸磁化，嚴重威脅機組的安全運行。

2.2 磁極繞組匝間短路常見判斷方法

判斷磁極繞組是否存在匝間短路故障，常見的試驗方法有直流電阻法、交流阻抗法和匝間沖擊耐壓試驗。直流電阻法，就是對磁極測量直流電阻，并與相同溫度下其他磁極直阻進行對比，若直阻明顯偏低，則說明被測量磁極存在匝間短路故障。交流阻抗法可以檢查磁極繞組匝間絕緣是否良好、磁路是否正常。在磁極繞組發生匝間短路時，短路繞組電流大于正常電流，具有強烈的去磁效應，即使短路匝數少效果也很明顯。如果該磁極的交流阻抗明顯小于其他磁極或小于轉子繞組交流阻抗平均值，并且功率損耗增大，此時應對磁極繞組進行表面清潔。清除污穢過后試驗數據仍沒有變化的，可以確認磁極存在匝間短路現象[3]。如果條件允許，還可以對磁極在定子膛內、膛外分別測量，以提高試驗準確性。匝間沖擊耐壓試驗就是使用匝間沖擊儀對轉子繞組進行匝間耐壓試驗，在相同的測試繞組上交替施加規定峰值和波前時間的沖擊電壓波，檢測沖擊電流在正常繞組和短路繞組中引起的衰減震蕩波形的差異，用來確定轉子繞組是否存在匝間短路故障[4]。

2.3 本次匝間短路故障分析與處理

本次1號發電機檢修屬于常規檢修，隨機抽取1對磁極吊出檢查。在吊出磁極之前，轉子繞組整體直流電阻、交流阻抗試驗均合格。為準確判斷19號磁極繞組的設備狀態，需要進一步試驗確認。

考慮到19、20號磁極直流電阻均合格，使用直流電阻法已無法提供判斷依據，結合現場試驗條件(19、20號磁極均已吊出，所有試驗只能在膛外進行，不具備膛內試驗條件)，本次試驗使用交流阻抗法進一步確認。具體試驗步驟：①在大電流下測量19、20號磁極繞組交流阻抗數值。相比初步試驗通入的最大25 A的試驗電流，后續試驗可以將試驗電流加大到50 A甚至70 A。大電流下數據更準確，還可以進一步降低外界磁場對試驗的干擾。②對19號磁極人為設置匝間短路，測量19號磁極交流阻抗數值。檢修人員打磨掉磁極繞組散熱邊的絕緣漆后，利用自制的短接銅片，在磁極任意位置設置短路點，隨后測量磁極的交流阻抗數值。如果設置的短路點繞組匝間絕緣正常，相當于該磁極增加了1匝短路線圈，去磁作用更加明顯，反映到試驗數據就是數值變小；如果設置的短路點本來就存在匝間短路，則試驗數據變化不大。

試驗步驟1得到的大電流下交流阻抗數值見表4。

表4 大電流下測量交流阻抗數值表

與表3相比，19、20號磁極在大電流下測量的交流阻抗數值，與小電流下得到的數值無明顯差別，19號磁極數值依舊偏小50%以上，且偏小比例不變。這次試驗進一步證明19號磁極存在匝間短路故障。

在試驗過程中還反復出現如下現象：短1～2匝時，通75 A大電流短接線不冒煙，去掉短接線阻抗值不變化；短其他匝時，通60 A電流短接線發紅冒煙。

結合表5數據及上述現象，可得出結論：19號磁極確實存在匝間短路故障，且短路點較大可能在1～2匝之間。在1～2匝之間人為設置短路故障時，因此處還有其他短路點，所以短接線分流較小，在75 A大電流下不冒煙；并且沒有改變磁極有1匝線圈短路的狀態，所以在取消短接線后交流阻抗數值無變化。在其他匝間設置人為短路故障時，該磁極由1匝短路變為2匝短路，交流阻抗數值進一步減小，且短接線分流較大，在60 A電流時就已經發紅冒煙。

表5 19號磁極人為設置匝間短路測量交流阻抗數值表

此次檢修最終確認19號磁極存在匝間短路故障，執行更換備品磁極程序。在核對備品磁極與19號磁極極性相同、重量相近，符合GB 8564-2003《水輪發電機安裝技術規范》[5]的要求，各項試驗合格后，將備品磁極安裝到位，整個轉子磁極恢復正常。

3 結 語

從本次磁極繞組匝間短路故障處理過程來看，使用交流阻抗試驗判斷設備故障仍具有很大的局限性，尤其是輕微的匝間短路故障。本次發電機在正常運行中，保護裝置未發出任何報警，勵磁系統也未發現異常。在機組檢修過程中，轉子繞組整體的交流阻抗試驗合格，如果不是恰好吊出19號磁極進行交流阻抗試驗，是無法發現19號磁極的設備缺陷的。因此，今后如何采用更加先進的在線監測技術，更早的發現、定位轉子繞組的匝間短路故障，并提供高效的處理方案，需要設備生產廠家、檢修維護部門共同研究，為技術的發展奠定基礎。