大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子短路故障檢測技術(shù)研究

廣西華磊新材料有限公司發(fā)電廠 韋云歡

2020年9 月，我國設(shè)立“碳達峰、碳中和”雙碳目標(biāo)，這促使電力行業(yè)必須向綠色低碳轉(zhuǎn)型。隨著光伏、風(fēng)力等綠色能源發(fā)電裝機容量的迅速增加，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性所面臨的挑戰(zhàn)也隨之增大[1-2]。大型汽輪發(fā)電機組不僅能保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量，還能夠調(diào)節(jié)無功水平，是電力系統(tǒng)平穩(wěn)、可靠、安全運行的重要保障[3]。轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機的核心組成部分，長期處于強離心力、強電磁場的環(huán)境中，其匝間絕緣會逐步劣化，引發(fā)絕緣失效而產(chǎn)生匝間短路。

轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路不僅會使發(fā)電機無功輸出減小、勵磁電流增大、發(fā)電機異常振動增加，還會引發(fā)轉(zhuǎn)子大軸磁化、軸頸軸瓦燒損等事故，這嚴(yán)重影響到機組運行的可靠性，給電力系統(tǒng)帶來極大隱患[4]。對于此，積極發(fā)展發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)的研究，科學(xué)地評估轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀態(tài)具有十分重要的意義。

1 匝間短路故障概述

1.1 故障的原因

在對匝短故障的轉(zhuǎn)子進行解體處理的過程中，發(fā)現(xiàn)造成轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的原因主要有以下幾種：一是轉(zhuǎn)子端部繞組的緊固結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計缺陷。轉(zhuǎn)子端部繞組的緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、支撐強度不夠，造成轉(zhuǎn)子匝間短路故障的最主要的原因。在實際運行中，轉(zhuǎn)子以3000r／min的速度高速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組各個線圈不僅要承受著巨大的離心力的作用，還要承受著4000A大電流的熱應(yīng)力，并且機組運行時的負(fù)荷還會不斷變化，各匝線棒之間的相對位置不斷地發(fā)生變化。由于各線圈之間在拐角處就沒有穩(wěn)定的緊固結(jié)構(gòu)，無法保證線圈各匝在拐角處交生對稱性的位移，各匝之間容易發(fā)生錯位。

二是轉(zhuǎn)子線圈表面在拐角處工藝問題。在已發(fā)生過的轉(zhuǎn)子匝短故障案例中，有超過80%的匝短故障點都位于端部繞組的拐角處，這種現(xiàn)象絕不是一種巧合。造成這種現(xiàn)象的原因，除了上文所述轉(zhuǎn)子端部繞組在拐角處無穩(wěn)定的緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計這一缺陷外，還有一個重要的原因，即轉(zhuǎn)子線圈在從直線段開始向弧線段過渡的區(qū)域內(nèi)，由于該過渡段的形狀很不規(guī)則，容易造成線匝表面的平整度及上下匝之間的吻合度超差。加上實際運行時，上下匝線棒相互之間的應(yīng)力作用較為復(fù)雜，容易對匝間絕緣墊條形成多方向性的反復(fù)磨損，并最終磨穿墊條造成匝間短路故障。因此，在對一些具有穩(wěn)定的繞組端部緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)子發(fā)生匝短故障并解體檢查后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的匝間短路故障點也位于拐角區(qū)域內(nèi)，原因就在于此。

三是端部繞組絕緣墊條及其粘貼工藝問題。轉(zhuǎn)子端部繞組良好的絕緣墊條及其粘貼工藝，可有效防止該部位匝間短路故障的發(fā)生，否則，則成為今后發(fā)生匝間短路故障的嚴(yán)重隱患。絕緣墊條不僅材料本身具有嚴(yán)格的質(zhì)量要求，其寬度也應(yīng)保證至少不得窄于線棒的寬度。另外，在粘貼時，不僅應(yīng)使用合格的強力膠將墊條粘緊在線棒表面，保證在實際運行中，墊條不會從線棒表面脫落或移位出來，還要注意相鄰兩墊條之間的銜接質(zhì)量。

四是油霧、顆粒等異物進入等原因。油霧、雜質(zhì)顆粒等異物進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，對可能造成轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。油霧進入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部以后，容易與一些粉塵等黏結(jié)在一起，形成具有一定導(dǎo)電性能的污物。當(dāng)這種污物正好位于上下兩匝之間時，就會明顯破壞匝間絕緣，發(fā)生非金屬性的匝間短路故障。另外，當(dāng)有硬的顆粒異物進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部時，容易卡在上下兩匝之間，并隨著轉(zhuǎn)子運行時間的延長，快速破壞匝間絕緣，最終導(dǎo)致匝間短路故障。

1.2 故障的分類

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路按穩(wěn)定性可分兩種：穩(wěn)定性匝間短路指的是這種短路故障與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、溫度、運行方式等無關(guān)，是一種固定短路故障；不穩(wěn)定匝間短路則與之相反，即只有在轉(zhuǎn)子特定工況（轉(zhuǎn)速快與慢、溫度高與低）才會出現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時即消失的短路故障。

2 兩種檢測方法研究

2.1 離線檢測

重復(fù)脈沖波形法（Repetitive Surge Oscilloscope，RSO）是目前電力行業(yè)普遍比較認(rèn)可的一種離線式匝間短路測試技術(shù)。其測試原理是：基于轉(zhuǎn)子繞組分布的對稱性，利用雙脈沖信號發(fā)生器對發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩極同時施加前沿陡峭的高頻沖擊脈沖波，通過雙通道錄波器錄得兩組響應(yīng)曲線。在繞組無短路的情況下，正、負(fù)兩極的脈沖響應(yīng)該一致，反映在波形圖上即兩條響應(yīng)曲線重合；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)存在匝間短路故障時，只要短路點不嚴(yán)格位于幾何中心的位置，短路點就會破壞轉(zhuǎn)子繞組的幾何對稱性，使得正、負(fù)極的響應(yīng)不一致，響應(yīng)差值特性曲線則會出現(xiàn)與之對應(yīng)的波動，顯示出匝間短路故障[5]。

以某電廠660MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子RSO匝間短路故障檢測項目為例，測試設(shè)備接線回路如圖1所示，檢測過程按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T1525-2016《隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》執(zhí)行。試驗結(jié)果表明，兩級響應(yīng)曲線整體上重合，這表明轉(zhuǎn)子繞組絕緣整體狀態(tài)良好。但脈沖前半段的特性曲線存在波動，出現(xiàn)了明顯的波峰和波谷，這表明此臺轉(zhuǎn)子前半段繞組有著輕微的匝間短路現(xiàn)象。特征曲線的極大值和極小值的差值為0.1V，滿足行業(yè)經(jīng)驗對RSO特征曲線的波動不大于0.3V的要求，這說明此轉(zhuǎn)子匝間狀態(tài)滿足運行條件。

圖1 RSO匝間短路故障檢測接線示意圖

2.2 在線檢測

漏磁通檢測法是在線式匝間短路故障檢測技術(shù)其中一種。發(fā)電機在運行時，轉(zhuǎn)子繞組會通過直流勵磁產(chǎn)生磁通，其中主磁通Φ0通過轉(zhuǎn)子大齒，經(jīng)過氣隙和定子繞組相連成磁回路，漏磁通ΦS是經(jīng)過氣隙，或經(jīng)過定子槽而沒有和定子繞組相連的磁通，如圖2所示。漏磁通ΦS是由轉(zhuǎn)子每個槽的總安裝匝數(shù)決定的。由此，可在定子齒上對稱安裝兩個對漏磁通非常敏感的全磁通傳感器，實時探測獲取漏磁通數(shù)據(jù)，通過特定的算法便可判斷出轉(zhuǎn)子匝間是否短路，以及短路繞組所在位置。

圖2 發(fā)電機磁通回路示意圖

某電廠發(fā)電機組安裝匝間短路在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。其包含高靈敏度漏全磁通傳感器、數(shù)據(jù)匯流端、數(shù)據(jù)分析平臺。全磁通傳感器：轉(zhuǎn)子的漏磁通監(jiān)測由全磁通傳感器實現(xiàn)，該傳感器有數(shù)十匝線圈，固定在鐵心的一個齒上，兩個傳感器按定子空間幾何尺寸對稱分布。當(dāng)每個磁極掃過全磁通傳感器時，該線圈中感應(yīng)出來的電壓與正在掃過線圈的磁極磁通成正比。若某磁極中存在匝間短路，既減小了該極的有效匝數(shù)，全磁通傳感器便可以靈敏地反應(yīng)。端子箱：用于引出全磁通傳感器信號線的端子箱，同時可將磁通信號有效傳遞給具有分析功能的磁通監(jiān)測儀。數(shù)據(jù)分析平臺：磁通傳感器采集到的信號并不能直接指示出匝間短路情況，因為還有影響磁通的其他因素，如磁極與定子之間的距離變化等。因此，磁通監(jiān)測儀配合高分辨率的磁通傳感器，可以得出數(shù)字化的電壓信號。配合在線磁通監(jiān)測軟件，將兩個對稱分布的磁通量自動做對比，并以數(shù)據(jù)列表或圖形的方式呈現(xiàn)出來，匝間短路故障部位將會被自動標(biāo)注出來。

圖3 在線檢測系統(tǒng)示意圖

圖4是發(fā)電機在空載時轉(zhuǎn)子漏磁通的變化曲線，其中藍(lán)色曲線是1號傳感器，紅色曲線是2號傳感器。從圖中可見，1號傳感器和2號傳感器的1～3號槽的磁通量大小完全相同，曲線相重合，這表明1～3號槽內(nèi)轉(zhuǎn)子無短路；4～7號槽可以明顯看到兩條虛線的磁通量不一致，這說明4～7號槽內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部有短路的現(xiàn)象，造成兩側(cè)漏磁通值不一致。

圖4 轉(zhuǎn)子漏磁通的變化曲線

3 檢測法比較

轉(zhuǎn)子發(fā)生一般性匝間短路并不會立刻導(dǎo)致發(fā)電機故障停機，但是會由此引發(fā)轉(zhuǎn)子磁極和支架受熱不均勻、磁通的磁場不平衡而導(dǎo)致發(fā)電機異常振動、軸電壓升高等，嚴(yán)重則會引發(fā)轉(zhuǎn)子接地故障致使發(fā)電機停運。

探測轉(zhuǎn)子匝間短路的最常用方法是離線RSO法，但必須依賴于專家的分析和判斷，而且該試驗是在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下進行的，不適用于在運行中才呈現(xiàn)的匝間短路；而在線檢測可實時測量轉(zhuǎn)子各磁極的磁通，在不停機、不改變負(fù)載條件下多次測試，系統(tǒng)會自動分析標(biāo)定存在匝間短路故障的磁極并及時發(fā)出警示，從而實現(xiàn)在正常運行中測試轉(zhuǎn)子匝間短路。兩種檢測技術(shù)的優(yōu)勢見表1，建議發(fā)電機業(yè)主應(yīng)根據(jù)自身條件合理安排，保證發(fā)電機設(shè)備具有良好狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

表1 兩種檢測法對比

4 結(jié)語

本文主要研究了離線式重復(fù)脈沖波形法和在線式漏磁通檢測法兩種轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)方法，分別闡述了技術(shù)原理，分析了現(xiàn)場實際應(yīng)用，比較研究了兩種技術(shù)方法各自的優(yōu)勢，為今后轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測工作提供支持。