大型發電機轉子繞組匝間短路故障研究

摘要：發電機保持正常運行狀態直接關乎機組的整體運行價值，因此，為強化發電機故障分析能力，提升檢修維護效率，對大型發電機匝間短路故障不同分析方法展開研究，并以某公司1 000 MW發電機組轉子繞組匝間短路故障為例，針對發電機返廠檢修結果，分析判斷故障產生的各種因素，并對故障的分析和設備的檢修過程進行總結。

關鍵詞：大型發電機組；轉子繞組；匝間短路

中圖分類號：TM621.3" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.016

0" " 引言

在過去的20多年中，我國電力系統發展十分迅速，許多超超臨界大型發電機組投產發電，隨著電力市場需求側增長趨勢放緩，大型發電機組也開始參與深度調峰，在此過程中，發電機負荷頻繁大幅變化。因勵磁電壓和勵磁電流也隨著負荷發生變化，且轉子又存在匝間絕緣強度冗余小等因素，發電機轉子繞組匝間短路故障現象頻發。

發電機即使只發生輕微的轉子繞組匝間短路故障，也會導致無功功率下降、轉子熱應力分布失衡、轉子勵磁電流大幅上升，進一步使發電機振動明顯加大。掌握大型發電機轉子繞組匝間短路故障的不同分析判斷方法，深入研究分析匝間短路故障發生的根本原因，對判斷及預防轉子匝間短路故障意義重大。

1" " 轉子匝間短路故障檢測方法

1.1" " 轉子功率損耗和交流阻抗測試法

1.1.1" " 靜態測試

發電機轉子在停止狀態，分別測量在膛內和膛外時的數據。

1.1.2" " 動態測試

在機組啟動期間，對照出廠記錄轉速，測量轉子對應轉速下繞組的交流阻抗、絕緣電阻和功率損耗[1]。

1.1.3" " 判別原則

（1）與出廠或歷史測試記錄相比，損耗值上升大于10%，或交流阻抗值下降大于10%。

（2）與出廠或歷史測試記錄相比，在損耗值下降大于8%的同時，交流阻抗值上升大于8%。

（3）在轉子轉速上升或下降的過程中，同一電壓作用下損耗或交流阻抗值出現超過5%的變化。

1.1.4" " "注意事項

（1）為避免諧波分量對試驗的干擾，應采用線電壓作為試驗電壓。

（2）試驗峰值電壓不能大于轉子額定電壓值，動態測試時應將發電機直流封母與勵磁系統的連接完全斷開。

（3）當轉子位于發電機定子膛內時，為避免定子線圈感應電壓的影響，試驗時應解開定子繞組出線全部軟連接。

（4）在對水內冷轉子測量或轉子存在一點接地時，試驗電源不應接地，否則應接隔離變加壓，并將轉子大軸接地，以保障測試安全。

1.2" " 極間電壓法

在正常情況下，轉子兩極繞組有較好的對稱性，在轉子繞組通入勵磁電流后，定子繞組中才會產生均勻的電磁場。轉子繞組因平衡電磁力的作用而保持平穩運行，且保持較小振動值。因兩極有較好的對稱性，故轉子繞組中點相較于正、負極兩端的電壓降基本一致[2]。在轉子繞組出現匝間短路故障時，兩極對稱性被破壞，有效的勵磁繞組數量也不同，致使兩極繞組的中點相對正、負極的電位差發生偏移，轉子繞組匝間短路點的數量、嚴重程度和具體位置決定偏移量的大小。

測試方法：

（1）在轉子滑環或導電螺栓處通過調壓器給繞組施加工頻交流電壓，測試電壓幅值一般不小于220 V。

（2）使用包好絕緣的探針探入發電機轉子護環下測量極間電壓，并分別記錄下兩極電壓大小。

極間電壓測試結果分析：計算測得極間電壓不平衡度，根據DL/T 1525—2016《隱極同步發電機轉子匝間短路故障診斷導則》規定，極間電壓的差值不大于3%，當不平衡度超出3%，判定為發電機轉子發生匝間短路故障。

1.3" " 轉子繞組分布電壓法

本方法主要是通過測量轉子兩極各線圈的分布電壓，根據電壓的對稱性判斷是否存在匝間短路。如兩極各線圈對應位置的電壓對稱性都比較好，則可判定轉子不存在匝間短路故障；如對稱性較差，則應懷疑發生了匝間短路故障。通過測量和記錄轉子繞組兩極各線圈的電壓值，根據測量記錄結果，對兩極對應線圈、同極相鄰線圈之間的電壓進行比對，能夠準確分辨出電壓值異常的線圈，并確定發生匝間短路故障的線圈編號。

測試方法：

（1）在轉子滑環或導電螺栓處通過調壓器給繞組施加工頻交流電壓，測試電壓幅值一般不小于220 V。

（2）使用包好絕緣的探針探入每極各個繞組測量位于護環下的底匝線圈和位于勵端緊靠護環的通風孔頂匝線圈之間的電壓。

1.4" " 動態氣隙磁場線圈波形法

1.4.1" " 發電機轉子氣隙磁場

忽略定、轉子槽的影響，發電機主要特點是轉速高、轉子機械強度高、氣隙均勻。氣隙磁場中鉸接定、轉子的磁通為基波主磁通。旋轉磁場由汽輪機帶至同步轉速，沿著氣隙圓周，該磁場的磁密波形接近正弦分布。除基波主磁通之外的諧波漏磁場及僅與轉子繞組鉸接的磁通，因兩者均未參與能量轉換，統稱漏磁通。

漏磁場是采用線圈波形法判斷繞組匝間短路故障的依據，在只和各槽本身鉸接的槽漏磁場中具有更好的判斷作用。槽漏磁場正比于發電機轉子各槽的安匝數，其可形成轉子的齒諧波。如轉子發生匝間短路，會使該匝磁極的磁動勢發生局部減弱，磁動勢的平均值和峰值減小。

1.4.2" " 匝間短路測試繞組安裝

匝間短路測試探頭用電磁線繞制的小空心線圈，測試繞組為徑向布置，必須保證測試繞組的軸線與轉子徑向重合，固定安裝在發電機定子鐵芯膛內氣隙中距轉子本體表面適當距離，一般為氣隙的1/3，用于測量槽漏磁通密度。

1.4.3" " 判別方法

測量儀器最大垂直靈敏度應小于5 mV，頻域帶寬高于20 MHz，阻抗值不小于10 MΩ。

發電機在帶載運行或短路試驗時，因轉子保持旋轉，其槽漏磁場不斷切割測試繞組，測試儀器的測試繞組上檢測到的電壓波形和槽漏磁場相關。如轉子未發生匝間短路故障，根據轉子繞組的組裝結構，能夠測得有對應規律的一組電壓波形。當轉子某一繞組發生匝間短路，因有效的工作線圈變少，其形成的磁場變弱，對應測試繞組的電壓波形幅值也隨之變低[3]。

通過深入研究觀察該變化，即可判斷轉子繞組是否發生了匝間短路故障，圖例如圖1所示。

從圖1（a）可以清晰地看出，波形1和波形2關于大齒成負對稱的關系，波形1和波形2均同時含有磁極1和磁極2各自一半的波形。此外，無匝間短路故障的轉子，波形中各個波頭的包絡分布總體呈現圓弧狀，各個波頭之間排列有序，且存在負對稱性。

從圖1（b）可知，與3、4號線圈相對應的兩個波頭出現異常下陷，說明3、4號線圈發生匝間短路故障。

1.5" " 重復脈沖（RSO）法

重復脈沖法是基于行波技術，根據轉子繞組結構的對稱性，同時在轉子繞組兩側的對稱位置注入兩路前沿陡峭的相同沖擊脈沖信號，并采集和分析其反射波信號，從而判斷轉子是否存在匝間絕緣缺陷或短路故障。

RSO試驗儀測試波形中，脈沖上升沿的波峰點為有效波段起點，最低波谷點為其終點。

按照發電機轉子每一極繞組中各線圈的總長度占該極全部線圈總長度的比例，將RSO試驗儀檢測波形的有效段劃分為N個區域（N為轉子每一極繞組中的線圈數）。從左至右，與時間軸第1個區域對應的波形段即為該極1號線圈所處的部位，時間軸第2個區域對應的波形段即為該極2號線圈所處的部位，依次類推，確定好每極繞組全部線圈在檢測波形上所處的部位。

可將發電機轉子線圈比作一條傳導導線，其絕緣性能和外形結構決定傳播沖擊波的特性。在轉子滑環的一側加入沖擊波時，繞組波阻抗與沖擊波發生器內阻共同決定沖擊波的幅值。沖擊波在繞組滑環兩側傳播的時間決定于其在繞組內的傳遞速率和繞組的長度。

如轉子繞組無匝間短路故障，RSO測試儀采集檢測到的兩組反射波形完全重合，兩組波形的差值應是一條平直線；如轉子發生匝間短路故障，在信號的傳輸途經上故障點將成為阻抗突變點，出現折射與反射現象，RSO測試儀采集檢測到的兩組反射波形不重合，匝間短路故障點就是不重合部位，且故障嚴重程度可由不重合部位波幅度的大小表示。

2" " 匝間短路故障案例分析

2022年2月，廣東某電廠3號發電機軸轉子檢修，采用極間電壓法對轉子進行極間電壓試驗時，在206 V試驗電壓下，測得Ⅰ極極間電壓為107.8 V，Ⅱ極極間電壓為98.2 V，極間電壓不平衡度達到了8.91%。根據DL/T 1525—2016標準規定，當極間電壓不平衡度超出3%時，可判定為轉子發生匝間短路故障。

為準確判斷匝間短路故障點具體線圈位置，需進一步采用轉子繞組分布電壓法分別測量轉子各個線圈的電壓，測得結果如表1所示。

測得Ⅱ極2#線圈電壓不平衡度達到75.2%，超出DL/T 1525—2016標準規定的3%標準。

采用RSO法進一步驗證3號發電機轉子是否存在匝間短路，試驗波形如圖2所示。

試驗波形顯示，RSO試驗儀檢測到的兩組反射波形未發生重合，兩組波形的差值不是一條平直線，進一步驗證了存在轉子匝間短路故障現象。由圖可見波形不重合部位波幅較大，可見短路故障現象較為明顯。

3" " 結語

大型發電機轉子繞組匝間短路現象由于頻繁發生、影響大、診斷難等原因，已成為影響發電廠機組安全運行的巨大隱患。要對其進行準確診斷，只依靠一種診斷方法或單一的監測手段具有較大難度，本文詳細研究分析了匝間短路故障5種不同的檢測方法，并對測試過程和要點展開深入研究，對分析判斷大型機組轉子繞組匝間短路故障具有較大的借鑒意義。在此基礎上，采用不同方法對某電廠1 000 MW發電機轉子繞組匝間短路故障進行了檢測、分析和判斷，并得出了可靠的結論，方法的實用性和可靠性得到了較好的印證和利用。

[參考文獻]

[1] 張征平，劉石，姚森敬，等.大型發電機轉子故障分析與診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2] 郭永雄，沈文華.大型發電機轉子匝間短路故障診斷及定位[J].廣東電力，2015，28（3）：9-11.

[3] 樊靜.汽輪發電機轉子繞組匝間短路時的電磁場分析[D].保定：華北電力大學，2009.

收稿日期：2023-01-03

作者簡介：楊飛（1987—），男，江西贛州人，碩士研究生，工程師，主要從事電力工程電氣相關工作。