1 000 MW汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障的診斷與分析

尹文俊，李 挺

(1.廣州粵能電力科技開發有限公司，廣東 廣州 510000;2.武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

0 引言

轉子作為構成發電機兩大部件之一，由于工作在高速旋轉的狀態下，同時受到機、電、熱等多種復雜因素的影響，其故障分析診斷技術比較復雜，一直是發電機檢修技術的難點。近幾年來，大型發電機轉子頻繁出現匝間短路故障，僅廣東省在2010年中，就已經有近10臺400 MW以上等級的發電機出現了匝間短路故障。轉子早期匝間短路故障特征并不明顯，如果匝間短路故障不能及時發現，則這類故障會產生很大的危害:短路點局部過熱會導致絕緣燒損接地，線棒過熱會導致變形或燒熔，進一步發展會造成燒壞護環、大軸磁化、或燒傷軸頸和軸瓦等，甚至會造成轉子燒損事故，對發電任務造成巨大影響，給電廠造成巨額的經濟損失。所以，轉子匝間短路故障的早期檢測是相當重要的[1]。

1 故障情況及診斷

1.1 故障情況

2012年某電廠進行查評工作時發現，4號發電機在運行中轉子存在振動異常現象:主要表現在轉子運行中振動幅值有些偏大，且與負荷、無功及勵磁電流之間存在著較強的正相關性特征，故懷疑該轉子存在匝間短路故障。

1.2 診斷過程

1.2.1 停機前的試驗檢測

為了檢查是否存在故障隱患，利用停機的機會對轉子進行了降速過程和盤車狀態的交流阻抗及損耗試驗和RSO試驗。試驗結果見表1、2，圖1～3。

表1 轉子動態交流阻抗及損耗試驗結果 (下降過程)Tab.1 Rotor dynamic ac impedance and loss test results(down)

將表1中的試驗數據以曲線的形式繪出來，如圖1和圖2所示。圖1為阻抗隨轉速變化的關系曲線，圖2為損耗隨轉速變化的關系曲線。

表2 轉子動態交流阻抗及損耗試驗結果 (盤車狀態)Tab.2 Rotor dynamic ac impedance and loss test results(barring status)

圖1 轉子轉速下降過程中交流阻抗隨轉速的變化曲線Fig.1 In the process of the rotor speed decreased ac impedance curve along with the change of rotating speed

圖2 轉子轉速下降過程中損耗隨轉速的變化曲線Fig.2 Rotor speed in the process of falling loss curve along with the change of rotating speed

從圖1和圖2可以明顯看出，在轉子轉速下降過程中，轉子繞組的阻抗及損耗存在著一定的突變現象，表明轉子繞組可能存在著不穩定的相對位移。

如表2交流阻抗及損耗試驗結果所示，盤車狀態與以往調試期間的數據相比較，目前4號發電機轉子的交流阻抗變小了0.339 Ω，變化率為5.81%;損耗也由5 000 W增大為6 015.2 W，變化率為20.3%。由于轉子沖轉后的交流阻抗及損耗值均會有所變化，因此，表2中的數據變化是否屬于沖轉后的正常變化，或是由于其他原因(如匝間短路故障)引起的異常變化，尚且不能下定論[2，3]。

圖3 轉子盤車狀態下的RSO試驗結果Fig.3 Rotor disc car state RSO test results

RSO試驗結果顯示轉子在盤車狀態下內部不存在金屬性或非金屬性的匝間短路故障。由圖3可以看到正負極兩條響應曲線幾乎完全重合，兩條曲線的電壓差幾乎為一條電壓為零的水平直線[4]。

1.2.2 大修期間的試驗分析

為了進一步查明情況，在發電機大修期間又對轉子進行了膛外的絕緣電阻、直流電阻、兩極電壓平衡、兩極電壓分布試驗 (如表3～5)。

表3 轉子繞組直流電阻測量結果Tab.3 Rotor disc car state RSO test results

表4 轉子繞組兩極電壓平衡試驗結果Tab.4 Rotor winding the voltage balance between test results

從表3，4結果顯示，測量出的轉子繞組直流電阻值與出廠值相比幾乎一致，轉子繞組兩極電壓差與最小值相比相差1.2%，也在合格范圍內(根據JB/T 8446-2005《隱極式同步發電機轉子匝間短路測定方法》，當差值小于3%時可認為轉子不存在匝間短路故障)。直流電阻和兩極電壓分布試驗通常都存在一定的局限性:無論機械式或電子式的直阻儀在測量直流電阻時都容易受接觸導線的電阻和轉子溫度的影響，進而使測量結果存在一定的誤差;而極平衡試驗在當兩極同時存在對稱的匝間短路點時，電壓也會接近相等。

表5 轉子繞組交流電壓分布試驗結果 (試驗電壓:200.4 V)Tab.5 Rotor winding voltage distribution test results(test voltage:200.4 V)

最后通過做轉子兩極電壓分部試驗，以更全面地了解轉子繞組短路情況。這種試驗方法簡單可靠，最近幾年在廣東省一些電廠中應用較多，并成功地檢測出了數臺發電機的轉子匝間短路故障。把兩極電壓分布試驗的結果 (表5)數據繪成曲線，如圖4所示。正常情況下，兩極的對應線圈上的電壓是十分接近的。從圖4可以觀察到，3號線圈的兩極電壓曲線有所偏差，達到0.36 V。根據JB/T8446-2005《隱極式同步發電機轉子匝間短路測定方法》中的有關規定，各對應線圈的電壓差應不大于最大值的3%。3號線圈的電壓差0.36 V與最大值相差2.7%，雖然沒有超過標準值但已相當接近:說明極1的3號線圈匝間絕緣可能存在著一定程度的匝間短路隱患。

圖4 轉子兩極繞組的交流電壓分布曲線Fig.4 Ac voltage distribution curve of the rotor poles windings

1.2.3 發電機檢修后運行情況

由于試驗數據都在合格范圍內，故此次檢修未對轉子進一步處理。發電機修后并網投運時繼續觀察了其運行情況 (如圖5所示)，發現10號瓦 (定子勵側)的振動依然明顯與負荷的變化成正相關性，其中Y軸方向振動偏大。這說明了轉子的振動是受到不均勻的電磁力影響，且隨著負荷的變化而變化 (負荷變化時勵磁系統會自動調節轉子電流的大小)，這也是匝間短路的典型特征[5～8]。

圖5 4號發電機運行記錄Fig.5 4#generator operation record

2 討論

從試驗結果來看，轉子其內部不存在金屬性的匝間短路故障，這與動態下的判斷互相矛盾。其實，只要確認轉子在動態下確實存在匝間短路動態特征，就不必懷疑靜態下查不到匝間短路故障的診斷結論。發電機實際帶負荷運行下，轉子處于3 000 r/min的高速旋轉中，轉子繞組不僅承受著巨大的離心力的作用，同時還承受著巨大的電磁力、以及數kA勵磁電流所產生的熱應力(轉子繞組會膨脹)的作用;因此，轉子繞組同一線圈之間的各匝之間不僅受離心力作用被壓得非常緊，而且相互之間可能還會有一定的相對位移。當轉子處于盤車或者靜止狀態時，上述各種應力都會大大減弱甚至消失，原來由于離心力及熱應力所造成的線圈之間的位移也完全可能發生顯著的改變。因此，在轉子帶負荷運行狀態下，因某兩匝之間發生擠壓摩擦造成匝間短路的故障，在不同轉速或負載狀態下可能會自行消除。

該機組轉子在運行中振動幅度明顯與負荷的變化呈正相關性，下降過程中的交流阻抗及損耗值存在著一定突變現象，膛外交流電壓分布試驗顯示3號線圈的兩極電壓有明顯偏差。所以可以認為雖然試驗數據都在合格范圍內，但綜合來看轉子依然存在一定的匝間短路隱患，短期內還未發展到故障階段。此后在運行中需要繼續關注轉子的振動幅值和負荷 (勵磁電流)變化的關系，檢修時應做好試驗記錄并和歷史試驗數據相比較，若發現情況發生惡化應及時做進一步檢測處理。

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