1000 MW汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障

尹文俊,王淑華

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

1000 MW汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障

尹文俊1,王淑華2

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

對某電廠1000MW汽輪發電機在運行過程中發現轉子的軸振動異常為例進行了分析。在結合運行記錄和大修試驗檢測的相關數據分析后,認為轉子存在早期匝間短路隱患。就大型汽輪發電機轉子繞組匝間故障診斷方法及存在的問題進行了研究。

汽輪發電機;轉子繞組;匝間短路

1 前言

發電機轉子是發電機的兩大部件之一,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,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,轉子匝間短路故障的早期檢測是相當重要的[1]。

2 故障情況及診斷

2.1 故障情況

某電廠#4發電機在運行中轉子存在振動異常現象。主要表現為轉子運行中其振動幅值有些偏大,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,懷疑該轉子存在匝間短路故障。

2.2 診斷過程

2.2.1 停機前的試驗檢測

為了檢查是否存在故障隱患,該機組利用停機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,試驗數據繪制成曲線,如圖1和圖2所示。圖1是阻抗隨轉速變化的關系曲線,圖2則是損耗隨轉速變化的關系曲線。

圖1 轉子轉速下降過程中交流阻抗隨轉速的變化曲線

圖2 轉子轉速下降過程中,損耗隨轉速的變化曲線

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。

表1 轉子動態交流阻抗及損耗試驗結果 (盤車狀態)

如表1交流阻抗及損耗試驗結果所示,將盤車狀態測試數據與該機組調試期間的數據相比較,發現4#發電機轉子目前的交流阻抗變小了 (5.83-5.491)=0.339 Ω,變化率為5.81%;損耗也由5000 W增大為6015.2W,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1中的數據變化是否屬于沖轉后的正常變化,或是由于其它原因 (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

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,如圖3,可以看到正、負極兩條響應曲線幾本完全重合,兩條曲線的電壓差幾乎為一條電壓為零的水平直線[4]。

2.2.2 大修期間的試驗結果

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,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,當差值小于3%時可認為轉子不存在匝間短路故障)。但直流電阻和兩極電壓分布試驗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,此時電壓也會接近相等。

圖4 轉子兩極繞組的交流電壓分布曲線

最后通過做轉子兩極電壓分部試驗,可以更全面的了解轉子繞組短路情況,把兩極電壓分布試驗的結果的數據繪成曲線,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可以看出,3號線圈的兩極電壓曲線有所偏差,達到 (13.13-12.77)=0.36V。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0.36V與最大值相差0.36/13.13=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。

2.2.3 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),發現10#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 (滿負荷時達到113.8)。說明了轉子的振動是受到不均勻的電磁力影響,且隨著勵磁電流的變化而變化,這也是匝間短路的典型特征[5-8]。

圖5 4#發電機運行記錄

3 結束語

從試驗結果來看,轉子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開頭說的匝間短路動態特征,就不必懷疑靜態下查不到匝間短路故障的診斷結論。因為發電機實際帶負荷運行下,轉子處于3000 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、以及數千安培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部位,在不同轉速或負載狀態下可能會自行消除短路狀態。1000 MW機組轉子在運行中振動幅度明顯和負荷的變化呈正相關性,機組解列降速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。所以我門認為雖然試驗數據都在合格范圍內,但綜合分析可以看出：發電機轉子依然存在一定的匝間短路隱患,只是短期內還未發展到故障階段。

[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] 關建軍.大型汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障的診斷研究 [J].大電機技術,2003,10(2)：18-27.

[3] 向保錄,左國榮.發電機轉子匝間短路試驗數據分析 [J] .發電機設備,2009,23(4)：305-308.

[4] 袁亞偉.檢測發電機轉子匝間短路的RSO實驗技術及其應用分析 [J].電氣技術,2010,10(4)：25-27.

[5] 張征平.大型汽輪發電機轉子匝間短路故障現狀及其分析診斷 [C].電氣新技術研討會論文集,2011,10：124-134.

[6] 李鵬,張秀閣,代國超.轉子匝間短路引起發電機組振動的分析及處理 [J].華中電力,2008,21(2)：8-10.

[7] 劉慶河.汽輪發電機轉子繞組匝間短路的檢測方法 [J].大電機技術,2004,18(4)：13-16.

[8] 萬書亭,李和明,李永剛.轉子匝間短路對發電機定轉子振動特性的影響 [J].中國電機工程學報,2005,5(10)：122-123.

Analysis of the Inter-turn Short Circuit of 1000 MW Turbo Generator Windings

YIN Wenjun1,WANG Shuhua2
(1.Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co.Ltd,Guangzhou 510000; 2.School of Electrical Engineering Wuhan University,Wuhan 430072)

The anomaly of roller vibration occurred on the windings of a 1000 MW operating turbo generator was analyzed as an example.With the recording data of operation and large-scale repairing,it is believed that an incipient fault of early-stage inter-turn short circuit existing on the windings.The main methods and its problems during diagnosing inter-turn problems of large turbo generator rotor windings was studied and discussed;it also provides related experience and reference for the studies of similar large turbo generator sets.

turbo generator;rotor windings;inter-turn short circuit

TK26

B

1006-7345(2014)03-0090-03

2013-08-03

尹文俊 (1988),男,助理工程師,主要從事高壓電氣設備的試驗、故障分析及診斷方面工作 (e-mail)403751861@qq.com。

中央高?；究蒲袠I務費專項基金 (武漢大學201120702020013)

王淑華 (1988),男,碩士研究生,研究方向為高壓電氣設備故障分析與診斷。