大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路原因分析及磁的影響

劉俊英

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大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路原因分析及磁的影響

劉俊英

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

本文分析了大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生匝間短路的原因。并著重探討了轉(zhuǎn)子剩磁和轉(zhuǎn)子槽楔導(dǎo)磁率對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路檢測(cè)的影響，具體來說就是通過探測(cè)線圈用動(dòng)態(tài)波形法檢測(cè)匝間短路時(shí)，這些因素會(huì)將一個(gè)沒有匝間短路的轉(zhuǎn)子，非正常地檢測(cè)到有匝間短路故障。

汽輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；匝間短路；剩磁；導(dǎo)磁率

0 前言

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在制造廠內(nèi)生產(chǎn)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因發(fā)生匝間短路。在檢測(cè)到轉(zhuǎn)子有匝間短路時(shí)要及時(shí)進(jìn)行處理，保證產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。

根據(jù)本人在制造廠內(nèi)多年的經(jīng)驗(yàn)，本文介紹大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的原因，其中重點(diǎn)介紹由于轉(zhuǎn)子剩磁及轉(zhuǎn)子槽楔導(dǎo)磁率的影響，通過轉(zhuǎn)子探測(cè)線圈用動(dòng)態(tài)波形法檢測(cè)匝間短路時(shí)，會(huì)把一個(gè)沒有匝間短路的轉(zhuǎn)子，非正常地檢測(cè)到有匝間短路故障。

1 轉(zhuǎn)子匝間短路發(fā)生的原因

轉(zhuǎn)子匝間短路發(fā)生的原因比較復(fù)雜，一般情況下有以下幾方面。

第一，轉(zhuǎn)子線圈制造過程中質(zhì)量的控制。轉(zhuǎn)子線圈的材料是冷拉銅排，一般經(jīng)過下料、加工孔、加工槽、去毛刺、彎形、成弧、加工端頭、粘接匝間絕緣等多道工序制造成轉(zhuǎn)子線圈，有的轉(zhuǎn)子線圈還有加工轉(zhuǎn)角、焊接等工序。轉(zhuǎn)子線圈去毛刺工序十分重要，如果毛刺清理不徹底，會(huì)在轉(zhuǎn)子線圈裝配工作完成之后造成匝間短路。尤其在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)過程中，離心力會(huì)使轉(zhuǎn)子線圈各匝之間更服帖，更容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路。

第二，轉(zhuǎn)子線圈裝配過程中質(zhì)量的控制。轉(zhuǎn)子線圈裝配過程中焊接質(zhì)量及焊后清理工作對(duì)于轉(zhuǎn)子匝間短路控制是很重要的，避免焊接區(qū)域有高點(diǎn)，焊后清理保證轉(zhuǎn)子端部沒有雜質(zhì)。如果各匝線圈之間存在焊接高點(diǎn)和雜質(zhì)，會(huì)損壞轉(zhuǎn)子匝間絕緣，引起匝間短路。另外，轉(zhuǎn)子線圈裝配時(shí)操作環(huán)境的管理對(duì)轉(zhuǎn)子制造質(zhì)量也是很關(guān)鍵的。轉(zhuǎn)子線圈裝配過程中如果有異物進(jìn)入，會(huì)在轉(zhuǎn)子匝間絕緣之間位置，也會(huì)在通風(fēng)孔內(nèi)、線圈與槽襯之間或端部線圈空間內(nèi)，都會(huì)把兩匝線圈搭接，從而造成匝間短路。

第三，轉(zhuǎn)子匝間絕緣粘接質(zhì)量的控制。轉(zhuǎn)子匝間絕緣的粘接質(zhì)量如果出問題，一般是出現(xiàn)在端部線圈，極個(gè)別出現(xiàn)在直線段線圈。轉(zhuǎn)子匝間絕緣粘接問題之所以一般出現(xiàn)在端部，因?yàn)槎瞬烤€圈的形狀比較復(fù)雜，有直線段、轉(zhuǎn)角段、弧部段，其中還夾著焊接區(qū)域。端部線圈形狀很難與匝間絕緣形狀保持完全一致，所以一般匝間絕緣都比轉(zhuǎn)子線圈銅線寬度要略大且長(zhǎng)度方向上匝間絕緣接縫部位也要嚴(yán)加控制質(zhì)量。即使這樣，一旦匝間絕緣不能把端部線圈平面完全覆蓋，祼露銅的位置就會(huì)發(fā)生匝間短路。尤其是在轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)過程中，離心力會(huì)使這些小面積的祼露銅發(fā)生動(dòng)態(tài)匝間短路。

第四，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件制造質(zhì)量的控制。例如轉(zhuǎn)子引線和1號(hào)勵(lì)端底匝線圈的結(jié)構(gòu)件，有時(shí)會(huì)因?yàn)橹圃熨|(zhì)量問題與轉(zhuǎn)子1號(hào)線圈碰到一起，如果是碰到1號(hào)線圈非臨近引線一側(cè)（就是臨近1號(hào)第2匝位置），就會(huì)短接一匝線圈，造成匝間短路，尤其是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)過程，離心力使轉(zhuǎn)子端部線圈形狀發(fā)生變化之后，才能夠發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題。

第五，轉(zhuǎn)子匝間絕緣的質(zhì)量不會(huì)引起匝間短路，原因是轉(zhuǎn)子匝間電壓非常小，對(duì)于匝間絕緣材料本身來講是沒有問題的。我們?cè)鲞^一個(gè)試驗(yàn)，目的是為了排除匝間絕緣質(zhì)量不佳引起匝間短路的可能性。試驗(yàn)方法是：在匝間絕緣平面上通過銅塊施加壓強(qiáng)400MPa，匝間絕緣壓裂但沒有斷開的情況下，此時(shí)用250V搖表，把兩個(gè)表針接到銅塊上，通過銅塊測(cè)量匝間絕緣的絕緣電阻是241GΩ。這個(gè)試驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)子匝間絕緣材料本身承受匝間電壓是沒有問題。

2 轉(zhuǎn)子匝間短路在制造廠內(nèi)的檢測(cè)方法

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)定方法》JB/T8446-2005中規(guī)定，轉(zhuǎn)子匝間短路檢測(cè)方法分為靜止和旋轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下進(jìn)行。[1]

靜止?fàn)顟B(tài)下可采用阻抗測(cè)量法，就是測(cè)量各極繞組間電壓差值是否超過限定值，這一方法又可以直接測(cè)量?jī)蓸O電壓分布或用開口變壓器測(cè)量，制造廠內(nèi)一般不用開口變壓器測(cè)量。測(cè)量?jī)蓸O電壓分布時(shí)，要給出各電壓值曲線。

旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以采用阻抗測(cè)量法和動(dòng)態(tài)波形法，且以波形法為主。交流阻抗測(cè)量法要給出各轉(zhuǎn)速下交流阻抗與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線和額定轉(zhuǎn)速下各電壓值與交流阻抗關(guān)系曲線。波形法測(cè)量要給出轉(zhuǎn)子波形曲線和測(cè)量偏差值。

3 轉(zhuǎn)子剩磁對(duì)匝間短路的影響

我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)過程中，按JB/T8446-2005要求，轉(zhuǎn)子優(yōu)先采用動(dòng)態(tài)波形法檢測(cè)有無匝間短路，同時(shí)兼顧采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩極電壓法檢測(cè)。

一般情況下，按以上方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路都很準(zhǔn)確，但是個(gè)別時(shí)候由于轉(zhuǎn)子剩磁的影響，會(huì)出現(xiàn)假態(tài)的匝間短路現(xiàn)象。

例如在2006年兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)，我們運(yùn)用動(dòng)態(tài)波形法檢測(cè)某個(gè)動(dòng)平衡試驗(yàn)間內(nèi)的所有轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子均存在多點(diǎn)位置的匝間短路現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子經(jīng)過反復(fù)檢查、處理，確定轉(zhuǎn)子線圈的制造質(zhì)量和裝配質(zhì)量、轉(zhuǎn)子匝間絕緣的粘接質(zhì)量、匝間絕緣質(zhì)量都沒有問題。但是，此后再進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，問題仍然存在且位置不重復(fù)。檢查轉(zhuǎn)子剩磁時(shí)，發(fā)現(xiàn)剩磁非常大。把其中某一個(gè)有四處匝間短路的轉(zhuǎn)子進(jìn)行退磁處理，且不進(jìn)行其他任何處理，再次進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，用動(dòng)態(tài)波形法檢測(cè)，匝間短路消失。按此方法，其他所有存在匝間短路的轉(zhuǎn)子經(jīng)退磁處理后，都一次性完成動(dòng)態(tài)匝間短路檢測(cè)試驗(yàn)。

轉(zhuǎn)子剩磁影響匝間短路時(shí)，有一個(gè)非常明顯的特點(diǎn)。就是把探測(cè)線圈移動(dòng)位置后，再進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)量的結(jié)果會(huì)發(fā)生變化，原來位置的短路點(diǎn)可能消失且會(huì)出現(xiàn)新的短路點(diǎn)。說明轉(zhuǎn)子剩磁是不均勻的，所以會(huì)造成“匝間短路”的假象。

所有這些問題發(fā)生在一個(gè)固定的試驗(yàn)間的一個(gè)固定的時(shí)間段內(nèi)，說明這段時(shí)間這個(gè)試驗(yàn)間出現(xiàn)了問題，經(jīng)處理后這個(gè)試驗(yàn)間沒有再發(fā)生這樣的問題。

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在少量剩磁的情況下，應(yīng)進(jìn)行正、反向勵(lì)磁兩種情況的動(dòng)態(tài)波形法測(cè)量。把得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，一般情況下可以消除剩磁的影響。

4 轉(zhuǎn)子槽楔導(dǎo)磁率對(duì)匝間短路的影響

2011年我們某臺(tái)60 Hz汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子卻出現(xiàn)超出以上所有原因種類的“匝間短路”，轉(zhuǎn)子槽楔導(dǎo)磁率超標(biāo)影響了動(dòng)態(tài)波形法測(cè)定轉(zhuǎn)子匝間短路結(jié)果。

現(xiàn)象是轉(zhuǎn)子用動(dòng)態(tài)波形法檢測(cè)出有多處嚴(yán)重的匝間短路，但動(dòng)態(tài)交流阻抗和動(dòng)態(tài)兩極電壓及靜態(tài)交流阻抗和靜態(tài)兩極電壓都沒有問題。根據(jù)2006年的經(jīng)歷，在整個(gè)過程中，我們始終監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子剩磁，沒有異常。而且每次用動(dòng)態(tài)波形法測(cè)定轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)，都采用正反向兩次給勵(lì)磁電流進(jìn)行測(cè)定，平均采集數(shù)據(jù)以消除剩磁的影響。

表1是轉(zhuǎn)子用動(dòng)態(tài)波形法測(cè)量的數(shù)據(jù)，表2是把探測(cè)線圈從中間槽楔位置移到勵(lì)端槽楔位置測(cè)量的數(shù)據(jù)，表3是把探測(cè)線圈從勵(lì)端槽楔位置移到汽端槽楔位置測(cè)量的數(shù)據(jù)，表4是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的各轉(zhuǎn)速下的兩級(jí)電壓和交流阻抗數(shù)據(jù)及額定轉(zhuǎn)速下各電壓值下兩極電壓和交流阻抗數(shù)據(jù)。圖1是繞組交流電壓不變時(shí)轉(zhuǎn)子交流阻抗（Ω）與上升階段轉(zhuǎn)速（r/min）的關(guān)系曲線，圖2是繞組交流電壓不變時(shí)轉(zhuǎn)子交流阻抗（Ω）與下降階段轉(zhuǎn)速（r/min）的關(guān)系曲線，圖3是轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子交流阻抗（Ω）與繞組交流電壓（V）的關(guān)系曲線。說明一下，本發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子制造標(biāo)準(zhǔn)要求動(dòng)態(tài)波形法測(cè)量數(shù)據(jù)差值不能大于2.08%，本轉(zhuǎn)子每槽內(nèi)的槽楔由三段不銹鋼槽楔組成。

表1 ??

表2 ??

表3 ??

圖1 ??

圖2 ??

表4 ??

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，雖然本臺(tái)轉(zhuǎn)子在試驗(yàn)過程中，均顯示有多處嚴(yán)重的匝間短路，但分別在三段槽楔的對(duì)應(yīng)位置用動(dòng)態(tài)波形法測(cè)量的結(jié)果卻截然不同。說明本臺(tái)轉(zhuǎn)子實(shí)際上是沒有匝間短路的，是有不明因素在影響。同時(shí)，轉(zhuǎn)子交流阻抗和兩極電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)也充分證明了轉(zhuǎn)子的匝間絕緣狀態(tài)是良好的，是沒有匝間短路的。

圖3 ??

通過磁鐵吸轉(zhuǎn)子槽楔能夠找到這個(gè)問題的原因。轉(zhuǎn)子不同位置的不銹鋼槽楔對(duì)磁鐵的反應(yīng)不一致，有的槽楔能吸住磁鐵顯示一定的導(dǎo)磁能力，有的槽楔吸不住磁鐵，說明轉(zhuǎn)子不銹鋼槽楔的導(dǎo)磁率不一致。導(dǎo)磁率符合要求的不銹鋼槽楔吸不住磁鐵，其對(duì)于探測(cè)線圈檢測(cè)到的電磁波形的影響接近于空氣。但導(dǎo)磁率超標(biāo)的不銹鋼槽楔影響了探測(cè)線圈檢測(cè)到的波形，給出了不真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，本臺(tái)轉(zhuǎn)子的槽楔是不銹鋼材料，是由兩種工藝方法制造的，一種加工后直接使用，另一種加工后表面進(jìn)行了噴砂處理再使用。兩種制造方法不完全相同的槽楔，導(dǎo)磁率產(chǎn)生了差別。這兩種槽楔混用后，帶來了轉(zhuǎn)子假“匝間短路”這樣嚴(yán)重的后果。

轉(zhuǎn)子槽楔導(dǎo)磁率超標(biāo)帶來的假“匝間短路”，有一個(gè)很明顯的特點(diǎn)。短路點(diǎn)多，波形數(shù)據(jù)偏差比較大，探測(cè)線圈更換槽楔對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)有變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在制造廠內(nèi)生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生匝間短路的因素，以及轉(zhuǎn)子匝間短路檢測(cè)過程中磁的影響，得出了在匝間短路檢測(cè)過程中轉(zhuǎn)子剩磁及不銹鋼槽楔導(dǎo)磁率對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有很大影響的結(jié)論。

[1] 隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)定方法[S]. JB/T8446-2005.

The Causes of Inter-Turn Short Circuit of Large Turbo-generator Rotor and Influence of Magnetism

LIU Junying

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This paper analysis the cause of inter-turn short circuit phenomenon of large turbo generator during the manufacturing phase in manufactory, as well as discusses the influence of rotor residual magnetism and coil wedge magnetic conductivity to inter-turn short circuit, while the dynamic wave pattern method is introduced to check it.

turbo generator; rotor; inter-turn short circuit;residual magnetism; magnetic conductivity

TM311

A

1000-3983(2014)02-0036-04

2013-08-17

劉俊英（1967-），1989年7月畢業(yè)于天津大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事大型汽輪發(fā)電機(jī)工藝工作，高級(jí)工程師。

審稿人：沈梁偉