一起1000MW汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷分析

董 朋，袁 超，封建寶，呂建紅，孫 鳴，劉 全

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一起1000MW汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷分析

董 朋1，袁 超2，封建寶2，呂建紅1，孫 鳴1，劉 全2

（1. 國華徐州發電有限公司，江蘇 徐州 221100；2. 江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102）

近年來，江蘇電網的裝機容量已接近90GW，1000MW機組作為江蘇電源的主力機組，其安全可靠運行對江蘇電網至關重要。在某1000MW汽輪發電機的小修期間，通過交流阻抗和功率損耗試驗懷疑轉子繞組存在匝間短路故障，于是采用重復脈沖法、兩極平衡法、線圈電壓法進一步判斷分析，判斷出匝間短路點為P1極7號線圈。隨后將該轉子返廠解體后，發現7號線圈第3匝和第4匝之間絕緣碳化嚴重，經修復后轉子正常投入運行。本文提出的綜合判斷匝間短路的方法對相關人員具有借鑒作用。

發電機；轉子；匝間短路；重復脈沖法

0 前言

近年來，江蘇省電網不斷發展，電源的總裝機容量已接近90GW，形成了“北電南送、西電東送”的格局以及“五縱五橫”的主網構架。發電機作為電廠內最重要的電氣設備之一，特別是超超臨界的發電機組，其安全運行對電網可靠供電至關重要[1-4]。汽輪發電機的轉子繞組常常會發生匝間短路的情況，其主要原因有兩點：一是由于機組頻繁起停中繞組受到巨大的離心力，使得匝間絕緣產生位移、變形或局部損壞；二是由于制造的工藝不精，繞組固定不牢、導條加工留存毛刺或凹凸不平，匝間絕緣偏出，異物進入，導致絕緣損壞[5-8]。

在發電機發生輕微匝間短路的初期，常常會因為故障特征不明顯且對運行沒有較大影響而被忽略，但久而久之，隨著故障點的發展，氣隙磁通波形會出現明顯畸變，轉子電流顯著增加，繞組溫度升高。如若轉子匝間短路的嚴重程度增加，將會導致轉子一點或多點接地故障發生，使得轉子大軸磁化，嚴重者將燒損軸頸和軸瓦，對發電機組的安全運行構成巨大威脅[9-13]。

國家能源局《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中也要求在發電機檢修中通過探測線圈波形法、交流阻抗法或重復脈沖測試法進行動態及靜態匝間短路檢查試驗。

本文針對一臺1000MW發電機轉子匝間短路故障，應用交流阻抗法、重復脈沖法、兩極電壓平衡法等方法綜合診斷，并結合返廠解體檢查情況對分析結果進行驗證。

1 發電機參數和運行情況

某電廠2號汽輪發電機型號為THDF125/67，由上海電氣電站設備有限公司生產制造，2011年出廠。發電機額定功率為1000MW，定子電壓27kV，定子電流23778A。

該發電機自2011年12月投產以來，運行情況良好，未發生嚴重故障。2012年和2014年分別對發電機進行檢修，根據轉子交流阻抗試驗結果未見明顯異常。本次檢修前，發電機運行情況穩定，勵磁電流正常，軸振數據在合格范圍內。2016年8月發電機進行C修，轉子在膛內進行交流阻抗測量，發現與出廠試驗數據相比，阻抗值降低6.26%，功率損耗增加5.6%，于是對發電機轉子進行進一步診斷。

2 現場故障分析

2.1 直流電阻測試

轉子直流電阻測試是檢修試驗和診斷試驗中的常規項目，首先對該發電機進行轉子直流電阻測試，并將測試結果換算至20℃時的值，見表1。

表1 發電機轉子繞組直流電阻測試結果

從表1中的數據可知，同溫度下的直流電阻值與出廠值相比，減小了0.3%，偏差不超過1%，小于標準中要求的與交接或出廠值比較差別不超過2%的要求，但這并不能完全說明轉子繞組未發生匝間短路故障。轉子繞組匝間短路故障僅為局部故障點的時候，其對直流電阻值的影響非常小，只有當短路匝數較多的時候，直流電阻值才會發生明顯下降，該方法的靈敏度較低。因此若要判斷匝間絕緣是否良好，需要進行多方法的綜合判斷。

2.2 交流阻抗和功率損耗試驗

交流阻抗和功率損耗法是傳統的轉子繞組匝間短路判斷分析方法。當發生故障后，繞組有效勵磁線圈數減少，對于機組在同一運行狀態下，阻抗值會降低，功率損耗會增加，但該方法測試時需排除轉子周圍鐵磁性物質對結果的影響。本次檢修的交流阻抗和功率損耗試驗數據見表2。

從表2中數據可以看出：當外施交流電壓為100V時，交流阻抗值降低5.7%，功率損耗增加5.8%；當電壓升至160V時，交流阻抗值降低6%，功率損耗增加5.1%；當電壓達到200V時，交流阻抗值降低7.4%，功率損耗增加4.4%。比較本次試驗結果和出廠值來看，交流阻抗值明顯降低，功率損耗在增加，轉子發生匝間短路的可能性非常大，需進一步開展試驗診斷。

表2 發電機交流阻抗和功率損耗試驗結果

2.3 重復脈沖法檢測

重復脈沖法（RSO）法是利用發電機轉子繞組的對稱性，通過注入重復脈沖并對響應信號進行采集分析，判斷轉子繞組匝間短路的檢測方法[14-16]。轉子繞組可以看成一條傳輸線，脈沖波在其上的傳播特性受波阻抗的影響，如圖1所示，當A點發生匝間短路后，該點的波阻抗會發生變化，1≠2脈沖波傳輸到A點后會發生折射和反射。

圖1 脈沖波在匝間短路點傳播示意圖

折射系數和反射系數如式（1）：

由于匝間短路的程度和短路點位置的不同，那么從兩極注入脈沖的響應信號也不同，因此信號疊加后會在波形上出現脈沖尖峰。圖2為本次發電機重復脈沖法測試的波形。

從圖2波形中可以看出，正、負極繞組的響應波形有一處位置明顯不重合，差值出現0.3V左右的尖峰，且根據測試波形的響應時間，初步判斷轉子7號線圈繞組存在靜態匝間短路。

2.4 極電壓平衡法

轉子繞組正常時，其兩極間具有良好的對稱性，若給兩極施加交流電壓，兩極分別對極中點的電壓應該是相等的。極電壓平衡法能較為靈敏地發現轉子匝間短路故障，其電壓偏移大小取決于匝間短路故障的位置和嚴重程度。本臺發電機的極電壓平衡法試驗數據見表3。

表3 發電機轉子繞組極電壓平衡試驗結果

從表3中可以看出，兩極電壓的偏差達10.7V，是最大電壓值的10.3%，根據標準中的規定，極間電壓差超過最大電壓值的3%時，可判定為匝間短路。根據前文中幾種方法的測量結果可以綜合判斷出該發電機轉子繞組中存在匝間短路故障。

2.5 線圈電壓法

為進一步判斷繞組匝間短路的位置，應用線圈電壓法進行定位，給繞組兩極間施加196.1V電壓，轉子P1、P2極各繞組間電壓見表4。

表4 發電機轉子繞組線圈電壓法試驗結果

根據表4中各線圈電壓的測量數據，將其繪制成電壓曲線，如圖3所示。

從表4中的數據和圖3中曲線的重合度可以看出，1~6號線圈電壓值基本相同，偏差一般在0.1~0.2V左右，7號線圈兩極繞組差值達9.4V，存在明顯異常，初步可以判定7號線圈存在匝間短路的故障。

圖3 轉子兩極各線圈電壓曲線

3 返廠檢查情況

為進一步檢查確認發電機轉子繞組匝間短路故障嚴重程度并對故障線圈進行修理更換，電廠將發電機運返制造廠。

轉子拔掉護環后，進行匝間電壓分布試驗，在懷疑匝間短路的P1極7號線圈處，測量相鄰兩匝之間的電壓差，分別記做12、23……67，如表5所示。

表5 發電機轉子繞組匝間電壓分布試驗結果

根據匝間電壓分布試驗的結果，初步可以判斷在P1極7號線圈第3匝和第4匝之間發生了短路。隨后，拆除汽、勵側護環及汽測葉片、風扇座后，檢查7號線圈第3匝和第4匝之間表面未發現短路點。褪焊P1極7號線圈端部上部3匝線圈，發現距槽口425mm處有故障點，疑似鐵磁異物短路燒損點，匝間雙層絕緣均已過熱碳化，形成孔洞，如圖4所示。

圖4 轉子兩極各線圈電壓曲線

解體檢查發現的故障點與前文的分析診斷結果具有很好的一致性，進一步驗證了幾項試驗的綜合判斷的準確性。

4 小結

（1）可參照DL/T1525標準中的要求采用交流阻抗和功率損耗法和重復脈沖法對轉子繞組匝間短路早期潛伏性故障進行試驗發現，懷疑有故障后需采用極電壓平衡法、線圈電壓法和匝間電壓分布法進行綜合分析診斷；

（2）在轉子檢修試驗中，重復脈沖法較傳統的交流阻抗法具有靈敏度高、可定位、操作便捷的優點，應按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》開展相關試驗；

（3）匝間電壓分布測量結果對于繞組匝間短路的定位十分有效，提高了故障診斷的準確性。

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Diagnosis and Analysis of Interturn Short Circuit Fault in Rotor of a 1000MWTurbine Generator

DONG Peng1, YUAN Chao2, FENG Jianbao2, LYU Jianhong1, SUN Ming1, LIU Quan2

(1.Guohua Xuzhou Power Generation Co., Ltd.,Xuzhou 221100, China;2. Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

In recent years, the installed capacity of Jiangsu power grid is close to 90 GW. 1000 MW generator as the main unit of Jiangsu power supply, it is very important for the safe and reliable operation of Jiangsu power grid. During the minor repair of a 1000 MW steam turbine generator, alternating current impedance and the power loss test indicatesthat rotor winding interturn short circuit fault exists, and by the methods of repetitive pulse, polar balance and coil voltage, the interturn short-circuit pointis located at P1-7 coil. Then the rotor is returned to the factory and disassembled, the insulation of coil 7 between turn 3 and 4 is carbonizingseriously. After repair mend, the rotor run normally and seriously.

generator; rotor; interturn short circuit; repetitive pulse method

TM307+.1

A

1000-3983(2018)03-0016-04

2017-08-16

董朋（1982-），2006年畢業于中國礦業大學電氣工程專業，工程碩士學位，現從事火力發電廠電氣技術管理工作，工程師。