一起發電機轉子繞組匝間短路故障分析和處理

孫善華，孫福春，韓忠欽

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網陜西省電力公司漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

近年來，由于制造、運行等原因，大型汽輪發電機轉子繞組經常發生匝間短路故障。輕微的匝間短路對運行影響不大，但應注意加強對機組的監視。嚴重的匝間短路故障，會使發電機轉子電流增大、轉子繞組溫度升高、無功功率受限［1］，甚至造成機組的振動加劇，導致非計劃停運事故。因此，當發生上述現象時，必須通過試驗找出匝間短路點，并予以消除，使發電機恢復正常運行。

1 故障檢測情況

山東某發電廠5號發電機為330 MW水氫氫冷卻方式發電機，2006年4月投產，已運行11年。2017年5月，試驗人員按照《電力設備預防性試驗規程》的要求，對5號發電機進行大修的相關試驗時，發現其有匝間短路的特征。

1.1 直流電阻法

標準規定，交接和每次大修時，都應對轉子繞組的直流電阻進行測量，并與基值數據比較，其變化應不超過2%，否則須查明變化的原因。直流電阻法靈敏度低［2］，據計算，僅當繞組短路匝的數量超過總匝數的2%時，直流電阻值才會超過規定值。本次大修，用直流電阻測試儀對轉子繞組進行了測試。本次測量電阻值R27=161.8 mΩ，換算至75℃值R75=192.6 mΩ，2014年7月15日測量電阻值R75=194.4 mΩ，變化率為-0.90%。轉子繞組直流電阻與上次測量值相比偏小，但未超過2%的標準，因此無法判斷是否存在匝間短路故障。

1.2 交流阻抗和功率損耗試驗

測量轉子繞組交流阻抗和功率損耗是判斷有無匝間短路比較靈敏的方法之一。在交流電壓下，流經短路匝中的短路電流要比正常匝中的電流大很多，該電流具有強烈的去磁作用，并導致交流阻抗顯著下降，功率損耗明顯增加。測量結果如表1所示。

表1 交流阻抗與功率損耗測試結果

表1可看出，本次轉子交流阻抗與上次測量值相比下降了7.43%，功率損耗則增加了6.21%，從測試結果來看，具有匝間短路特征。

1.3 單開口變壓器法

單開口變壓器法是現場廣泛采用的一種判定匝間短路故障部位較為有效的方法。試驗時在轉子繞組中通入交流電，轉子槽齒上便產生交變磁通。利用開口變壓器和槽齒構成閉合磁路，測量轉子各槽上漏磁通引起的感應電壓及感應電壓與電源電壓之間的夾角。若某一槽存在短路線匝，則開口變壓器繞組的感應電勢及相位將有明顯變化，通過比較各槽測量相位，即可判斷是否存在匝間短路。

表2 單開口變壓器法測試感應電勢相位

在外環（Ⅰ極）和內環（Ⅱ極）上加100 V交流電壓，逐槽測量單開口變壓器的感應電勢相位如表2所示。

由表2可看出，9號和24號轉子槽感應電勢相位與相鄰槽的相位相差150°以上。9號和24號槽中放置的線圈為Ⅱ極8號線圈，因此懷疑此線圈中存在匝間短路。

1.4 極間電壓法

極間電壓法是利用轉子繞組的對稱性來判斷是否存在匝間短路的檢測方法。在發電機轉子兩個滑環施加100 V交流電壓，使用探針測量外環和內環對轉子極中點的電壓分別為51.1 V和47.7 V，極間電壓差為6.65%。按照DL/T 1525—2016《隱極同步發電機轉子匝間短路故障診斷導則》，極間電壓差超過最大電壓值的3%時，判定為存在匝間短路［3］。根據匝間短路特點可以判斷，故障點位于內環對應的極上。

2 故障定位方法

2.1 線圈壓降法

在轉子兩滑環上施加200 V交流電壓，在轉子護環下，分別記錄兩極對應線圈的電壓，測試數據見表3。

表3 線圈壓降法測試數據

根據標準，對應位置線圈間的電壓差超過最大電壓值的3%時，判定為存在匝間短路。根據表3數據可以判斷，內環8號線圈存在匝間短路故障。

2.2 匝間電壓分布法

采用匝間電壓分布法來進行精確定位，確認故障點在哪一匝［4］。具體方法是：在轉子繞組中，通入大小為5%～10%轉子額定電流的直流電流，電流波動率不大于5%。用測量探針從汽側、勵側緊靠護環出風區的風孔探入，分別測量短路槽中線匝間的電壓。用直流電焊機對轉子施加20 A的直流電流，分別測量9號槽和24號槽對應位置的各匝間的電壓值，測試數據見表4。

表4 不同位置匝間電壓值 mV

從表4可以看到，勵側9號槽的第一匝和第二匝之間電壓最低，只有4.5 mV，遠低于其他位置測量的正常值。沿電流前進方向，電壓差呈下降趨勢，表明短路點在測量位置的前方，由此判斷匝間短路點位于勵側9號槽的第一匝和第二匝間，位置為勵側護環下方。

2.3 拔開護環后的檢查情況

拔下勵側護環后，發現勵側多個線圈端部拐角處出現變形，匝間有不同程度的錯位。由圖1可看出，8號線圈變形最為明顯，第一匝和第二匝之間的匝間絕緣被硌破擠壓出來，導致匝間短路。

圖1 勵側8號線圈發生嚴重變形

3 故障處理與分析

現場對轉子端部變形嚴重的線圈進行局部整形處理。拆出轉子槽楔、阻尼繞組、楔下墊條、端部絕緣件，檢查線圈伸長情況以及伸長值進行測量并記錄，根據線圈變形的實際情況，采用打磨或局部截斷等方式對線圈進行整形處理，線圈整形后使線圈上下匝錯位小于4 mm。對端部匝間絕緣進行修整，恢復端部絕緣墊塊，端部絕緣墊塊使用更換后的加長型。處理完畢后進行通風試驗和電氣試驗，包括絕緣電阻、直流電阻、交流阻抗及功率損耗測試、開口變壓器測試、極間電壓試驗。試驗合格后，套勵側護環，再次進行以上電氣試驗，試驗合格。

從拔護環后的外觀檢查來看，轉子繞組端部塑性變形，頂匝線圈錯位，將匝間絕緣硌破，是導致轉子匝間短路的直接原因。設備生產廠家轉子線圈熱處理工藝不良，造成線圈屈服強度或抗蠕變性能差，運行中在離心力和熱膨脹共同作用下發生變形，致使匝間絕緣斷裂形成匝間短路。

4 結語

匝間短路是汽輪發電機轉子常見故障，測試方法也很多，以一起330 MW汽輪發電機為例，給出了匝間短路故障的檢測、診斷及精確定位的方法和過程。所用匝間短路定位方法簡單實用，判斷出匝間短路故障部位后可以只拔故障側護環，大大縮短故障修理工期，提高了發電廠的經濟效益。