水輪發電機轉子繞組匝間短路故障分析

梁曉東

摘要：轉子繞組匝間短路故障在水輪機運行中較為常見，輕微匝間短路不會造成很大影響，但是任其發展會產生嚴重危害，必須做好此類故障檢查、原因分析工作，并及時進行故障處理，切實保證水輪機安全可靠運行。本文首先分析了我國水力發電產業發展情況，明確了水輪發電機的重要地位及其安全、穩定運行的必要性;其后圍繞轉子繞組匝間短路故障危害及其原因進行了詳細探討，最后就某水電站發生的一起轉子繞組匝間短路故障處理展開具體分析，以期可供參考。

Abstract： Turn to turn short circuit fault of rotor winding is common in the operation of hydraulic turbine. Slight turn to turn short circuit will not cause great influence， but it will cause serious harm if it is allowed to develop. Therefore， it is necessary to do a good job in the inspection and cause analysis of such faults， and deal with the faults in time， so as to ensure the safe and reliable operation of the turbine. This paper first analyzes the development of China's hydropower industry， defines the important position of hydrogenerator and the necessity of safe and stable operation; then， it discusses in detail the harm and causes of turn to turn short circuit fault of rotor winding， and finally analyzes the treatment of turn to turn short circuit fault of rotor winding in a hydropower station， so as to provide reference.

關鍵詞：水輪發電機;轉子;繞組匝間短路故障;危害;原因

Key words： hydrogenerator;rotor;winding turn to turn short circuit fault;harm;cause

中圖分類號：TM312 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0207-03

0 ?引言

水作為清潔能源，具有環境影響小、發電成本低等優勢，部分工程還具有改善區域交通、電力供應與經濟的優點，備受區域發展重視。水輪發電機是水力發電的核心，其運行可靠性直接關系到水電系統的正常運行，影響區域電網供電質量，對此在不斷增加電力裝機容量的同時，必須關注機組運維與故障處理技術，本文主要以轉子繞組匝間短路故障為研究對象展開詳細論述。

1 ?水輪發電機概述

基于我國社會經濟的快速發展，電力需求持續擴大，同時為實現綠色電力生產，各種水力、風力以及太陽能發電技術逐漸發展起來。21世紀以來，我國從經濟建設、能源可持續供應、環境保護以及西部大開發等多方面考慮，決定率先發展水利事業，水力發電在各個區域快速鋪開，如圖1所示為2019年全國發電量構成占比情況，水電僅次于火電，占比在16%，因此水電站運行情況直接影響區域電網的供電可靠性。

結合相關數據統計顯示，截至2019年底，全國發電裝機容量201066萬千瓦，其中，水電35640萬千瓦，2009～2019年水電裝機增長情況如圖2所示。據統計，2020年6月底全國全口徑水電裝機容量達3.6億千瓦，全國規模以上電廠水電發電4769億千瓦時，水電設備利用小時1528小時。

水電站中，水輪發電機的主要任務是將水中能量轉化為機械能、電能，其運行可靠性直接關系區域供電質量。由此，為保證區域供電穩定性，必須重視水輪發電機故障問題的分析與處理，通過現場檢查及時判斷故障原因，采取合理的維修措施，切實將故障影響范圍控制在合理范圍內，本文主要圍繞轉子繞組匝間短路故障展開詳細論述。

2 ?水輪發電機轉子繞組匝間短路故障原因分析

2.1 水輪發電機轉子結構

水輪發電機可分為兩部分，一是靜止的定子，二是旋轉的轉子。其中，定子由鐵芯、機座、線圈等組成，定子上安裝三相繞組線圈，用以與轉子感應磁場實現電磁能量的轉換;轉子由主軸、轉子支架、磁極等組成，主要作用為提供勵磁磁場，實現能量轉化。

轉子結構一旦產生故障，將直接導致整個機組出現運行事故，及時發現故障、查明故障、處理故障具有關鍵性意義。轉子繞組匝間短路故障是一種較為常見的故障類型，本文主要圍繞此類故障展開詳細論述。

2.2 轉子繞組匝間短路故障危害

水輪發電機運行中，轉子不斷運轉，轉子繞組多達幾百、上千匝，而匝間絕緣厚度只有0.3～0.5mm，承受了絕大的作用力，加上一些生產加工質量問題的影響，極易產生匝間短路故障問題。如表1所示列舉了國內幾起轉子繞組匝間短路故障情況。

結合上述故障實例分析顯示，匝間短路故障發生后，主要表現為以下幾種情況：

①勵磁電流增大;

②無功功率輸出減小;

③轉子電磁力不平衡。

上述情況的出現，通常會導致機組出現較大振幅，問題較輕微時不會對機組穩定運行產生影響，但是若短路點存在局部過熱的情況，將造成轉子繞組接地絕緣破壞、引發接地故障，最終造成轉子鐵心損壞、轉子大軸磁化以及軸頸/瓦損壞，這也就直接威脅到了機組運行的安全性。對此，必須重視匝間短路故障問題，一旦發現及時查明故障點并處理，保證機組穩定運行。

2.3 轉子繞組匝間短路故障原因

在水輪發電機實際運行中，轉子繞組匝間短路故障發生幾率十分高，其原因眾多，下文主要從制造、運行兩大方面進行分析，具體如圖3所示。

2.3.1 制造方面

水輪發電機制造中，轉子自身存在質量缺陷，是導致轉子繞組匝間短路故障出現的一大重要原因，經分析具體主要有以下幾種情況：

①轉子繞組下線整形時匝間絕緣受損;

②繞組導體銅毛刺、倒角未拋光;

③繞組端部接頭、焊口整形不良;

④轉子繞組層間、護環導電金屬屑未清理。

上述問題的存在，均會導致水輪發電機運行期間轉子繞組發生故障，引發嚴重后果。

2.3.2 運行方面

水輪發電機組長時間運行后，轉子繞組長期承受著移位動態應力，極易出現各種變形、破壞的情況，包括：繞組變形、磨損;繞組局部過熱，匝間絕緣被破壞等。此外，由于勵磁繞組在外面，磁極間絕緣易潮濕、污穢易積聚鍵體附近，轉子點焊鍵體檢修時，若是掉落焊渣、焊錫，均會造成轉子繞組匝間短路故障的出現。

3 ?實例探析水輪發電機轉子繞組匝間短路故障處理

3.1 故障情況

本次發生故障的是水電站3#水輪發電機機組，長期運行后，此機組上導擺度呈現為逐年增大態勢，2013年年度檢修時，調整了機組的上導擺度，在并網的初期，機組的上導擺度檢測顯示合格，然而運行了一段時間以后，再次產生了超標的問題。

結合相關分析可知，發電機振動、擺度過大的原因主要分為兩種，轉子質量或是磁力不平衡。2015年機組檢修時專門對3#發電機轉子繞組進行了試驗分析，試驗數據如圖4所示，經對比發現在同樣的試驗條件下，轉子磁極繞組交流阻抗差異顯著，部分磁極繞組的交流阻抗值低于正常值10%。由此，初步判斷存在轉子繞組匝間短路故障，進而導致轉子出現磁力不平衡的情況。

3.2 轉子繞組匝間短路故障處理

基本確定故障情況后，下一步就是快速處理故障，具體步驟如下：

①定位故障磁極編號，故障磁極線圈與相鄰的正常磁極線圈交流阻抗數據應呈現為“V”形狀態，對此結合圖4分析可得，6、8、10、16、22、25、39號磁極均符合這一特征;27、28號磁極線圈交流阻抗十分低，雖然“V”形不明顯，但是依舊存在故障的可能性。

②重點檢查上述9個磁極，發現磁極線圈表面全部有灼傷痕跡。

③拆下磁極復測交流阻抗，測試數據如表2所示，在復測過程中，22號磁極表面處理后，交流阻抗恢復正常，其他全部都要返廠處理，由此也證明了前期判斷的正確性。

④拆下的9個磁極線圈中，除了22號其余全部使用備品更換（備品試驗合格），然后將故障磁極線圈返廠維修。

⑤磁極更換、連線后，在此進行交流阻抗測試，根據試驗加過顯示，在同樣的試驗電流下，此次測試屬于與2004 年基本一致，具體如圖5所示。

3.3 振擺超標故障處理

完成轉子磁極線圈的更換后，還無法判斷轉子質量是否依舊不平衡，由此必須對3#機組進行動平衡試驗：

①變勵磁試驗顯示，電壓不斷變化情況下，上/下導擺度、上機架水平振動均呈現為隨磁拉力的增大而小幅增加的情況，機組磁力不平衡;

②變轉速試驗顯示，轉速上升同時，上/下導擺度、上機架振動顯著增大，質量不平衡情況依舊存在。

針對此情況，對轉子進行約150kg配重處理，再次進行行動平衡試驗顯示，發電機空轉、空載時振擺幅值明顯下降，滿足規范要求。

3.4 故障處理效果

本次故障處理后，3#發電機組運行穩定，未再出現振擺超標問題。

4 ?結語

綜上所述，轉子是水輪發電機的重要構成部分，一旦出現轉子繞組匝間短路故障，故障極磁場削弱，直接導致轉子故障側單邊的磁拉力降低，出現不平衡磁拉力，此情況嚴重時直接導致水輪發電機劇烈振動。基于此，在水輪機日常運行與檢修管理中，必須要重視轉子繞組匝間短路故障問題，及時檢查、確定故障問題，做好處理，最大限度的減少故障停運時間，恢復水電站正常運行。

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