600 MW機組發電機轉子匝間短路分析與處理

黃 策，沈 迎

(國家能源費縣發電有限公司，臨沂 273425)

0 引 言

600 MW級火力發電機組由于發電機容量大， 轉速高， 如果在設計和制造上存在不足，或者運行檢修工藝不當， 則轉子出現問題幾率就比較大。轉子繞組出現的問題主要有接地 、開路和匝間短路等故障， 其中轉子繞組的匝間短路故障占有非常大比例[1]。輕微的轉子匝間短路故障在開始階段對發電機運行影響不大， 但如果發展成嚴重的匝間短路后， 會使勵磁電流增大， 線棒過熱會導致變形， 限制發電機無功功率， 電壓波形畸變， 有時還會增加機組的振動幅值，甚至被迫停機， 故障的進一步發展會造成短路點局部過熱會使絕緣燒毀接地、護環燒壞、大軸磁化， 甚至造成轉子燒損事故[2-3]。因此完善優化設計、改進制造和檢修工藝盡可能避免在非正常工況下長期運行， 就成為保障大型發電機組安全可靠運行的前提。近幾年國家大力推進風電、光伏等新能源發電，電網對火力發電企業設備的可靠性、靈活性提出更高要求，頻繁調頻、調峰對大型火力發電機組安全運行的影響愈發明顯[4-6]。近期大型發電機轉子匝間短路故障率明顯上升，本文針對某廠600 MW發電機轉子匝間非金屬性短路故障進行分析判斷，根據故障情況，給出處理方案，確保發電機安全運行、故障處理兩不誤。

1 機組概況

某火力發電廠2×600 MW國產超臨界燃煤發電機組發電機系西門子西屋公司生產600 MW隱極發電機，型號THDF118/56，額定電壓20 kV，額定電流19245A，勵磁方式自并勵，冷卻方式水氫氫，發電機轉子有32槽，16個線圈，2007年7月投產發電，一直運行正常，期間按規程進行機組大小修。

2 故障判斷及對策

2.1 發電機轉子故障判斷

2019年3月份，對該機組按計劃進行A級檢修，4月初，對發電機轉子采用RD-1A轉子匝間短路RSO分析儀進行靜態波形(RSO)試驗[7-8]。

2.1.1 兩端同步激勵法

試驗模式選擇“兩端同步激勵”，分析儀同時從兩接線端發出激勵信號，記錄激勵端的注入點波形，兩端波形組合在同一時間軸顯示，并生成特征波形，即兩端波形之差，試驗結果如圖1所示。

圖1 兩端同步激勵法試驗波

由圖1分析，兩端波形在 7.43 μs(20.45%)處存0.16 V的凸起，兩端注入波形一致性存在偏差。根據特征波形曲線，說明轉子繞組的絕緣狀態在Ⅱ極第 4 線圈存在匝間短路情況。為了進一步分析轉子匝間短路嚴重程度，在轉子勵側端部轉子Ⅰ極及Ⅱ極第 4 線圈最內層處模擬同一線圈兩匝之間金屬性短路錄得波形，如圖2所示，特征波形幅值分別為 0.35 V和0.52 V，遠大于圖一波形的0.16 V。綜上分析，懷疑轉子繞組存在非金屬性匝間短路。

圖2 兩端同步激勵法模擬短路波形

2.1.2 輪換激勵法

試驗模式選擇“輪換激勵”，兩端波形組合在同一時間軸顯示，并生成特征波形，即兩端波形之差，試驗結果如圖3所示。由圖3分析，兩端波形在 7.43 μs(20.45%)處存在 0.29 V的凸起，兩端注入波形一致性存在偏差，與“兩端同步激勵法”測試曲線趨勢一致。在轉子勵側端部模擬同一線圈兩匝之間金屬性短路，轉子Ⅰ極及Ⅱ極第4線圈最內層處進行人為模擬，特征波形幅值分別為0.92 V和0.90 V，如圖4所示，遠大于圖三波形的0.29 V。與“兩端同步激勵”法曲線趨勢一致，分析為轉子存在非金屬性匝間短路。

圖3 輪換激勵法試驗波形

圖4 輪換激勵法模擬短路波形

2.1.3 兩極平衡試驗法

發電機轉子兩極通200 V交流電，分別測量兩極電壓值，要求兩極的電壓范圍在100 V±2 V(發電機廠標準)，其試驗結果見表1。

表1 轉子電壓值試驗結果

轉子在0°、90°時兩極電壓差為2.3 V，超出發電機廠家標準要求；根據《隱極同步發電機轉子匝間短路診斷導則》(DTL1525-2016)計算，其結果為4.2%，大于3%的匝間短路判斷標準。兩極平衡試驗結果顯示Ⅱ極極轉子線圈分配的電壓較Ⅰ極低，根據歐姆定律 Ⅱ極轉子線圈電阻值小于Ⅰ極極轉子線圈。因此，判斷Ⅱ極線圈存在匝間短路。

依據上述三種試驗結果，結合發電機運行中勵磁電壓、電流曲線關系及汽輪發電機運行時振動值等分析，判斷發電機轉子匝間輕微非金屬性短路。

2.2 采取對策

因發電機本體為原裝進口，缺陷處理難度大、周期長，經綜合評估，確認發電機能夠安全穩定運行至下一個檢修周期。機組運行時加強勵磁電壓和電流監視分析，臨時停機期間，進行RSO跟蹤測量，對比分析數據，研判故障發展趨勢，采取相應措施。

3 發電機轉子解體檢修和原因分析

為徹底消除2號發電機轉子匝間非金屬性短路故障隱患，在發電機安全運行到2020年 9月停機檢修時，發電機轉子返廠修理。

對轉子進行全面檢查，檢查發現：轉子軸頸存現劃痕，勵端軸承檔整圈拉毛較深，最深處1毫米，寬度15毫米，汽端軸承檔整圈拉毛較淺，護環拆除后發現轉子線圈端部存在油污等異物，判斷磨損位置為軸頸與軸承浮動環和密封瓦接觸面。轉子軸頸拉毛后， 密封油通過間隙進入發電機內部，隨冷卻風路進入轉子內部，油污、灰塵等在轉子線圈和絕緣縫隙處堆積。

對轉子繞組進行全面檢查，檢查發現繞組Ⅱ極 4 號線圈勵端端部第二第三片銅排之間絕緣層外延處有過熱碳化點，相應銅排部位有放電痕跡，判斷存在匝間短路故障點，此故障點位置與 2019年進行的 RSO測試結果吻合。原因為冷卻風從轉子兩端進入，油污、灰塵等在轉子勵磁端部線圈處堆積，加之機組負荷頻繁波動，轉子線圈伸縮，摩擦匝間絕緣，在勵磁電壓作用下擊穿放電。

4 檢修方案

4.1 轉子清理和絕緣升級

轉子全部線棒拆出進行徹底清理，更換所有匝間絕緣件，改進匝間絕緣拼接方案，將轉彎處轉子線棒匝間絕緣，由單層齊縫拼接，改為雙層無縫拼接，保證了匝間絕緣的連續性，能夠有效預防轉子線圈匝間短路，提升轉子線圈的抗污染能力，改造前后對比如圖6、圖7所示。

4.2 軸頸和密封瓦處理

對發電機轉子軸頸補焊修復，更換、加工密封瓦，更換部分密封支座銅齒等。

5 結束語

本文根據機組正常檢修時，發電機轉子靜態RSO試驗數據，結合其他試驗方法，判斷出發電機轉子存在輕微非金屬匝間短路，結合發電機為原裝進口，大修前運行正常，短期無法修復等因素，綜合研判，確定發電機短期監視運行，下一個檢修周期徹底處理的工作方針，詳細分析了發電機轉子匝間短路故障產生的主要原因，提出了點機轉子絕緣升級改造等解決方案，為同類型機組處理發電機轉子匝間短路故障提供借鑒。