大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障點現(xiàn)場定位與計算

劉 海 波

（珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519050）

前言

發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，因制造、安裝、運行、維護等原因，常發(fā)生匝間短路故障。發(fā)現(xiàn)、處理不及時會引起機組振動及轉(zhuǎn)子繞組燒損。

國內(nèi)外診斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障和位置的常用方法有測轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗法、兩極電壓平衡法、探測線圈法等。這些方法存在無法準(zhǔn)確定位診斷的缺點。而對于大型汽輪發(fā)電機來說，當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，如能夠盡早準(zhǔn)確無誤地計算和定位出轉(zhuǎn)子繞組匝間缺陷點和絕緣情況，既可為之及時處理故障，同時也可避免故障的進一步發(fā)展和重大設(shè)備損壞事故發(fā)生，從而保證機組安全連續(xù)穩(wěn)定運行。

本文通過對某電廠2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障快速診斷定位、計算分析，進行相關(guān)論述和探討。

1 故障情況

某火力發(fā)電廠2號發(fā)電機為原美國西屋公司生產(chǎn)的水氫氫汽輪發(fā)電機，額定功率746MW，額定勵磁電流6371A，額定勵磁電壓400V，采用自并勵靜態(tài)勵磁。轉(zhuǎn)子外徑1168mm，本體長度6350mm。轉(zhuǎn)子為2極，每極8個線圈，每個線圈6匝，共計32槽96匝線圈。轉(zhuǎn)子采取軸向－徑向通風(fēng)，四級高壓風(fēng)扇及立式氫冷器置于汽端。該機組未裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組動態(tài)匝間短路在線監(jiān)測裝置。

該廠2號發(fā)電機2000年正式投運，于2009年12月機組小修期間，依照計劃對轉(zhuǎn)子進行電氣預(yù)防性試驗。常規(guī)試驗情況具體如下。

1.1 直流電阻測試

換算至同一溫度下，2009年12月所測的直流電阻值，與交接試驗值相比，偏差0.83%＜2%，符合DL/T 596-2005標(biāo)準(zhǔn)。電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程要求：冷態(tài)下測量，與初次（交接或者大修）所測結(jié)果相比較，其差別一般不超過2%[1,2]。

1.2 膛內(nèi)靜態(tài)交流阻抗與功率損耗試驗

當(dāng)試驗電壓升至206.0V時，2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子的交流阻抗比2005年的歷史數(shù)據(jù)阻抗下降了7.5%，而損耗則增大了9.83%。數(shù)據(jù)對比存在一定的變化，顯示可能存在轉(zhuǎn)子匝間絕緣故障。由于偏差不大，還不能成為判斷轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障的典型數(shù)據(jù)，只能作為分析轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障的一種參考判據(jù)。

1.3 兩極電壓平衡試驗

2號轉(zhuǎn)子繞組兩極之間的電壓平衡度偏差達到11.0V，大大超出西屋公司的轉(zhuǎn)子繞組極平衡試驗的標(biāo)準(zhǔn)要求，即兩極之間的電壓平衡度偏差不得大于試驗電壓的2%。極平衡結(jié)果也符合匝間短路的故障特征。

1.4 RSO重復(fù)脈沖試驗

當(dāng)轉(zhuǎn)子兩極完全對稱不存在匝間絕緣故障時，由轉(zhuǎn)子兩極注入的脈沖應(yīng)是基本重疊的。合成的特性曲線應(yīng)為一條近乎完全重合的曲線。電廠現(xiàn)場RSO試驗波形結(jié)果如圖1，其兩極注入的脈沖信號曲線存在較大偏差，達150mV，初步判斷，2號發(fā)電機組轉(zhuǎn)子匝間絕緣不正常，在第三槽有一匝金屬性短路。

圖1 2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子RSO試驗（抽轉(zhuǎn)子前）

1.5 故障性質(zhì)

在進行了轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗、直流電阻、交流阻抗及損耗測量、極平衡試驗等系列試驗，對各項試驗結(jié)果綜合分析，數(shù)據(jù)一致表明2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間絕緣存在異?，F(xiàn)象，極1第3槽存在金屬性的匝間短路故障。

2 故障點現(xiàn)場精確定位與計算

傳統(tǒng)試驗方法可對轉(zhuǎn)子的故障進行定性的判斷，卻無法對故障點進行準(zhǔn)確定位。在現(xiàn)場一旦確診轉(zhuǎn)子匝間短路故障后，接下來的首要任務(wù)就是實現(xiàn)故障的定位和準(zhǔn)確計算，然后根據(jù)結(jié)果進行下一步對策制訂和后續(xù)事項實施。

2.1 定位匝間短路的槽和匝號

轉(zhuǎn)子匝間短路的定位，從故障所在線圈到定位故障所在的具體線匝，既可采用線圈和匝間交流分布法，也可采用直流電壓法?？紤]到交流法測量匝間電壓分布時，繞組間存在互感的影響，對試驗結(jié)果的判斷會產(chǎn)生很大的干擾。直流法測量匝間短路時，不存在這樣的問題。

由于該轉(zhuǎn)子設(shè)計上采用半軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式，每個線圈的左右兩側(cè)都有12個通風(fēng)孔，這12個通風(fēng)孔位于轉(zhuǎn)子本體中部，如圖2所示。每個通風(fēng)孔都對應(yīng)了各自的某匝線棒的通風(fēng)。通過這些通風(fēng)孔，可以將探針插入到底部，測量得到極1繞組或極2繞組8組線圈各匝線棒的電壓。

圖2 轉(zhuǎn)子繞組的半軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)

在發(fā)電機膛內(nèi)未抽出轉(zhuǎn)子前，為實現(xiàn)故障點的定位及測量數(shù)據(jù)便于分析，同時考慮測量人員安全，采用焊機給轉(zhuǎn)子提供直流電，在轉(zhuǎn)子二極導(dǎo)電螺釘之間輸入不超過額定電壓的直流量（50A），分別測量二極對應(yīng)線圈的各匝間的電壓降，通過對比兩極線圈的壓降，即可確定故障點存在的槽號及匝數(shù)。

測試時焊機施加的實測電流59.4A，直流電壓2.307V。兩極各線圈的相鄰匝間電壓測試數(shù)據(jù)見表1。表中“匝間電壓”的測量部位，如“1-2”、“5-6”等，其“1”表示位于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)頂部的線棒即頂匝，“6”表示位于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)底部的線棒即底匝。

數(shù)據(jù)分析：表中列出了極1與極2的8組線圈各匝間的壓降，對比數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)：

（1）極1的3號線圈5-6匝間電壓僅6.8V，明顯低于極2的3號線圈5-6匝間電壓26.1V；

（2）極1的4-5匝間電壓21.1V，雖與極2的4-5匝間電壓27.0V相差5.9V，但根據(jù)轉(zhuǎn)子電流的方向不難發(fā)現(xiàn)，3號線圈的電流方向是由底匝（6匝）流入，頂匝（1匝）流出，極1的4-5匝壓降低顯然是被5-6匝的電壓降拉低了。其他線圈匝間電壓值基本一致。由此判斷，轉(zhuǎn)子極1的3號線圈5-6匝間發(fā)生了匝間短路。

2.2 轉(zhuǎn)子匝間短路故障點的精確定位計算

在確認(rèn)了轉(zhuǎn)子匝間短路發(fā)生的槽號與匝數(shù)，但仍需確定匝間短路故障存在于轉(zhuǎn)子某處具體位置。發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵端、汽端及本體在結(jié)構(gòu)上卻存在著很大的差異，而正是這種差異，使得處理的復(fù)雜程度大相徑庭。因此，為了便于制定轉(zhuǎn)子后續(xù)處理方案，有必要對轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障的部位進行準(zhǔn)確的定位。

表1 2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子直流匝間電壓分布試驗測試部位/mV

發(fā)電機轉(zhuǎn)子在沒有任何匝間短路等異常狀況時，轉(zhuǎn)子兩極繞組應(yīng)是完全一致，兩極具有良好的對稱性。當(dāng)轉(zhuǎn)子匝間出現(xiàn)故障時，在轉(zhuǎn)子二極通入電壓，根據(jù)基爾霍夫電流定律，此時故障點電流的方向就產(chǎn)生了變化，由于線圈長度應(yīng)與電位降成正比，按線匝長度的關(guān)系，經(jīng)過計算可知短路點的位置，即可對故障點的定位，計算出故障點與測量點的距離。

2.2.1 直流法匝間短路位置計算公式推導(dǎo)

圖3 轉(zhuǎn)子一組線圈示意圖

如圖3，測量點3、4、5表示面向轉(zhuǎn)子勵端右側(cè)中間出風(fēng)孔編號，一匝線圈的長度為L，U56為短路匝的匝間電壓，U45為順著電流方向與短路匝相鄰的匝間電壓，U為正常的匝間電壓，短路電流為IK，LK為短路點和測量點的距離，順電流方向來看。

（1）測量點順著電流方向與故障點的距離LK/L的公式推導(dǎo)

由公式（2）得：

將式（3）代入式（1）得

（2）判斷轉(zhuǎn)子匝間短路點故障性質(zhì)(I-IK)/I的公式推導(dǎo)

將式（5）與式（6）相加，得

2.2.2 轉(zhuǎn)子匝間短路點的精確計算實例

計算對象：該廠的2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組。

根據(jù)推導(dǎo)公式（4），短路點距離測量點的距離：

由于3號線圈整個線圈的長度L為15m，根據(jù)LK/L=0.2239，已知L=15 m，那么短路匝距測量點的相對距離為3.36 m（順電流方向），由于右側(cè)電流方向為從汽端到勵端，測點在轉(zhuǎn)子右側(cè)中部出風(fēng)孔處，那么短路點應(yīng)在測點位置向勵端方向3.36m位置，由現(xiàn)場實際測量，故障點在轉(zhuǎn)子勵端護環(huán)右側(cè)處（面向轉(zhuǎn)子勵端），并非汽端。

2.2.3 轉(zhuǎn)子匝間短路點故障性質(zhì)的判斷

根據(jù)推導(dǎo)公式（7），代入測量數(shù)據(jù)：

由計算結(jié)果可知：除去短路電流外，剩余電流僅占流過總電流的4.1%，短路電流為每匝線圈上流過總電流的95.9%，因此可得出結(jié)論：2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路屬于金屬性短路，與之前轉(zhuǎn)子RSO試驗的結(jié)論不謀而合。

2.2.4 故障處理

2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子送國內(nèi)某大型發(fā)電機制造廠拔掉勵側(cè)護環(huán)后，在未解體轉(zhuǎn)子線棒前進行檢查時，取出端部墊塊，用絕緣楔形塊撐開3號線圈5-6匝之間的拐彎處，再用檢查鏡直接查看，果然發(fā)現(xiàn)此處粘連有一顆米粒大小的銅渣，其故障部位與上述定位分析完全吻合，計算值與實際短路點相差僅15mm。將該銅渣清除后，故障現(xiàn)象立即消除。修復(fù)后進行系列電氣試驗，數(shù)據(jù)均顯示合格。

3 小結(jié)

轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗和功率損耗、轉(zhuǎn)子繞組極平衡試驗等是發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間故障的常規(guī)試驗。這些試驗可作為發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障的參考判據(jù)，但無法實現(xiàn)故障點的定位。

RSO測試能快速有效發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路故障。只需在停盤車狀態(tài)下就可實施較為準(zhǔn)確測量。因此在常規(guī)試驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間絕緣存在缺陷后，利用轉(zhuǎn)子RSO試驗，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障進行診斷，并初步定位故障點位置。

結(jié)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點，通過線圈和匝間直流電壓分布試驗法，采用直流法匝間短路位置計算公式，可以實現(xiàn)故障點的精準(zhǔn)定量計算和定位。通過測量數(shù)據(jù)可以找出轉(zhuǎn)子匝間短路的具體槽號、匝數(shù)，再結(jié)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、尺寸，通過試驗數(shù)據(jù)的計算，最終定位出轉(zhuǎn)子匝間短路的具體位置。

匝短故障發(fā)生在轉(zhuǎn)子的不同部位，其處理方案和處理成本就可能會有很大的差異。如果能事先確定故障點的部位，就可以使電廠科學(xué)合理地、有針對性地制定后續(xù)的工作方案。作為一個成功的經(jīng)驗和經(jīng)典案例，該故障點的現(xiàn)場精確定位法，不但為轉(zhuǎn)子的故障定量分析和處理提供了充足的依據(jù)，并由此能以較小的成本進行快速修復(fù)，從而節(jié)省大量的人力、物力和財力，挽回巨大的經(jīng)濟損失，而且不用先拆護環(huán)進行檢測，十分簡便快捷，實用有效。

[1]DL/T 596-2005, 電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程[S].

[2]GB 50150-2006, 電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)[S].