1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷與分析

尹文俊，李 挺

(1.廣州粵能電力科技開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510000;2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引言

轉(zhuǎn)子作為構(gòu)成發(fā)電機(jī)兩大部件之一，由于工作在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，同時受到機(jī)、電、熱等多種復(fù)雜因素的影響，其故障分析診斷技術(shù)比較復(fù)雜，一直是發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)的難點(diǎn)。近幾年來，大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)匝間短路故障，僅廣東省在2010年中，就已經(jīng)有近10臺400 MW以上等級的發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了匝間短路故障。轉(zhuǎn)子早期匝間短路故障特征并不明顯，如果匝間短路故障不能及時發(fā)現(xiàn)，則這類故障會產(chǎn)生很大的危害:短路點(diǎn)局部過熱會導(dǎo)致絕緣燒損接地，線棒過熱會導(dǎo)致變形或燒熔，進(jìn)一步發(fā)展會造成燒壞護(hù)環(huán)、大軸磁化、或燒傷軸頸和軸瓦等，甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子燒損事故，對發(fā)電任務(wù)造成巨大影響，給電廠造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失。所以，轉(zhuǎn)子匝間短路故障的早期檢測是相當(dāng)重要的[1]。

1 故障情況及診斷

1.1 故障情況

2012年某電廠進(jìn)行查評工作時發(fā)現(xiàn)，4號發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子存在振動異常現(xiàn)象:主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子運(yùn)行中振動幅值有些偏大，且與負(fù)荷、無功及勵磁電流之間存在著較強(qiáng)的正相關(guān)性特征，故懷疑該轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。

1.2 診斷過程

1.2.1 停機(jī)前的試驗(yàn)檢測

為了檢查是否存在故障隱患，利用停機(jī)的機(jī)會對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了降速過程和盤車狀態(tài)的交流阻抗及損耗試驗(yàn)和RSO試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1、2，圖1～3。

表1 轉(zhuǎn)子動態(tài)交流阻抗及損耗試驗(yàn)結(jié)果 (下降過程)Tab.1 Rotor dynamic ac impedance and loss test results(down)

將表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以曲線的形式繪出來，如圖1和圖2所示。圖1為阻抗隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線，圖2為損耗隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。

表2 轉(zhuǎn)子動態(tài)交流阻抗及損耗試驗(yàn)結(jié)果 (盤車狀態(tài))Tab.2 Rotor dynamic ac impedance and loss test results(barring status)

圖1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降過程中交流阻抗隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.1 In the process of the rotor speed decreased ac impedance curve along with the change of rotating speed

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降過程中損耗隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.2 Rotor speed in the process of falling loss curve along with the change of rotating speed

從圖1和圖2可以明顯看出，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降過程中，轉(zhuǎn)子繞組的阻抗及損耗存在著一定的突變現(xiàn)象，表明轉(zhuǎn)子繞組可能存在著不穩(wěn)定的相對位移。

如表2交流阻抗及損耗試驗(yàn)結(jié)果所示，盤車狀態(tài)與以往調(diào)試期間的數(shù)據(jù)相比較，目前4號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的交流阻抗變小了0.339 Ω，變化率為5.81%;損耗也由5 000 W增大為6 015.2 W，變化率為20.3%。由于轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)后的交流阻抗及損耗值均會有所變化，因此，表2中的數(shù)據(jù)變化是否屬于沖轉(zhuǎn)后的正常變化，或是由于其他原因(如匝間短路故障)引起的異常變化，尚且不能下定論[2，3]。

圖3 轉(zhuǎn)子盤車狀態(tài)下的RSO試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Rotor disc car state RSO test results

RSO試驗(yàn)結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子在盤車狀態(tài)下內(nèi)部不存在金屬性或非金屬性的匝間短路故障。由圖3可以看到正負(fù)極兩條響應(yīng)曲線幾乎完全重合，兩條曲線的電壓差幾乎為一條電壓為零的水平直線[4]。

1.2.2 大修期間的試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步查明情況，在發(fā)電機(jī)大修期間又對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了膛外的絕緣電阻、直流電阻、兩極電壓平衡、兩極電壓分布試驗(yàn) (如表3～5)。

表3 轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測量結(jié)果Tab.3 Rotor disc car state RSO test results

表4 轉(zhuǎn)子繞組兩極電壓平衡試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Rotor winding the voltage balance between test results

從表3，4結(jié)果顯示，測量出的轉(zhuǎn)子繞組直流電阻值與出廠值相比幾乎一致，轉(zhuǎn)子繞組兩極電壓差與最小值相比相差1.2%，也在合格范圍內(nèi)(根據(jù)JB/T 8446-2005《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》，當(dāng)差值小于3%時可認(rèn)為轉(zhuǎn)子不存在匝間短路故障)。直流電阻和兩極電壓分布試驗(yàn)通常都存在一定的局限性:無論機(jī)械式或電子式的直阻儀在測量直流電阻時都容易受接觸導(dǎo)線的電阻和轉(zhuǎn)子溫度的影響，進(jìn)而使測量結(jié)果存在一定的誤差;而極平衡試驗(yàn)在當(dāng)兩極同時存在對稱的匝間短路點(diǎn)時，電壓也會接近相等。

表5 轉(zhuǎn)子繞組交流電壓分布試驗(yàn)結(jié)果 (試驗(yàn)電壓:200.4 V)Tab.5 Rotor winding voltage distribution test results(test voltage:200.4 V)

最后通過做轉(zhuǎn)子兩極電壓分部試驗(yàn)，以更全面地了解轉(zhuǎn)子繞組短路情況。這種試驗(yàn)方法簡單可靠，最近幾年在廣東省一些電廠中應(yīng)用較多，并成功地檢測出了數(shù)臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障。把兩極電壓分布試驗(yàn)的結(jié)果 (表5)數(shù)據(jù)繪成曲線，如圖4所示。正常情況下，兩極的對應(yīng)線圈上的電壓是十分接近的。從圖4可以觀察到，3號線圈的兩極電壓曲線有所偏差，達(dá)到0.36 V。根據(jù)JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》中的有關(guān)規(guī)定，各對應(yīng)線圈的電壓差應(yīng)不大于最大值的3%。3號線圈的電壓差0.36 V與最大值相差2.7%，雖然沒有超過標(biāo)準(zhǔn)值但已相當(dāng)接近:說明極1的3號線圈匝間絕緣可能存在著一定程度的匝間短路隱患。

圖4 轉(zhuǎn)子兩極繞組的交流電壓分布曲線Fig.4 Ac voltage distribution curve of the rotor poles windings

1.2.3 發(fā)電機(jī)檢修后運(yùn)行情況

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)都在合格范圍內(nèi)，故此次檢修未對轉(zhuǎn)子進(jìn)一步處理。發(fā)電機(jī)修后并網(wǎng)投運(yùn)時繼續(xù)觀察了其運(yùn)行情況 (如圖5所示)，發(fā)現(xiàn)10號瓦 (定子勵側(cè))的振動依然明顯與負(fù)荷的變化成正相關(guān)性，其中Y軸方向振動偏大。這說明了轉(zhuǎn)子的振動是受到不均勻的電磁力影響，且隨著負(fù)荷的變化而變化 (負(fù)荷變化時勵磁系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小)，這也是匝間短路的典型特征[5～8]。

圖5 4號發(fā)電機(jī)運(yùn)行記錄Fig.5 4#generator operation record

2 討論

從試驗(yàn)結(jié)果來看，轉(zhuǎn)子其內(nèi)部不存在金屬性的匝間短路故障，這與動態(tài)下的判斷互相矛盾。其實(shí)，只要確認(rèn)轉(zhuǎn)子在動態(tài)下確實(shí)存在匝間短路動態(tài)特征，就不必懷疑靜態(tài)下查不到匝間短路故障的診斷結(jié)論。發(fā)電機(jī)實(shí)際帶負(fù)荷運(yùn)行下，轉(zhuǎn)子處于3 000 r/min的高速旋轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子繞組不僅承受著巨大的離心力的作用，同時還承受著巨大的電磁力、以及數(shù)kA勵磁電流所產(chǎn)生的熱應(yīng)力(轉(zhuǎn)子繞組會膨脹)的作用;因此，轉(zhuǎn)子繞組同一線圈之間的各匝之間不僅受離心力作用被壓得非常緊，而且相互之間可能還會有一定的相對位移。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于盤車或者靜止?fàn)顟B(tài)時，上述各種應(yīng)力都會大大減弱甚至消失，原來由于離心力及熱應(yīng)力所造成的線圈之間的位移也完全可能發(fā)生顯著的改變。因此，在轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，因某兩匝之間發(fā)生擠壓摩擦造成匝間短路的故障，在不同轉(zhuǎn)速或負(fù)載狀態(tài)下可能會自行消除。

該機(jī)組轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中振動幅度明顯與負(fù)荷的變化呈正相關(guān)性，下降過程中的交流阻抗及損耗值存在著一定突變現(xiàn)象，膛外交流電壓分布試驗(yàn)顯示3號線圈的兩極電壓有明顯偏差。所以可以認(rèn)為雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)都在合格范圍內(nèi)，但綜合來看轉(zhuǎn)子依然存在一定的匝間短路隱患，短期內(nèi)還未發(fā)展到故障階段。此后在運(yùn)行中需要繼續(xù)關(guān)注轉(zhuǎn)子的振動幅值和負(fù)荷 (勵磁電流)變化的關(guān)系，檢修時應(yīng)做好試驗(yàn)記錄并和歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，若發(fā)現(xiàn)情況發(fā)生惡化應(yīng)及時做進(jìn)一步檢測處理。

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