一起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

近年來(lái)，由于制造、運(yùn)行等原因，大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)常發(fā)生匝間短路故障。輕微的匝間短路對(duì)運(yùn)行影響不大，但應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)機(jī)組的監(jiān)視。嚴(yán)重的匝間短路故障，會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流增大、轉(zhuǎn)子繞組溫度升高、無(wú)功功率受限［1］，甚至造成機(jī)組的振動(dòng)加劇，導(dǎo)致非計(jì)劃停運(yùn)事故。因此，當(dāng)發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí)，必須通過(guò)試驗(yàn)找出匝間短路點(diǎn)，并予以消除，使發(fā)電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。

1 故障檢測(cè)情況

山東某發(fā)電廠5號(hào)發(fā)電機(jī)為330 MW水氫氫冷卻方式發(fā)電機(jī)，2006年4月投產(chǎn)，已運(yùn)行11年。2017年5月，試驗(yàn)人員按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)5號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行大修的相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其有匝間短路的特征。

1.1 直流電阻法

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，交接和每次大修時(shí)，都應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻進(jìn)行測(cè)量，并與基值數(shù)據(jù)比較，其變化應(yīng)不超過(guò)2%，否則須查明變化的原因。直流電阻法靈敏度低［2］，據(jù)計(jì)算，僅當(dāng)繞組短路匝的數(shù)量超過(guò)總匝數(shù)的2%時(shí)，直流電阻值才會(huì)超過(guò)規(guī)定值。本次大修，用直流電阻測(cè)試儀對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了測(cè)試。本次測(cè)量電阻值R27=161.8 mΩ，換算至75℃值R75=192.6 mΩ，2014年7月15日測(cè)量電阻值R75=194.4 mΩ，變化率為-0.90%。轉(zhuǎn)子繞組直流電阻與上次測(cè)量值相比偏小，但未超過(guò)2%的標(biāo)準(zhǔn)，因此無(wú)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(yàn)

測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗是判斷有無(wú)匝間短路比較靈敏的方法之一。在交流電壓下，流經(jīng)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(qiáng)烈的去磁作用，并導(dǎo)致交流阻抗顯著下降，功率損耗明顯增加。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 交流阻抗與功率損耗測(cè)試結(jié)果

表1可看出，本次轉(zhuǎn)子交流阻抗與上次測(cè)量值相比下降了7.43%，功率損耗則增加了6.21%，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，具有匝間短路特征。

1.3 單開(kāi)口變壓器法

單開(kāi)口變壓器法是現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中通入交流電，轉(zhuǎn)子槽齒上便產(chǎn)生交變磁通。利用開(kāi)口變壓器和槽齒構(gòu)成閉合磁路，測(cè)量轉(zhuǎn)子各槽上漏磁通引起的感應(yīng)電壓及感應(yīng)電壓與電源電壓之間的夾角。若某一槽存在短路線匝，則開(kāi)口變壓器繞組的感應(yīng)電勢(shì)及相位將有明顯變化，通過(guò)比較各槽測(cè)量相位，即可判斷是否存在匝間短路。

表2 單開(kāi)口變壓器法測(cè)試感應(yīng)電勢(shì)相位

在外環(huán)（Ⅰ極）和內(nèi)環(huán)（Ⅱ極）上加100 V交流電壓，逐槽測(cè)量單開(kāi)口變壓器的感應(yīng)電勢(shì)相位如表2所示。

由表2可看出，9號(hào)和24號(hào)轉(zhuǎn)子槽感應(yīng)電勢(shì)相位與相鄰槽的相位相差150°以上。9號(hào)和24號(hào)槽中放置的線圈為Ⅱ極8號(hào)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(zhuǎn)子繞組的對(duì)稱(chēng)性來(lái)判斷是否存在匝間短路的檢測(cè)方法。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩個(gè)滑環(huán)施加100 V交流電壓，使用探針測(cè)量外環(huán)和內(nèi)環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)子極中點(diǎn)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》，極間電壓差超過(guò)最大電壓值的3%時(shí)，判定為存在匝間短路［3］。根據(jù)匝間短路特點(diǎn)可以判斷，故障點(diǎn)位于內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)的極上。

2 故障定位方法

2.1 線圈壓降法

在轉(zhuǎn)子兩滑環(huán)上施加200 V交流電壓，在轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)下，分別記錄兩極對(duì)應(yīng)線圈的電壓，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 線圈壓降法測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)位置線圈間的電壓差超過(guò)最大電壓值的3%時(shí)，判定為存在匝間短路。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可以判斷，內(nèi)環(huán)8號(hào)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(lái)進(jìn)行精確定位，確認(rèn)故障點(diǎn)在哪一匝［4］。具體方法是：在轉(zhuǎn)子繞組中，通入大小為5%～10%轉(zhuǎn)子額定電流的直流電流，電流波動(dòng)率不大于5%。用測(cè)量探針從汽側(cè)、勵(lì)側(cè)緊靠護(hù)環(huán)出風(fēng)區(qū)的風(fēng)孔探入，分別測(cè)量短路槽中線匝間的電壓。用直流電焊機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子施加20 A的直流電流，分別測(cè)量9號(hào)槽和24號(hào)槽對(duì)應(yīng)位置的各匝間的電壓值，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同位置匝間電壓值 mV

從表4可以看到，勵(lì)側(cè)9號(hào)槽的第一匝和第二匝之間電壓最低，只有4.5 mV，遠(yuǎn)低于其他位置測(cè)量的正常值。沿電流前進(jìn)方向，電壓差呈下降趨勢(shì)，表明短路點(diǎn)在測(cè)量位置的前方，由此判斷匝間短路點(diǎn)位于勵(lì)側(cè)9號(hào)槽的第一匝和第二匝間，位置為勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)下方。

2.3 拔開(kāi)護(hù)環(huán)后的檢查情況

拔下勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)側(cè)多個(gè)線圈端部拐角處出現(xiàn)變形，匝間有不同程度的錯(cuò)位。由圖1可看出，8號(hào)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(lái)，導(dǎo)致匝間短路。

圖1 勵(lì)側(cè)8號(hào)線圈發(fā)生嚴(yán)重變形

3 故障處理與分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子端部變形嚴(yán)重的線圈進(jìn)行局部整形處理。拆出轉(zhuǎn)子槽楔、阻尼繞組、楔下墊條、端部絕緣件，檢查線圈伸長(zhǎng)情況以及伸長(zhǎng)值進(jìn)行測(cè)量并記錄，根據(jù)線圈變形的實(shí)際情況，采用打磨或局部截?cái)嗟确绞綄?duì)線圈進(jìn)行整形處理，線圈整形后使線圈上下匝錯(cuò)位小于4 mm。對(duì)端部匝間絕緣進(jìn)行修整，恢復(fù)端部絕緣墊塊，端部絕緣墊塊使用更換后的加長(zhǎng)型。處理完畢后進(jìn)行通風(fēng)試驗(yàn)和電氣試驗(yàn)，包括絕緣電阻、直流電阻、交流阻抗及功率損耗測(cè)試、開(kāi)口變壓器測(cè)試、極間電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)合格后，套勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)，再次進(jìn)行以上電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。

從拔護(hù)環(huán)后的外觀檢查來(lái)看，轉(zhuǎn)子繞組端部塑性變形，頂匝線圈錯(cuò)位，將匝間絕緣硌破，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子匝間短路的直接原因。設(shè)備生產(chǎn)廠家轉(zhuǎn)子線圈熱處理工藝不良，造成線圈屈服強(qiáng)度或抗蠕變性能差，運(yùn)行中在離心力和熱膨脹共同作用下發(fā)生變形，致使匝間絕緣斷裂形成匝間短路。

4 結(jié)語(yǔ)

匝間短路是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見(jiàn)故障，測(cè)試方法也很多，以一起330 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，給出了匝間短路故障的檢測(cè)、診斷及精確定位的方法和過(guò)程。所用匝間短路定位方法簡(jiǎn)單實(shí)用，判斷出匝間短路故障部位后可以只拔故障側(cè)護(hù)環(huán)，大大縮短故障修理工期，提高了發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。