#3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路分析與判斷

王詩(shī)堯

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽(yáng) 522000）

0 引言

轉(zhuǎn)子匝間短路是大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見(jiàn)故障之一，轉(zhuǎn)子匝間短路會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害，容易使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的振動(dòng)[1]。本文分析的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子僅存在一處匝間短路點(diǎn)，暫未對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)及勵(lì)磁電流產(chǎn)生較大影響，但為了避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了修理，以保證其運(yùn)行狀態(tài)可靠。

1 檢測(cè)過(guò)程

2022年3月靖海電廠#3機(jī)組B級(jí)檢修，發(fā)電機(jī)檢修項(xiàng)目包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大修。在修前查閱#3發(fā)電機(jī)運(yùn)行記錄時(shí)，轉(zhuǎn)子的前后軸振并無(wú)明顯的振動(dòng)異常情況，其振動(dòng)隨負(fù)荷（400～1 000 MW）變化幅度約為30 μm（振幅在40～70 μm波動(dòng)）。結(jié)合勵(lì)磁電流與負(fù)荷情況綜合判斷，其振動(dòng)幅度與勵(lì)磁電流也無(wú)明顯的正相關(guān)性。

在例行預(yù)防性試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子兩極電壓存在不平衡現(xiàn)象，在總試驗(yàn)電壓200 V的情況下，正極電壓為104.7 V，負(fù)極電壓為95.3 V，偏差值達(dá)到最大電壓值的4.7%。根據(jù)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》，“6.1.4 判斷故障應(yīng)符合下列原則：a）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”，為此初步判斷該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在匝間短路現(xiàn)象。

目前，針對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的檢測(cè)，最靈敏、最準(zhǔn)確的方法為重復(fù)脈沖（RSO）檢測(cè)法[2]。因此，為準(zhǔn)確判斷該轉(zhuǎn)子內(nèi)部的匝間絕緣狀態(tài)，立即采用RSO檢測(cè)法進(jìn)行了轉(zhuǎn)子膛外靜態(tài)下的匝間短路故障檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子靜態(tài)RSO波形（膛外）

該轉(zhuǎn)子繞組共有兩個(gè)極，每極均有8個(gè)線(xiàn)圈。從圖1可以看出，正、負(fù)極兩條檢測(cè)曲線(xiàn)在從正峰值開(kāi)始的下降曲線(xiàn)段上出現(xiàn)兩個(gè)不吻合區(qū)域，即#1和#2不吻合區(qū)域。其中，#1不吻合區(qū)域?qū)?yīng)轉(zhuǎn)子的#2線(xiàn)圈，#2不吻合區(qū)域?qū)?yīng)轉(zhuǎn)子的#3線(xiàn)圈。#1不吻合區(qū)域中的最大偏差率達(dá)到33.3%，#2不吻合區(qū)域中的最大偏差率達(dá)到8.3%。根據(jù)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CSEE 0041—2017《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重復(fù)脈沖（RSO）試驗(yàn)導(dǎo)則》，#1、#2線(xiàn)圈不吻合區(qū)域偏差值不超過(guò)8%，#3及以后線(xiàn)圈不吻合區(qū)域偏差值不超過(guò)3%，兩個(gè)不吻合區(qū)域均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的要求，說(shuō)明該轉(zhuǎn)子在#1和#2不吻合區(qū)域均存在匝間短路故障。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的故障部位，現(xiàn)場(chǎng)還分別采用了交流和直流兩種方法對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行電壓分布試驗(yàn)[3]，其中交流電壓分布試驗(yàn)電壓為100 V，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子電壓交流分布數(shù)據(jù)

為了直觀分析表1中數(shù)據(jù)，將各線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)電壓分布以曲線(xiàn)形式表現(xiàn)出來(lái)，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子電壓交流分布

由圖2可見(jiàn)，#2線(xiàn)圈兩極電壓存在明顯的偏差，可以判斷#2線(xiàn)圈存在匝間短路故障，#3線(xiàn)圈兩極電壓較其他線(xiàn)圈無(wú)明顯偏差，需要繼續(xù)通過(guò)直流電壓分布試驗(yàn)來(lái)判斷。

直流電壓分布試驗(yàn)是在集電環(huán)兩極通入100 A電流，直流電壓5 V，直流分布電壓測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 直流分布電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

同樣，為了直觀分析表2中數(shù)據(jù)，將各線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)電壓分布以曲線(xiàn)形式表現(xiàn)出來(lái)，如圖3所示。

圖3 直流分布電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖3可見(jiàn)，兩極繞組的直流電壓分布曲線(xiàn)在#2線(xiàn)圈存在著明顯的偏差現(xiàn)象，但#3線(xiàn)圈上的電壓則完全吻合。另外，將圖3與圖2相對(duì)比，還發(fā)現(xiàn)圖3中兩條電壓分布曲線(xiàn)在#1線(xiàn)圈上也存在著顯著的偏差，這與RSO試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果有較大的出入。導(dǎo)致這一差異的原因主要是轉(zhuǎn)子內(nèi)、外兩個(gè)滑環(huán)與轉(zhuǎn)子軸頸中各自的導(dǎo)電桿連接螺釘處以及導(dǎo)電桿與#1線(xiàn)圈的大導(dǎo)電螺釘連接處的接觸電阻存在較大的差異。因此，這一般并不用于說(shuō)明#1線(xiàn)圈的匝間絕緣是否存在匝間短路故障。

綜合三種試驗(yàn)方法，可以判斷出#2線(xiàn)圈一定存在匝間短路故障，#3線(xiàn)圈僅在RSO檢測(cè)波形中存在問(wèn)題，在交直流電壓分布試驗(yàn)中并無(wú)問(wèn)題，原因?yàn)镽SO試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子兩極上同時(shí)施加一個(gè)前沿陡峭的重復(fù)脈沖信號(hào)，在脈沖信號(hào)途經(jīng)故障點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射和反射，由于RSO的脈沖信號(hào)在#2線(xiàn)圈故障點(diǎn)產(chǎn)生了折射、反射現(xiàn)象，后續(xù)的反射波信號(hào)也相應(yīng)受到了影響，因此判斷#3線(xiàn)圈位置的偏差為前面線(xiàn)圈信號(hào)反射所致。

2 原因分析

轉(zhuǎn)子返廠后，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了抬線(xiàn)圈檢查，找出了匝間短路點(diǎn)，在轉(zhuǎn)子負(fù)極#2線(xiàn)圈勵(lì)端端部第1匝與第2匝銅線(xiàn)邊緣發(fā)現(xiàn)明顯的燒傷痕跡，其余部位未發(fā)現(xiàn)明顯的匝間短路痕跡，可以確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果與檢查結(jié)果無(wú)誤。

而常見(jiàn)的引起轉(zhuǎn)子匝間短路的可能原因有如下幾點(diǎn)：

（1）線(xiàn)圈毛刺遺留。

如果是線(xiàn)圈的毛刺未清理干凈，轉(zhuǎn)子會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生匝間短路。而#3機(jī)組在前期檢修時(shí)，轉(zhuǎn)子電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，是合格的，且在修前查閱運(yùn)行時(shí)也無(wú)明顯的振動(dòng)偏大的情況。轉(zhuǎn)子已連續(xù)運(yùn)行9年左右，此種情況的可能性可以排除。

（2）匝間絕緣破損、移位。

在對(duì)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈的拆解過(guò)程中檢查匝間絕緣無(wú)移位，除匝間短路點(diǎn)處外，匝間絕緣無(wú)機(jī)械損傷痕跡，因此排除此種可能。但#3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各線(xiàn)圈不同匝均有不同程度的移位，由于線(xiàn)圈間僅靠幾厘米寬的橫軸墊塊間隔，橫軸墊塊并不能完全限制各線(xiàn)圈的移位，運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子以3 000 r/min的速度高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組各個(gè)線(xiàn)圈不僅要承受離心力的作用，還要承受超過(guò)4 000 A大電流的熱應(yīng)力，并且頻繁參與調(diào)峰運(yùn)行，負(fù)荷變化幅度大、速度快，勵(lì)磁電流頻繁變化，轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈膨脹量也隨之變化，各匝線(xiàn)圈之間的相對(duì)位置不斷發(fā)生變化，最終在長(zhǎng)期作用下形成不同的移位，此現(xiàn)象也容易導(dǎo)致匝間絕緣損傷。

（3）異物、粉塵、機(jī)內(nèi)進(jìn)油。

發(fā)電機(jī)在檢修或運(yùn)行期間，會(huì)由于各種因素導(dǎo)致異物、粉塵進(jìn)入機(jī)內(nèi)。運(yùn)行時(shí)在機(jī)內(nèi)進(jìn)油的情況下，異物、粉塵和油混合在一起形成油污，被冷卻風(fēng)吹粘附在銅線(xiàn)表面或匝間絕緣處并不斷堆積，最終造成線(xiàn)圈匝間絕緣破損放電或連通匝間絕緣，使上下匝銅線(xiàn)短接而出現(xiàn)放電擊穿匝間絕緣。從線(xiàn)圈端部的油污痕跡及短路點(diǎn)的位置看，此種可能性最大。而具體到#3機(jī)組轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子解體前靠護(hù)環(huán)端及靠護(hù)環(huán)本體表面和通風(fēng)孔內(nèi)有明顯的油污痕跡，尤其是轉(zhuǎn)子勵(lì)側(cè)；拔護(hù)環(huán)后，轉(zhuǎn)軸護(hù)環(huán)搭接面及轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈端部均有明顯的油污痕跡，尤其是勵(lì)側(cè)；匝間短路點(diǎn)處的匝間絕緣及周?chē)€(xiàn)圈上均有油污痕跡。在發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)油污堆積到一定程度，連通匝間絕緣使上下匝線(xiàn)圈短接而出現(xiàn)放電擊穿匝間絕緣，就會(huì)形成匝間短路。另外，由于#3發(fā)電機(jī)端部線(xiàn)圈匝間存在位移錯(cuò)位現(xiàn)象，含有異物的油污更容易粘附在線(xiàn)圈表面或匝間絕緣處，在發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，反復(fù)受到離心力的作用及負(fù)荷變化時(shí)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈膨脹收縮使線(xiàn)圈匝間含有異物的油污不斷受到摩擦擠壓，造成匝間絕緣磨損直至破壞，使上下匝線(xiàn)圈短接、放電，最終形成負(fù)極勵(lì)端端部#2線(xiàn)圈1～2匝間類(lèi)似的匝間短路。

3 結(jié)論

（1）常見(jiàn)的匝間短路機(jī)組在運(yùn)行中均會(huì)引起勵(lì)磁電流或振動(dòng)的異常，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電流和振動(dòng)幅值相關(guān)性的判斷，一般均可發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在匝間短路的故障。但本機(jī)組由于處于匝間短路的早期階段且僅有一個(gè)匝間短路點(diǎn)，故在運(yùn)行中并無(wú)明顯的表征現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，停機(jī)檢修時(shí)的預(yù)防性試驗(yàn)就具有關(guān)鍵性的作用。

（2）在機(jī)組檢修的過(guò)程中，可以利用重復(fù)脈沖（RSO）法、轉(zhuǎn)子交流電壓分布試驗(yàn)法、轉(zhuǎn)子直流電壓分布試驗(yàn)法等多種方法來(lái)判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路故障，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)匝間短路點(diǎn)的初步定位，同時(shí)幾種方法在結(jié)果上出現(xiàn)差異時(shí)可以結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，綜合判斷故障點(diǎn)的位置，使轉(zhuǎn)子在檢修時(shí)具有針對(duì)性，節(jié)約檢修工期。

（3）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的主要原因在于異物、粉塵、機(jī)內(nèi)進(jìn)油等，針對(duì)異物及粉塵，需要在檢修期間做好發(fā)電機(jī)內(nèi)部清掃，并防止異物留在發(fā)電機(jī)膛內(nèi)，在轉(zhuǎn)子抽出發(fā)電機(jī)膛內(nèi)后要做好包裹，防止在膛外進(jìn)行試驗(yàn)及放置時(shí)有異物進(jìn)入；針對(duì)油污問(wèn)題，要提高密封油氫差壓閥的控制技術(shù)水平，密封瓦采用接觸式油擋，減少運(yùn)行中的密封油霧飛入膛內(nèi)，發(fā)電機(jī)底部要定期進(jìn)行排油，減少膛內(nèi)油污累積。