大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障研究

摘要：發(fā)電機(jī)保持正常運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)乎機(jī)組的整體運(yùn)行價值，因此，為強(qiáng)化發(fā)電機(jī)故障分析能力，提升檢修維護(hù)效率，對大型發(fā)電機(jī)匝間短路故障不同分析方法展開研究，并以某公司1 000 MW發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障為例，針對發(fā)電機(jī)返廠檢修結(jié)果，分析判斷故障產(chǎn)生的各種因素，并對故障的分析和設(shè)備的檢修過程進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：大型發(fā)電機(jī)組；轉(zhuǎn)子繞組；匝間短路

中圖分類號：TM621.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.016

0" " 引言

在過去的20多年中，我國電力系統(tǒng)發(fā)展十分迅速，許多超超臨界大型發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，隨著電力市場需求側(cè)增長趨勢放緩，大型發(fā)電機(jī)組也開始參與深度調(diào)峰，在此過程中，發(fā)電機(jī)負(fù)荷頻繁大幅變化。因勵磁電壓和勵磁電流也隨著負(fù)荷發(fā)生變化，且轉(zhuǎn)子又存在匝間絕緣強(qiáng)度冗余小等因素，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障現(xiàn)象頻發(fā)。

發(fā)電機(jī)即使只發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，也會導(dǎo)致無功功率下降、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分布失衡、轉(zhuǎn)子勵磁電流大幅上升，進(jìn)一步使發(fā)電機(jī)振動明顯加大。掌握大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的不同分析判斷方法，深入研究分析匝間短路故障發(fā)生的根本原因，對判斷及預(yù)防轉(zhuǎn)子匝間短路故障意義重大。

1" " 轉(zhuǎn)子匝間短路故障檢測方法

1.1" " 轉(zhuǎn)子功率損耗和交流阻抗測試法

1.1.1" " 靜態(tài)測試

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在停止?fàn)顟B(tài)，分別測量在膛內(nèi)和膛外時的數(shù)據(jù)。

1.1.2" " 動態(tài)測試

在機(jī)組啟動期間，對照出廠記錄轉(zhuǎn)速，測量轉(zhuǎn)子對應(yīng)轉(zhuǎn)速下繞組的交流阻抗、絕緣電阻和功率損耗[1]。

1.1.3" " 判別原則

（1）與出廠或歷史測試記錄相比，損耗值上升大于10%，或交流阻抗值下降大于10%。

（2）與出廠或歷史測試記錄相比，在損耗值下降大于8%的同時，交流阻抗值上升大于8%。

（3）在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升或下降的過程中，同一電壓作用下?lián)p耗或交流阻抗值出現(xiàn)超過5%的變化。

1.1.4" " "注意事項(xiàng)

（1）為避免諧波分量對試驗(yàn)的干擾，應(yīng)采用線電壓作為試驗(yàn)電壓。

（2）試驗(yàn)峰值電壓不能大于轉(zhuǎn)子額定電壓值，動態(tài)測試時應(yīng)將發(fā)電機(jī)直流封母與勵磁系統(tǒng)的連接完全斷開。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機(jī)定子膛內(nèi)時，為避免定子線圈感應(yīng)電壓的影響，試驗(yàn)時應(yīng)解開定子繞組出線全部軟連接。

（4）在對水內(nèi)冷轉(zhuǎn)子測量或轉(zhuǎn)子存在一點(diǎn)接地時，試驗(yàn)電源不應(yīng)接地，否則應(yīng)接隔離變加壓，并將轉(zhuǎn)子大軸接地，以保障測試安全。

1.2" " 極間電壓法

在正常情況下，轉(zhuǎn)子兩極繞組有較好的對稱性，在轉(zhuǎn)子繞組通入勵磁電流后，定子繞組中才會產(chǎn)生均勻的電磁場。轉(zhuǎn)子繞組因平衡電磁力的作用而保持平穩(wěn)運(yùn)行，且保持較小振動值。因兩極有較好的對稱性，故轉(zhuǎn)子繞組中點(diǎn)相較于正、負(fù)極兩端的電壓降基本一致[2]。在轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路故障時，兩極對稱性被破壞，有效的勵磁繞組數(shù)量也不同，致使兩極繞組的中點(diǎn)相對正、負(fù)極的電位差發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路點(diǎn)的數(shù)量、嚴(yán)重程度和具體位置決定偏移量的大小。

測試方法：

（1）在轉(zhuǎn)子滑環(huán)或?qū)щ娐菟ㄌ幫ㄟ^調(diào)壓器給繞組施加工頻交流電壓，測試電壓幅值一般不小于220 V。

（2）使用包好絕緣的探針探入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)下測量極間電壓，并分別記錄下兩極電壓大小。

極間電壓測試結(jié)果分析：計算測得極間電壓不平衡度，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》規(guī)定，極間電壓的差值不大于3%，當(dāng)不平衡度超出3%，判定為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。

1.3" " 轉(zhuǎn)子繞組分布電壓法

本方法主要是通過測量轉(zhuǎn)子兩極各線圈的分布電壓，根據(jù)電壓的對稱性判斷是否存在匝間短路。如兩極各線圈對應(yīng)位置的電壓對稱性都比較好，則可判定轉(zhuǎn)子不存在匝間短路故障；如對稱性較差，則應(yīng)懷疑發(fā)生了匝間短路故障。通過測量和記錄轉(zhuǎn)子繞組兩極各線圈的電壓值，根據(jù)測量記錄結(jié)果，對兩極對應(yīng)線圈、同極相鄰線圈之間的電壓進(jìn)行比對，能夠準(zhǔn)確分辨出電壓值異常的線圈，并確定發(fā)生匝間短路故障的線圈編號。

測試方法：

（1）在轉(zhuǎn)子滑環(huán)或?qū)щ娐菟ㄌ幫ㄟ^調(diào)壓器給繞組施加工頻交流電壓，測試電壓幅值一般不小于220 V。

（2）使用包好絕緣的探針探入每極各個繞組測量位于護(hù)環(huán)下的底匝線圈和位于勵端緊靠護(hù)環(huán)的通風(fēng)孔頂匝線圈之間的電壓。

1.4" " 動態(tài)氣隙磁場線圈波形法

1.4.1" " 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙磁場

忽略定、轉(zhuǎn)子槽的影響，發(fā)電機(jī)主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高、氣隙均勻。氣隙磁場中鉸接定、轉(zhuǎn)子的磁通為基波主磁通。旋轉(zhuǎn)磁場由汽輪機(jī)帶至同步轉(zhuǎn)速，沿著氣隙圓周，該磁場的磁密波形接近正弦分布。除基波主磁通之外的諧波漏磁場及僅與轉(zhuǎn)子繞組鉸接的磁通，因兩者均未參與能量轉(zhuǎn)換，統(tǒng)稱漏磁通。

漏磁場是采用線圈波形法判斷繞組匝間短路故障的依據(jù)，在只和各槽本身鉸接的槽漏磁場中具有更好的判斷作用。槽漏磁場正比于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各槽的安匝數(shù)，其可形成轉(zhuǎn)子的齒諧波。如轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路，會使該匝磁極的磁動勢發(fā)生局部減弱，磁動勢的平均值和峰值減小。

1.4.2" " 匝間短路測試?yán)@組安裝

匝間短路測試探頭用電磁線繞制的小空心線圈，測試?yán)@組為徑向布置，必須保證測試?yán)@組的軸線與轉(zhuǎn)子徑向重合，固定安裝在發(fā)電機(jī)定子鐵芯膛內(nèi)氣隙中距轉(zhuǎn)子本體表面適當(dāng)距離，一般為氣隙的1/3，用于測量槽漏磁通密度。

1.4.3" " 判別方法

測量儀器最大垂直靈敏度應(yīng)小于5 mV，頻域帶寬高于20 MHz，阻抗值不小于10 MΩ。

發(fā)電機(jī)在帶載運(yùn)行或短路試驗(yàn)時，因轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)，其槽漏磁場不斷切割測試?yán)@組，測試儀器的測試?yán)@組上檢測到的電壓波形和槽漏磁場相關(guān)。如轉(zhuǎn)子未發(fā)生匝間短路故障，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的組裝結(jié)構(gòu)，能夠測得有對應(yīng)規(guī)律的一組電壓波形。當(dāng)轉(zhuǎn)子某一繞組發(fā)生匝間短路，因有效的工作線圈變少，其形成的磁場變?nèi)?，對?yīng)測試?yán)@組的電壓波形幅值也隨之變低[3]。

通過深入研究觀察該變化，即可判斷轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生了匝間短路故障，圖例如圖1所示。

從圖1（a）可以清晰地看出，波形1和波形2關(guān)于大齒成負(fù)對稱的關(guān)系，波形1和波形2均同時含有磁極1和磁極2各自一半的波形。此外，無匝間短路故障的轉(zhuǎn)子，波形中各個波頭的包絡(luò)分布總體呈現(xiàn)圓弧狀，各個波頭之間排列有序，且存在負(fù)對稱性。

從圖1（b）可知，與3、4號線圈相對應(yīng)的兩個波頭出現(xiàn)異常下陷，說明3、4號線圈發(fā)生匝間短路故障。

1.5" " 重復(fù)脈沖（RSO）法

重復(fù)脈沖法是基于行波技術(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的對稱性，同時在轉(zhuǎn)子繞組兩側(cè)的對稱位置注入兩路前沿陡峭的相同沖擊脈沖信號，并采集和分析其反射波信號，從而判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間絕緣缺陷或短路故障。

RSO試驗(yàn)儀測試波形中，脈沖上升沿的波峰點(diǎn)為有效波段起點(diǎn)，最低波谷點(diǎn)為其終點(diǎn)。

按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子每一極繞組中各線圈的總長度占該極全部線圈總長度的比例，將RSO試驗(yàn)儀檢測波形的有效段劃分為N個區(qū)域（N為轉(zhuǎn)子每一極繞組中的線圈數(shù)）。從左至右，與時間軸第1個區(qū)域?qū)?yīng)的波形段即為該極1號線圈所處的部位，時間軸第2個區(qū)域?qū)?yīng)的波形段即為該極2號線圈所處的部位，依次類推，確定好每極繞組全部線圈在檢測波形上所處的部位。

可將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈比作一條傳導(dǎo)導(dǎo)線，其絕緣性能和外形結(jié)構(gòu)決定傳播沖擊波的特性。在轉(zhuǎn)子滑環(huán)的一側(cè)加入沖擊波時，繞組波阻抗與沖擊波發(fā)生器內(nèi)阻共同決定沖擊波的幅值。沖擊波在繞組滑環(huán)兩側(cè)傳播的時間決定于其在繞組內(nèi)的傳遞速率和繞組的長度。

如轉(zhuǎn)子繞組無匝間短路故障，RSO測試儀采集檢測到的兩組反射波形完全重合，兩組波形的差值應(yīng)是一條平直線；如轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障，在信號的傳輸途經(jīng)上故障點(diǎn)將成為阻抗突變點(diǎn)，出現(xiàn)折射與反射現(xiàn)象，RSO測試儀采集檢測到的兩組反射波形不重合，匝間短路故障點(diǎn)就是不重合部位，且故障嚴(yán)重程度可由不重合部位波幅度的大小表示。

2" " 匝間短路故障案例分析

2022年2月，廣東某電廠3號發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)子檢修，采用極間電壓法對轉(zhuǎn)子進(jìn)行極間電壓試驗(yàn)時，在206 V試驗(yàn)電壓下，測得Ⅰ極極間電壓為107.8 V，Ⅱ極極間電壓為98.2 V，極間電壓不平衡度達(dá)到了8.91%。根據(jù)DL/T 1525—2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)極間電壓不平衡度超出3%時，可判定為轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。

為準(zhǔn)確判斷匝間短路故障點(diǎn)具體線圈位置，需進(jìn)一步采用轉(zhuǎn)子繞組分布電壓法分別測量轉(zhuǎn)子各個線圈的電壓，測得結(jié)果如表1所示。

測得Ⅱ極2#線圈電壓不平衡度達(dá)到75.2%，超出DL/T 1525—2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3%標(biāo)準(zhǔn)。

采用RSO法進(jìn)一步驗(yàn)證3號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路，試驗(yàn)波形如圖2所示。

試驗(yàn)波形顯示，RSO試驗(yàn)儀檢測到的兩組反射波形未發(fā)生重合，兩組波形的差值不是一條平直線，進(jìn)一步驗(yàn)證了存在轉(zhuǎn)子匝間短路故障現(xiàn)象。由圖可見波形不重合部位波幅較大，可見短路故障現(xiàn)象較為明顯。

3" " 結(jié)語

大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路現(xiàn)象由于頻繁發(fā)生、影響大、診斷難等原因，已成為影響發(fā)電廠機(jī)組安全運(yùn)行的巨大隱患。要對其進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，只依靠一種診斷方法或單一的監(jiān)測手段具有較大難度，本文詳細(xì)研究分析了匝間短路故障5種不同的檢測方法，并對測試過程和要點(diǎn)展開深入研究，對分析判斷大型機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障具有較大的借鑒意義。在此基礎(chǔ)上，采用不同方法對某電廠1 000 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障進(jìn)行了檢測、分析和判斷，并得出了可靠的結(jié)論，方法的實(shí)用性和可靠性得到了較好的印證和利用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張征平，劉石，姚森敬，等.大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析與診斷[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2] 郭永雄，沈文華.大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷及定位[J].廣東電力，2015，28（3）：9-11.

[3] 樊靜.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時的電磁場分析[D].保定：華北電力大學(xué)，2009.

收稿日期：2023-01-03

作者簡介：楊飛（1987—），男，江西贛州人，碩士研究生，工程師，主要從事電力工程電氣相關(guān)工作。