大型汽轮发电机转子匝间短路故障点现场定位与计算

刘 海 波

（珠海发电厂，广东 珠海 519050）

前言

发电机转子结构设计复杂，因制造、安装、运行、维护等原因，常发生匝间短路故障。发现、处理不及时会引起机组振动及转子绕组烧损。

国内外诊断发电机转子绕组匝间短路故障和位置的常用方法有测转子绕组的交流阻抗和功率损耗法、两极电压平衡法、探测线圈法等。这些方法存在无法准确定位诊断的缺点。而对于大型汽轮发电机来说，当发现转子绕组匝间短路故障，如能够尽早准确无误地计算和定位出转子绕组匝间缺陷点和绝缘情况，既可为之及时处理故障，同时也可避免故障的进一步发展和重大设备损坏事故发生，从而保证机组安全连续稳定运行。

本文通过对某电厂2号发电机转子绕组匝间短路故障快速诊断定位、计算分析，进行相关论述和探讨。

1 故障情况

某火力发电厂2号发电机为原美国西屋公司生产的水氢氢汽轮发电机，额定功率746MW，额定励磁电流6371A，额定励磁电压400V，采用自并励静态励磁。转子外径1168mm，本体长度6350mm。转子为2极，每极8个线圈，每个线圈6匝，共计32槽96匝线圈。转子采取轴向－径向通风，四级高压风扇及立式氢冷器置于汽端。该机组未装设转子绕组动态匝间短路在线监测装置。

该厂2号发电机2000年正式投运，于2009年12月机组小修期间，依照计划对转子进行电气预防性试验。常规试验情况具体如下。

1.1 直流电阻测试

换算至同一温度下，2009年12月所测的直流电阻值，与交接试验值相比，偏差0.83%＜2%，符合DL/T 596-2005标准。电力设备预防性试验规程要求：冷态下测量，与初次（交接或者大修）所测结果相比较，其差别一般不超过2%[1,2]。

1.2 膛内静态交流阻抗与功率损耗试验

当试验电压升至206.0V时，2号发电机转子的交流阻抗比2005年的历史数据阻抗下降了7.5%，而损耗则增大了9.83%。数据对比存在一定的变化，显示可能存在转子匝间绝缘故障。由于偏差不大，还不能成为判断转子绕组存在匝间短路故障的典型数据，只能作为分析转子绕组是否存在匝间短路故障的一种参考判据。

1.3 两极电压平衡试验

2号转子绕组两极之间的电压平衡度偏差达到11.0V，大大超出西屋公司的转子绕组极平衡试验的标准要求，即两极之间的电压平衡度偏差不得大于试验电压的2%。极平衡结果也符合匝间短路的故障特征。

1.4 RSO重复脉冲试验

当转子两极完全对称不存在匝间绝缘故障时，由转子两极注入的脉冲应是基本重叠的。合成的特性曲线应为一条近乎完全重合的曲线。电厂现场RSO试验波形结果如图1，其两极注入的脉冲信号曲线存在较大偏差，达150mV，初步判断，2号发电机组转子匝间绝缘不正常，在第三槽有一匝金属性短路。

图1 2号发电机转子RSO试验（抽转子前）

1.5 故障性质

在进行了转子绕组RSO试验、直流电阻、交流阻抗及损耗测量、极平衡试验等系列试验，对各项试验结果综合分析，数据一致表明2号发电机转子匝间绝缘存在异常现象，极1第3槽存在金属性的匝间短路故障。

2 故障点现场精确定位与计算

传统试验方法可对转子的故障进行定性的判断，却无法对故障点进行准确定位。在现场一旦确诊转子匝间短路故障后，接下来的首要任务就是实现故障的定位和准确计算，然后根据结果进行下一步对策制订和后续事项实施。

2.1 定位匝间短路的槽和匝号

转子匝间短路的定位，从故障所在线圈到定位故障所在的具体线匝，既可采用线圈和匝间交流分布法，也可采用直流电压法。考虑到交流法测量匝间电压分布时，绕组间存在互感的影响，对试验结果的判断会产生很大的干扰。直流法测量匝间短路时，不存在这样的问题。

由于该转子设计上采用半轴向通风结构形式，每个线圈的左右两侧都有12个通风孔，这12个通风孔位于转子本体中部，如图2所示。每个通风孔都对应了各自的某匝线棒的通风。通过这些通风孔，可以将探针插入到底部，测量得到极1绕组或极2绕组8组线圈各匝线棒的电压。

图2 转子绕组的半轴向通风结构

在发电机膛内未抽出转子前，为实现故障点的定位及测量数据便于分析，同时考虑测量人员安全，采用焊机给转子提供直流电，在转子二极导电螺钉之间输入不超过额定电压的直流量（50A），分别测量二极对应线圈的各匝间的电压降，通过对比两极线圈的压降，即可确定故障点存在的槽号及匝数。

测试时焊机施加的实测电流59.4A，直流电压2.307V。两极各线圈的相邻匝间电压测试数据见表1。表中“匝间电压”的测量部位，如“1-2”、“5-6”等，其“1”表示位于转子槽内顶部的线棒即顶匝，“6”表示位于转子槽内底部的线棒即底匝。

数据分析：表中列出了极1与极2的8组线圈各匝间的压降，对比数据不难发现：

（1）极1的3号线圈5-6匝间电压仅6.8V，明显低于极2的3号线圈5-6匝间电压26.1V；

（2）极1的4-5匝间电压21.1V，虽与极2的4-5匝间电压27.0V相差5.9V，但根据转子电流的方向不难发现，3号线圈的电流方向是由底匝（6匝）流入，顶匝（1匝）流出，极1的4-5匝压降低显然是被5-6匝的电压降拉低了。其他线圈匝间电压值基本一致。由此判断，转子极1的3号线圈5-6匝间发生了匝间短路。

2.2 转子匝间短路故障点的精确定位计算

在确认了转子匝间短路发生的槽号与匝数，但仍需确定匝间短路故障存在于转子某处具体位置。发电机转子励端、汽端及本体在结构上却存在着很大的差异，而正是这种差异，使得处理的复杂程度大相径庭。因此，为了便于制定转子后续处理方案，有必要对转子绕组发生匝间短路故障的部位进行准确的定位。

表1 2号发电机转子直流匝间电压分布试验测试部位/mV

发电机转子在没有任何匝间短路等异常状况时，转子两极绕组应是完全一致，两极具有良好的对称性。当转子匝间出现故障时，在转子二极通入电压，根据基尔霍夫电流定律，此时故障点电流的方向就产生了变化，由于线圈长度应与电位降成正比，按线匝长度的关系，经过计算可知短路点的位置，即可对故障点的定位，计算出故障点与测量点的距离。

2.2.1 直流法匝间短路位置计算公式推导

图3 转子一组线圈示意图

如图3，测量点3、4、5表示面向转子励端右侧中间出风孔编号，一匝线圈的长度为L，U56为短路匝的匝间电压，U45为顺着电流方向与短路匝相邻的匝间电压，U为正常的匝间电压，短路电流为IK，LK为短路点和测量点的距离，顺电流方向来看。

（1）测量点顺着电流方向与故障点的距离LK/L的公式推导

由公式（2）得：

将式（3）代入式（1）得

（2）判断转子匝间短路点故障性质(I-IK)/I的公式推导

将式（5）与式（6）相加，得

2.2.2 转子匝间短路点的精确计算实例

计算对象：该厂的2号发电机转子绕组。

根据推导公式（4），短路点距离测量点的距离：

由于3号线圈整个线圈的长度L为15m，根据LK/L=0.2239，已知L=15 m，那么短路匝距测量点的相对距离为3.36 m（顺电流方向），由于右侧电流方向为从汽端到励端，测点在转子右侧中部出风孔处，那么短路点应在测点位置向励端方向3.36m位置，由现场实际测量，故障点在转子励端护环右侧处（面向转子励端），并非汽端。

2.2.3 转子匝间短路点故障性质的判断

根据推导公式（7），代入测量数据：

由计算结果可知：除去短路电流外，剩余电流仅占流过总电流的4.1%，短路电流为每匝线圈上流过总电流的95.9%，因此可得出结论：2号发电机转子匝间短路属于金属性短路，与之前转子RSO试验的结论不谋而合。

2.2.4 故障处理

2号发电机转子送国内某大型发电机制造厂拔掉励侧护环后，在未解体转子线棒前进行检查时，取出端部垫块，用绝缘楔形块撑开3号线圈5-6匝之间的拐弯处，再用检查镜直接查看，果然发现此处粘连有一颗米粒大小的铜渣，其故障部位与上述定位分析完全吻合，计算值与实际短路点相差仅15mm。将该铜渣清除后，故障现象立即消除。修复后进行系列电气试验，数据均显示合格。

3 小结

转子绕组的交流阻抗和功率损耗、转子绕组极平衡试验等是发现转子匝间故障的常规试验。这些试验可作为发电机转子故障的参考判据，但无法实现故障点的定位。

RSO测试能快速有效发现转子匝间短路故障。只需在停盘车状态下就可实施较为准确测量。因此在常规试验发现转子匝间绝缘存在缺陷后，利用转子RSO试验，对发电机转子匝间短路故障进行诊断，并初步定位故障点位置。

结合转子结构特点，通过线圈和匝间直流电压分布试验法，采用直流法匝间短路位置计算公式，可以实现故障点的精准定量计算和定位。通过测量数据可以找出转子匝间短路的具体槽号、匝数，再结合转子结构、尺寸，通过试验数据的计算，最终定位出转子匝间短路的具体位置。

匝短故障发生在转子的不同部位，其处理方案和处理成本就可能会有很大的差异。如果能事先确定故障点的部位，就可以使电厂科学合理地、有针对性地制定后续的工作方案。作为一个成功的经验和经典案例，该故障点的现场精确定位法，不但为转子的故障定量分析和处理提供了充足的依据，并由此能以较小的成本进行快速修复，从而节省大量的人力、物力和财力，挽回巨大的经济损失，而且不用先拆护环进行检测，十分简便快捷，实用有效。

[1]DL/T 596-2005, 电力设备预防性试验规程[S].

[2]GB 50150-2006, 电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].