1 000 MW汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断与分析

尹文俊，李 挺

(1.广州粤能电力科技开发有限公司，广东 广州 510000;2.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

0 引言

转子作为构成发电机两大部件之一，由于工作在高速旋转的状态下，同时受到机、电、热等多种复杂因素的影响，其故障分析诊断技术比较复杂，一直是发电机检修技术的难点。近几年来，大型发电机转子频繁出现匝间短路故障，仅广东省在2010年中，就已经有近10台400 MW以上等级的发电机出现了匝间短路故障。转子早期匝间短路故障特征并不明显，如果匝间短路故障不能及时发现，则这类故障会产生很大的危害:短路点局部过热会导致绝缘烧损接地，线棒过热会导致变形或烧熔，进一步发展会造成烧坏护环、大轴磁化、或烧伤轴颈和轴瓦等，甚至会造成转子烧损事故，对发电任务造成巨大影响，给电厂造成巨额的经济损失。所以，转子匝间短路故障的早期检测是相当重要的[1]。

1 故障情况及诊断

1.1 故障情况

2012年某电厂进行查评工作时发现，4号发电机在运行中转子存在振动异常现象:主要表现在转子运行中振动幅值有些偏大，且与负荷、无功及励磁电流之间存在着较强的正相关性特征，故怀疑该转子存在匝间短路故障。

1.2 诊断过程

1.2.1 停机前的试验检测

为了检查是否存在故障隐患，利用停机的机会对转子进行了降速过程和盘车状态的交流阻抗及损耗试验和RSO试验。试验结果见表1、2，图1～3。

表1 转子动态交流阻抗及损耗试验结果 (下降过程)Tab.1 Rotor dynamic ac impedance and loss test results(down)

将表1中的试验数据以曲线的形式绘出来，如图1和图2所示。图1为阻抗随转速变化的关系曲线，图2为损耗随转速变化的关系曲线。

表2 转子动态交流阻抗及损耗试验结果 (盘车状态)Tab.2 Rotor dynamic ac impedance and loss test results(barring status)

图1 转子转速下降过程中交流阻抗随转速的变化曲线Fig.1 In the process of the rotor speed decreased ac impedance curve along with the change of rotating speed

图2 转子转速下降过程中损耗随转速的变化曲线Fig.2 Rotor speed in the process of falling loss curve along with the change of rotating speed

从图1和图2可以明显看出，在转子转速下降过程中，转子绕组的阻抗及损耗存在着一定的突变现象，表明转子绕组可能存在着不稳定的相对位移。

如表2交流阻抗及损耗试验结果所示，盘车状态与以往调试期间的数据相比较，目前4号发电机转子的交流阻抗变小了0.339 Ω，变化率为5.81%;损耗也由5 000 W增大为6 015.2 W，变化率为20.3%。由于转子冲转后的交流阻抗及损耗值均会有所变化，因此，表2中的数据变化是否属于冲转后的正常变化，或是由于其他原因(如匝间短路故障)引起的异常变化，尚且不能下定论[2，3]。

图3 转子盘车状态下的RSO试验结果Fig.3 Rotor disc car state RSO test results

RSO试验结果显示转子在盘车状态下内部不存在金属性或非金属性的匝间短路故障。由图3可以看到正负极两条响应曲线几乎完全重合，两条曲线的电压差几乎为一条电压为零的水平直线[4]。

1.2.2 大修期间的试验分析

为了进一步查明情况，在发电机大修期间又对转子进行了膛外的绝缘电阻、直流电阻、两极电压平衡、两极电压分布试验 (如表3～5)。

表3 转子绕组直流电阻测量结果Tab.3 Rotor disc car state RSO test results

表4 转子绕组两极电压平衡试验结果Tab.4 Rotor winding the voltage balance between test results

从表3，4结果显示，测量出的转子绕组直流电阻值与出厂值相比几乎一致，转子绕组两极电压差与最小值相比相差1.2%，也在合格范围内(根据JB/T 8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》，当差值小于3%时可认为转子不存在匝间短路故障)。直流电阻和两极电压分布试验通常都存在一定的局限性:无论机械式或电子式的直阻仪在测量直流电阻时都容易受接触导线的电阻和转子温度的影响，进而使测量结果存在一定的误差;而极平衡试验在当两极同时存在对称的匝间短路点时，电压也会接近相等。

表5 转子绕组交流电压分布试验结果 (试验电压:200.4 V)Tab.5 Rotor winding voltage distribution test results(test voltage:200.4 V)

最后通过做转子两极电压分部试验，以更全面地了解转子绕组短路情况。这种试验方法简单可靠，最近几年在广东省一些电厂中应用较多，并成功地检测出了数台发电机的转子匝间短路故障。把两极电压分布试验的结果 (表5)数据绘成曲线，如图4所示。正常情况下，两极的对应线圈上的电压是十分接近的。从图4可以观察到，3号线圈的两极电压曲线有所偏差，达到0.36 V。根据JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》中的有关规定，各对应线圈的电压差应不大于最大值的3%。3号线圈的电压差0.36 V与最大值相差2.7%，虽然没有超过标准值但已相当接近:说明极1的3号线圈匝间绝缘可能存在着一定程度的匝间短路隐患。

图4 转子两极绕组的交流电压分布曲线Fig.4 Ac voltage distribution curve of the rotor poles windings

1.2.3 发电机检修后运行情况

由于试验数据都在合格范围内，故此次检修未对转子进一步处理。发电机修后并网投运时继续观察了其运行情况 (如图5所示)，发现10号瓦 (定子励侧)的振动依然明显与负荷的变化成正相关性，其中Y轴方向振动偏大。这说明了转子的振动是受到不均匀的电磁力影响，且随着负荷的变化而变化 (负荷变化时励磁系统会自动调节转子电流的大小)，这也是匝间短路的典型特征[5～8]。

图5 4号发电机运行记录Fig.5 4#generator operation record

2 讨论

从试验结果来看，转子其内部不存在金属性的匝间短路故障，这与动态下的判断互相矛盾。其实，只要确认转子在动态下确实存在匝间短路动态特征，就不必怀疑静态下查不到匝间短路故障的诊断结论。发电机实际带负荷运行下，转子处于3 000 r/min的高速旋转中，转子绕组不仅承受着巨大的离心力的作用，同时还承受着巨大的电磁力、以及数kA励磁电流所产生的热应力(转子绕组会膨胀)的作用;因此，转子绕组同一线圈之间的各匝之间不仅受离心力作用被压得非常紧，而且相互之间可能还会有一定的相对位移。当转子处于盘车或者静止状态时，上述各种应力都会大大减弱甚至消失，原来由于离心力及热应力所造成的线圈之间的位移也完全可能发生显著的改变。因此，在转子带负荷运行状态下，因某两匝之间发生挤压摩擦造成匝间短路的故障，在不同转速或负载状态下可能会自行消除。

该机组转子在运行中振动幅度明显与负荷的变化呈正相关性，下降过程中的交流阻抗及损耗值存在着一定突变现象，膛外交流电压分布试验显示3号线圈的两极电压有明显偏差。所以可以认为虽然试验数据都在合格范围内，但综合来看转子依然存在一定的匝间短路隐患，短期内还未发展到故障阶段。此后在运行中需要继续关注转子的振动幅值和负荷 (励磁电流)变化的关系，检修时应做好试验记录并和历史试验数据相比较，若发现情况发生恶化应及时做进一步检测处理。

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