大型发电机转子绕组匝间短路检测方法分析与探讨

王洪刚

【摘要】本文介绍了大型发电机转子绕组匝间短路故障的原因及分类，重点探讨转子匝间短路故障的常见检测方法，并根据某电厂历史上发生的转子接地事故介绍转子匝间短路检测方法的实际应用。

【关键词】转子绕组；匝间短路；检测方法

前言

随着我国电力工业的发展，目前汽轮发电机的功率越来越大，特别是新建超临界燃煤发电机组和核电机组，基本上都是100MW及以上，其汽轮发电机往往转速高，电压等级高，电流负荷大。由于发电机容量大，转速高，如果在设计和制造上存在不足，或者运行检修工艺不当，则转子出现问题几率就比较大。转子绕组出现的问题主要有接地、开路和匝间短路等故障，其中转子绕组的匝间短路故障占有非常大比例，严重影响各机组安全运行。

1、转子绕组匝间短路故障研究的意义

1）转子绕组匝间短路的危害

发电机组可以在转子绕组一点接地的情况下短时间运行。但如果出现第二点接地则会在绕组、大轴之间形成环流，影响磁场对称性，从而引起机组强烈振动和转子轴磁化。若故障得不到有效控制，短路点局部过热会导致绕组绝缘烧毁接地，线棒过热会导致变形或烧熔，甚至会造成转子烧毁事故。对机组的安全、稳定和经济运行构成巨大威胁。

2）匝间短路产生的原因

制作工艺不良

在下线、整形等工艺过程中损伤匝间绝缘；铜线有硬块、毛刺，也会造成匝间绝缘损伤。

运行中，在电、热和机械等综合应力的作用下，绕组产生变形、位移，造成匝间绝缘断裂、磨损、脱落。

异物进入。异物的危害体现在以下三个方面：金属性异物会造成线棒绝缘磨损，造成转子接地；油类脏污加速绝缘材料的化学性老化；异物堵塞风道引起局部过热，从而引发绝缘失效。

3） 匝间短路的分类

转子绕组的匝间短路，按其短路的稳定性可分为稳定和不稳定两种。所谓稳定的匝间短路是指这种短路与转子的转速和温度等均无关。而不稳定的匝间短路，则与转子的转速和温度等有关，以及在高转速、低转速、高温或低温时才发生短路，或者在转速和温度同时作用下才出现短路。稳定与不稳定的匝间短路往往是相互牵连的，稳定的非金属短路常常＼是不稳定的金属短路征兆，而不稳定的短路最后都会发生成稳定的短路。

2、发电机转子绕组匝间绝缘诊断方法

发电机转子绕组匝间绝缘的诊断策略主要体现在：转子绕组绝缘监测和转子绕组匝间短路点定位。绕组绝缘监测包括绕组绝缘在线监测和离线电气试验检查。在线监测手段主要包括：气隙波形探测线圈和转子接地保护继电器。离线电气试验检查方法主要包括：绕组直阻测量、转子交流阻抗试验等。绕组匝间短路点的定位手段主要有直流压降定位法、电桥法、RSO试验法、交流电压分布法等。

2.1转子绕组绝缘监测

2.1.1转子绕组绝缘在线监测

转子绕组绝缘监测包括气隙探测线圈和转子接地保护继电器

某电厂发电机组在定子14、29槽分别安装了气隙波形监测线圈，每个线圈由轴向和径向线圈组成并程垂直分布。漏磁切割线圈产生相应波形，通过检测波形的形状、幅值的变化来判断转子线圈匝间绝缘状况，测量波形如下所示：

13A-B 14A-B

15A-B 16A-B

波形判断依据如下：

a观察波形图与槽对应的各波峰的包络线是否连续平滑，凡在两各半周（指基波而言）的包络线对应各槽的波峰出现凹缩者，即认为对应的槽中存在短路匝。

b短路槽波峰凹缩时，同时与其相邻槽的波峰反而有所升高，凹缩的越深相邻槽的波峰越高，这是判断严重短路匝的一个特征。

c将测量波形与标准波形进行对照，判断有无匝间短路点存在。

转子接地故障监测继电器（在线）

某电厂机组转子接地报警继电器安装在正滑环上高阻接地，通过监测流经继电器的接地电流产生报警，接地电流报警值设定为30mA；某电厂发电机组接地保护继电器保护原理为：正常运行情况下，该继电器产生4.75Hz频率、8.5Vrms的交流低频电压信号，将该信号通过滤波电路接入转子。继电器通过电子探测回路来监测转子回路的对地绝缘电阻，当没有接地故障发生的情况下，8.5V电压维持在正常值，有故障发生，该电压发生变化，继电器动作。

2.1.2绕组离线电气试验检查

线圈直阻测量

直阻测量作为检查转子绕组是否寻在匝间短路的最基本方法。从理论上讲，当线圈存在匝间短路的情况下，线圈直阻会变小。但是由于转子绕组匝数较多，阻值较小，并受双臂电桥测量精度和误差限制，轻微的的匝间短路无法通过该方法准确判断，该法只能作为一种辅助性的检测手段。

交流阻抗试验

转子交流阻抗试验是一种检测绕组绝缘情况的常用手段，具有灵敏度高，判断较为准确的特点。试验过程中测量不同电流平台下的阻抗值进行绝缘情况分析。由于该检测方法易受外界因素如剩磁、转子位置等因素干扰，因此注重在外界条件相同情况下进行试验数据对比，从而判断绕组绝缘有无劣化趋势。

2.2转子绕组匝间短路点定位

直流压降定位法

直流压降定位法为绕组匝间短路故障点定位的常用方法，具有简单易行的特点，该法最大的优势在与能在转子转动的情况下进行，通过测量转子电压、转子绕组正负极电压判断故障点到端部的距离。

距正滑环L+= （1）

距负滑环L-=（2）

直流压降定位法能迅速判断故障点距端部的相对距离，但无法准确定位其所在的匝数。

电桥定位法

电桥定位法与直流压降定位法原理相同在发电机转子静止状态下，采用电桥法测量发电机转子接地故障点位置。测试方法如图所示，对发电机转子线圈施加一直流电流，调节滑线电阻器至电流表指示为零，测量滑线电阻器R1、R2的电阻值。

距正极L+=（3）

距负极L-=（4）

电桥定位法能判断故障点距端部的相对距离，但无法准确定位其所在的匝数。

RSO试验法

RSO测试方法是一种使用方便、灵敏度极高，判断较准确的无损检测新方法，它适用于分析发电机转子匝间金属性或非金属性短路故障，可以早期发现转子绝缘的潜在性故障。

RSO试验应用的是波过程理论（行波技术），在转子绕组的两端同时注入一个连续的前沿陡峭的低电压（5-10V）脉冲波。当脉冲在转子绕组传播时，一旦遇到任何在绕组的特性阻抗上有不连续的地方，就会产生一个反射脉冲，反射脉冲会重新回到注入点，示波器监视注入点的电压显示为注入波与反射波的合成波形。通过分析比较在转子线圈两端测得的合成波形的延时和电压幅值，来判断故障部位和故障电阻大小。

某电厂2号机组在大修时，测量转子的RSO试验，发现转子有匝间短路现象，如下图所示：

由故障点计算公式，T≈t≈20μs，因此故障点约在转子线圈的中间位置，即在负极的8号线圈上。

根据转子两极线圈的对称性，当发电机转子线圈一极的匝间绝缘发生短路时，若与之对称的发电机转子线圈另一极同时短路，则两线圈短路点的对地电容电感变化相同（即发电机转子线圈两极阻抗变化相同），依据RSO试验原理，RSO的高频脉冲信号在两极线圈的衰减相同，信号波形完全重叠。

鉴于此，我们在发电机转子线圈0PP-Z极第八槽各匝间不同位置进行人为的模拟匝间短路，当模拟短路位置在发电机转子OPP-Z极第八槽汽端第6-7匝间时，RSO的高频脉冲信号波形在同一位置发生反向变化，由此可以判断发电机转子线圈匝间绝缘缺陷发生在发电机转子Z极第八槽汽端第6-7匝间，波形如下图所示：

交（直）流电压分布法

交（直）流电压分布法是根据转子绕组电压的线性分布，向绕组中通入一定电流，

通过测量每槽线圈对地及同槽匝间电压对故障点进行定位。在绕组无匝间短路时，槽内匝间电压呈线性分布。

交（直）流电压分布测试图

电压分布数据及图示

3、实例应用转子绕组匝间短路故障点定位

某电厂2号主变B、C两相匝间短路，对发电机转子造成较大冲击。启机并网过程中出现转子接地报警，停机处理。转子护环拔出后发现，转子端部绕组有烧损现象。

绕组短路故障点性质判断及定位

1）绕组绝缘电阻测量

在发电机组与电网解列后，电气处为判断发电机转子接地故障点的性质，在发电机转子不同转速下，对发电机转子线圈的绝缘电阻进行测量，测量结果如上表。

从测量结果分析发电机转子接地点为不稳定的非金属接地故障。

2）直流压降法定位

在发电机组与电网解列后，为查找发电机转子接地点的位置，在发电机转子转速3000n/s下，电气处用自制工具对发电机转子滑环电压进行测量，测量结果如下：

从测量结果分析，发电机转子接地点的位置为：

距正滑环L+=

距负滑环L-=

根据发电机转子的几何尺寸分析，发电机转子接地故障点的位置在发电机转子线圈的中部偏负滑环处，即发电机转子线棒的第八、二十五槽上，因为发电机转子接地点为不稳定的非金属接地，故发电机转子接地点位置不能准确定位。

3）电桥法定位法

在发电机转子静止状态下，采用电桥法测量发电机转子接地故障点位置。测试方法如图所示，对发电机转子线圈施加一直流电流，调节滑线电阻器至电流表指示为零，测量滑线电阻器R1、R2的电阻值，R1=4.1Ω，R2=3.1Ω；

从测量的结果分析，发电机转子接地点的位置为：

距正极L+=

距负极L-=

根据发电机转子的几何尺寸分析，发电机转子接地故障点的位置在发电机转子线圈的中部偏负极处，即发电机转子线棒的第八、二十五槽上。

4）直流电压分布试验

为验证发电机转子接地点，在发电机转子护环拉出后，对发电机转子进行直流电压分布试验。如图所示，在发电机转子线圈上施加一个2.09V，22A的直流电压，首先测量每槽线棒对地电压分布，测量结果如下：

从电压分布上分析，发电机转子接地点在Z8槽线棒上。测量Z8槽线棒对地电压分布如下：

从电压分布上分析，发电机转子接地点在Z8槽线棒D点的第二匝上，即发电机转子第二十五槽汽端槽口处，其位置与击穿点位置相同。

为了进一步判断其他匝间短路点存在，将故障线棒抬出后进行了交流耐压试验，判断出除Z8槽线棒上的短路点外，还有其他一短路点。

5）交流电压分布试验

为确定发电机转子线圈故障位置，对发电机转子线圈进行交流电压分布试验。如图所示，在发电机转子线圈上施加一个16.14V、4A的交流电压，首先测量每槽线棒的电压分布，测量结果如下：

从电压分上分析，发电机转子故障点在OPP Z极的第七槽线棒上。测量OPP Z极第七槽线棒电压分布如下：

从电压分布上分析，发电机转子故障点在OPP Z极第七槽线棒D点的第四、第五匝上，即发电机转子第二十三槽汽端槽口处的第四、第五匝上。

4、总结

发电机转子匝间短路是发电机的常见故障，对机组的安全运行有着较大危害。发电机转子匝间短路的诊断策略主要体现在匝间绝缘的在线监测及事故后故障点的快速准确查找。本文介绍了某电厂发电机组转子绕组匝间绝缘的在线监测手段，归纳了匝间短路故障点查找的常用方法。结合某电厂历史的转子绕组短路事故，介绍了匝间短路点定位方法的实际应用，希望对以后类似故障的处理有一定借鉴意义。

参考文献

[1]李建明，朱康主编.高压电气设备试验方法，四川省电力试验研究院

[2]付自清 编写.高压电机故障检测及维修.