一起1000MW汽轮发电机转子匝间短路故障诊断分析

董 朋，袁 超，封建宝，吕建红，孙 鸣，刘 全



一起1000MW汽轮发电机转子匝间短路故障诊断分析

董 朋1，袁 超2，封建宝2，吕建红1，孙 鸣1，刘 全2

（1. 国华徐州发电有限公司，江苏 徐州 221100；2. 江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

近年来，江苏电网的装机容量已接近90GW，1000MW机组作为江苏电源的主力机组，其安全可靠运行对江苏电网至关重要。在某1000MW汽轮发电机的小修期间，通过交流阻抗和功率损耗试验怀疑转子绕组存在匝间短路故障，于是采用重复脉冲法、两极平衡法、线圈电压法进一步判断分析，判断出匝间短路点为P1极7号线圈。随后将该转子返厂解体后，发现7号线圈第3匝和第4匝之间绝缘碳化严重，经修复后转子正常投入运行。本文提出的综合判断匝间短路的方法对相关人员具有借鉴作用。

发电机；转子；匝间短路；重复脉冲法

0 前言

近年来，江苏省电网不断发展，电源的总装机容量已接近90GW，形成了“北电南送、西电东送”的格局以及“五纵五横”的主网构架。发电机作为电厂内最重要的电气设备之一，特别是超超临界的发电机组，其安全运行对电网可靠供电至关重要[1-4]。汽轮发电机的转子绕组常常会发生匝间短路的情况，其主要原因有两点：一是由于机组频繁起停中绕组受到巨大的离心力，使得匝间绝缘产生位移、变形或局部损坏；二是由于制造的工艺不精，绕组固定不牢、导条加工留存毛刺或凹凸不平，匝间绝缘偏出，异物进入，导致绝缘损坏[5-8]。

在发电机发生轻微匝间短路的初期，常常会因为故障特征不明显且对运行没有较大影响而被忽略，但久而久之，随着故障点的发展，气隙磁通波形会出现明显畸变，转子电流显著增加，绕组温度升高。如若转子匝间短路的严重程度增加，将会导致转子一点或多点接地故障发生，使得转子大轴磁化，严重者将烧损轴颈和轴瓦，对发电机组的安全运行构成巨大威胁[9-13]。

国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中也要求在发电机检修中通过探测线圈波形法、交流阻抗法或重复脉冲测试法进行动态及静态匝间短路检查试验。

本文针对一台1000MW发电机转子匝间短路故障，应用交流阻抗法、重复脉冲法、两极电压平衡法等方法综合诊断，并结合返厂解体检查情况对分析结果进行验证。

1 发电机参数和运行情况

某电厂2号汽轮发电机型号为THDF125/67，由上海电气电站设备有限公司生产制造，2011年出厂。发电机额定功率为1000MW，定子电压27kV，定子电流23778A。

该发电机自2011年12月投产以来，运行情况良好，未发生严重故障。2012年和2014年分别对发电机进行检修，根据转子交流阻抗试验结果未见明显异常。本次检修前，发电机运行情况稳定，励磁电流正常，轴振数据在合格范围内。2016年8月发电机进行C修，转子在膛内进行交流阻抗测量，发现与出厂试验数据相比，阻抗值降低6.26%，功率损耗增加5.6%，于是对发电机转子进行进一步诊断。

2 现场故障分析

2.1 直流电阻测试

转子直流电阻测试是检修试验和诊断试验中的常规项目，首先对该发电机进行转子直流电阻测试，并将测试结果换算至20℃时的值，见表1。

表1 发电机转子绕组直流电阻测试结果

从表1中的数据可知，同温度下的直流电阻值与出厂值相比，减小了0.3%，偏差不超过1%，小于标准中要求的与交接或出厂值比较差别不超过2%的要求，但这并不能完全说明转子绕组未发生匝间短路故障。转子绕组匝间短路故障仅为局部故障点的时候，其对直流电阻值的影响非常小，只有当短路匝数较多的时候，直流电阻值才会发生明显下降，该方法的灵敏度较低。因此若要判断匝间绝缘是否良好，需要进行多方法的综合判断。

2.2 交流阻抗和功率损耗试验

交流阻抗和功率损耗法是传统的转子绕组匝间短路判断分析方法。当发生故障后，绕组有效励磁线圈数减少，对于机组在同一运行状态下，阻抗值会降低，功率损耗会增加，但该方法测试时需排除转子周围铁磁性物质对结果的影响。本次检修的交流阻抗和功率损耗试验数据见表2。

从表2中数据可以看出：当外施交流电压为100V时，交流阻抗值降低5.7%，功率损耗增加5.8%；当电压升至160V时，交流阻抗值降低6%，功率损耗增加5.1%；当电压达到200V时，交流阻抗值降低7.4%，功率损耗增加4.4%。比较本次试验结果和出厂值来看，交流阻抗值明显降低，功率损耗在增加，转子发生匝间短路的可能性非常大，需进一步开展试验诊断。

表2 发电机交流阻抗和功率损耗试验结果

2.3 重复脉冲法检测

重复脉冲法（RSO）法是利用发电机转子绕组的对称性，通过注入重复脉冲并对响应信号进行采集分析，判断转子绕组匝间短路的检测方法[14-16]。转子绕组可以看成一条传输线，脉冲波在其上的传播特性受波阻抗的影响，如图1所示，当A点发生匝间短路后，该点的波阻抗会发生变化，1≠2脉冲波传输到A点后会发生折射和反射。

图1 脉冲波在匝间短路点传播示意图

折射系数和反射系数如式（1）：

由于匝间短路的程度和短路点位置的不同，那么从两极注入脉冲的响应信号也不同，因此信号叠加后会在波形上出现脉冲尖峰。图2为本次发电机重复脉冲法测试的波形。

从图2波形中可以看出，正、负极绕组的响应波形有一处位置明显不重合，差值出现0.3V左右的尖峰，且根据测试波形的响应时间，初步判断转子7号线圈绕组存在静态匝间短路。

2.4 极电压平衡法

转子绕组正常时，其两极间具有良好的对称性，若给两极施加交流电压，两极分别对极中点的电压应该是相等的。极电压平衡法能较为灵敏地发现转子匝间短路故障，其电压偏移大小取决于匝间短路故障的位置和严重程度。本台发电机的极电压平衡法试验数据见表3。

表3 发电机转子绕组极电压平衡试验结果

从表3中可以看出，两极电压的偏差达10.7V，是最大电压值的10.3%，根据标准中的规定，极间电压差超过最大电压值的3%时，可判定为匝间短路。根据前文中几种方法的测量结果可以综合判断出该发电机转子绕组中存在匝间短路故障。

2.5 线圈电压法

为进一步判断绕组匝间短路的位置，应用线圈电压法进行定位，给绕组两极间施加196.1V电压，转子P1、P2极各绕组间电压见表4。

表4 发电机转子绕组线圈电压法试验结果

根据表4中各线圈电压的测量数据，将其绘制成电压曲线，如图3所示。

从表4中的数据和图3中曲线的重合度可以看出，1~6号线圈电压值基本相同，偏差一般在0.1~0.2V左右，7号线圈两极绕组差值达9.4V，存在明显异常，初步可以判定7号线圈存在匝间短路的故障。

图3 转子两极各线圈电压曲线

3 返厂检查情况

为进一步检查确认发电机转子绕组匝间短路故障严重程度并对故障线圈进行修理更换，电厂将发电机运返制造厂。

转子拔掉护环后，进行匝间电压分布试验，在怀疑匝间短路的P1极7号线圈处，测量相邻两匝之间的电压差，分别记做12、23……67，如表5所示。

表5 发电机转子绕组匝间电压分布试验结果

根据匝间电压分布试验的结果，初步可以判断在P1极7号线圈第3匝和第4匝之间发生了短路。随后，拆除汽、励侧护环及汽测叶片、风扇座后，检查7号线圈第3匝和第4匝之间表面未发现短路点。褪焊P1极7号线圈端部上部3匝线圈，发现距槽口425mm处有故障点，疑似铁磁异物短路烧损点，匝间双层绝缘均已过热碳化，形成孔洞，如图4所示。

图4 转子两极各线圈电压曲线

解体检查发现的故障点与前文的分析诊断结果具有很好的一致性，进一步验证了几项试验的综合判断的准确性。

4 小结

（1）可参照DL/T1525标准中的要求采用交流阻抗和功率损耗法和重复脉冲法对转子绕组匝间短路早期潜伏性故障进行试验发现，怀疑有故障后需采用极电压平衡法、线圈电压法和匝间电压分布法进行综合分析诊断；

（2）在转子检修试验中，重复脉冲法较传统的交流阻抗法具有灵敏度高、可定位、操作便捷的优点，应按照《防止电力生产事故的二十五项重点要求》开展相关试验；

（3）匝间电压分布测量结果对于绕组匝间短路的定位十分有效，提高了故障诊断的准确性。

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Diagnosis and Analysis of Interturn Short Circuit Fault in Rotor of a 1000MWTurbine Generator

DONG Peng1, YUAN Chao2, FENG Jianbao2, LYU Jianhong1, SUN Ming1, LIU Quan2

(1.Guohua Xuzhou Power Generation Co., Ltd.,Xuzhou 221100, China;2. Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

In recent years, the installed capacity of Jiangsu power grid is close to 90 GW. 1000 MW generator as the main unit of Jiangsu power supply, it is very important for the safe and reliable operation of Jiangsu power grid. During the minor repair of a 1000 MW steam turbine generator, alternating current impedance and the power loss test indicatesthat rotor winding interturn short circuit fault exists, and by the methods of repetitive pulse, polar balance and coil voltage, the interturn short-circuit pointis located at P1-7 coil. Then the rotor is returned to the factory and disassembled, the insulation of coil 7 between turn 3 and 4 is carbonizingseriously. After repair mend, the rotor run normally and seriously.

generator; rotor; interturn short circuit; repetitive pulse method

TM307+.1

A

1000-3983(2018)03-0016-04

2017-08-16

董朋（1982-），2006年毕业于中国矿业大学电气工程专业，工程硕士学位，现从事火力发电厂电气技术管理工作，工程师。