水轮发电机转子绕组匝间短路故障分析

梁晓东

摘要：转子绕组匝间短路故障在水轮机运行中较为常见，轻微匝间短路不会造成很大影响，但是任其发展会产生严重危害，必须做好此类故障检查、原因分析工作，并及时进行故障处理，切实保证水轮机安全可靠运行。本文首先分析了我国水力发电产业发展情况，明确了水轮发电机的重要地位及其安全、稳定运行的必要性;其后围绕转子绕组匝间短路故障危害及其原因进行了详细探讨，最后就某水电站发生的一起转子绕组匝间短路故障处理展开具体分析，以期可供参考。

Abstract： Turn to turn short circuit fault of rotor winding is common in the operation of hydraulic turbine. Slight turn to turn short circuit will not cause great influence， but it will cause serious harm if it is allowed to develop. Therefore， it is necessary to do a good job in the inspection and cause analysis of such faults， and deal with the faults in time， so as to ensure the safe and reliable operation of the turbine. This paper first analyzes the development of China's hydropower industry， defines the important position of hydrogenerator and the necessity of safe and stable operation; then， it discusses in detail the harm and causes of turn to turn short circuit fault of rotor winding， and finally analyzes the treatment of turn to turn short circuit fault of rotor winding in a hydropower station， so as to provide reference.

关键词：水轮发电机;转子;绕组匝间短路故障;危害;原因

Key words： hydrogenerator;rotor;winding turn to turn short circuit fault;harm;cause

中图分类号：TM312                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0207-03

0  引言

水作为清洁能源，具有环境影响小、发电成本低等优势，部分工程还具有改善区域交通、电力供应与经济的优点，备受区域发展重视。水轮发电机是水力发电的核心，其运行可靠性直接关系到水电系统的正常运行，影响区域电网供电质量，对此在不断增加电力装机容量的同时，必须关注机组运维与故障处理技术，本文主要以转子绕组匝间短路故障为研究对象展开详细论述。

1  水轮发电机概述

基于我国社会经济的快速发展，电力需求持续扩大，同时为实现绿色电力生产，各种水力、风力以及太阳能发电技术逐渐发展起来。21世纪以来，我国从经济建設、能源可持续供应、环境保护以及西部大开发等多方面考虑，决定率先发展水利事业，水力发电在各个区域快速铺开，如图1所示为2019年全国发电量构成占比情况，水电仅次于火电，占比在16%，因此水电站运行情况直接影响区域电网的供电可靠性。

结合相关数据统计显示，截至2019年底，全国发电装机容量201066万千瓦，其中，水电35640万千瓦，2009～2019年水电装机增长情况如图2所示。据统计，2020年6月底全国全口径水电装机容量达3.6亿千瓦，全国规模以上电厂水电发电4769亿千瓦时，水电设备利用小时1528小时。

水电站中，水轮发电机的主要任务是将水中能量转化为机械能、电能，其运行可靠性直接关系区域供电质量。由此，为保证区域供电稳定性，必须重视水轮发电机故障问题的分析与处理，通过现场检查及时判断故障原因，采取合理的维修措施，切实将故障影响范围控制在合理范围内，本文主要围绕转子绕组匝间短路故障展开详细论述。

2  水轮发电机转子绕组匝间短路故障原因分析

2.1 水轮发电机转子结构

水轮发电机可分为两部分，一是静止的定子，二是旋转的转子。其中，定子由铁芯、机座、线圈等组成，定子上安装三相绕组线圈，用以与转子感应磁场实现电磁能量的转换;转子由主轴、转子支架、磁极等组成，主要作用为提供励磁磁场，实现能量转化。

转子结构一旦产生故障，将直接导致整个机组出现运行事故，及时发现故障、查明故障、处理故障具有关键性意义。转子绕组匝间短路故障是一种较为常见的故障类型，本文主要围绕此类故障展开详细论述。

2.2 转子绕组匝间短路故障危害

水轮发电机运行中，转子不断运转，转子绕组多达几百、上千匝，而匝间绝缘厚度只有0.3～0.5mm，承受了绝大的作用力，加上一些生产加工质量问题的影响，极易产生匝间短路故障问题。如表1所示列举了国内几起转子绕组匝间短路故障情况。

结合上述故障实例分析显示，匝间短路故障发生后，主要表现为以下几种情况：

①励磁电流增大;

②无功功率输出减小;

③转子电磁力不平衡。

上述情况的出现，通常会导致机组出现较大振幅，问题较轻微时不会对机组稳定运行产生影响，但是若短路点存在局部过热的情况，将造成转子绕组接地绝缘破坏、引发接地故障，最终造成转子铁心损坏、转子大轴磁化以及轴颈/瓦损坏，这也就直接威胁到了机组运行的安全性。对此，必须重视匝间短路故障问题，一旦发现及时查明故障点并处理，保证机组稳定运行。

2.3 转子绕组匝间短路故障原因

在水轮发电机实际运行中，转子绕组匝间短路故障发生几率十分高，其原因众多，下文主要从制造、运行两大方面进行分析，具体如图3所示。

2.3.1 制造方面

水轮发电机制造中，转子自身存在质量缺陷，是导致转子绕组匝间短路故障出现的一大重要原因，经分析具体主要有以下几种情况：

①转子绕组下线整形时匝间绝缘受损;

②绕组导体铜毛刺、倒角未抛光;

③绕组端部接头、焊口整形不良;

④转子绕组层间、护环导电金属屑未清理。

上述问题的存在，均会导致水轮发电机运行期间转子绕组发生故障，引发严重后果。

2.3.2 运行方面

水轮发电机组长时间运行后，转子绕组长期承受着移位动态应力，极易出现各种变形、破坏的情况，包括：绕组变形、磨损;绕组局部过热，匝间绝缘被破坏等。此外，由于励磁绕组在外面，磁极间绝缘易潮湿、污秽易积聚键体附近，转子点焊键体检修时，若是掉落焊渣、焊锡，均会造成转子绕组匝间短路故障的出现。

3  实例探析水轮发电机转子绕组匝间短路故障处理

3.1 故障情况

本次发生故障的是水电站3#水轮发电机机组，长期运行后，此机组上导摆度呈现为逐年增大态势，2013年年度检修时，调整了机组的上导摆度，在并网的初期，机组的上导摆度检测显示合格，然而运行了一段时间以后，再次产生了超标的问题。

结合相关分析可知，发电机振动、摆度过大的原因主要分为两种，转子质量或是磁力不平衡。2015年机组检修时专门对3#发电机转子绕组进行了试验分析，试验数据如图4所示，经对比发现在同样的试验条件下，转子磁极绕组交流阻抗差异显著，部分磁极绕组的交流阻抗值低于正常值10%。由此，初步判断存在转子绕组匝间短路故障，进而导致转子出现磁力不平衡的情况。

3.2 转子绕组匝间短路故障处理

基本确定故障情况后，下一步就是快速处理故障，具体步骤如下：

①定位故障磁极编号，故障磁极线圈与相邻的正常磁极线圈交流阻抗数据应呈现为“V”形状态，对此结合图4分析可得，6、8、10、16、22、25、39号磁极均符合这一特征;27、28号磁极线圈交流阻抗十分低，虽然“V”形不明显，但是依旧存在故障的可能性。

②重点检查上述9个磁极，发现磁极线圈表面全部有灼伤痕迹。

③拆下磁极复测交流阻抗，测试数据如表2所示，在复测过程中，22号磁极表面处理后，交流阻抗恢复正常，其他全部都要返厂处理，由此也证明了前期判断的正确性。

④拆下的9个磁极线圈中，除了22号其余全部使用备品更换（备品试验合格），然后将故障磁极线圈返厂维修。

⑤磁极更换、连线后，在此进行交流阻抗测试，根据试验加过显示，在同样的试验电流下，此次测试属于与2004 年基本一致，具体如图5所示。

3.3 振摆超标故障处理

完成转子磁极线圈的更换后，还无法判断转子质量是否依旧不平衡，由此必须对3#机组进行动平衡试验：

①变励磁试验显示，电压不断变化情况下，上/下导摆度、上机架水平振动均呈现为随磁拉力的增大而小幅增加的情况，机组磁力不平衡;

②变转速试验显示，转速上升同时，上/下导摆度、上机架振动显著增大，质量不平衡情况依旧存在。

针对此情况，对转子进行约150kg配重处理，再次进行行动平衡试验显示，发电机空转、空载时振摆幅值明显下降，满足规范要求。

3.4 故障处理效果

本次故障处理后，3#发电机组运行稳定，未再出现振摆超标问题。

4  结语

综上所述，转子是水轮发电机的重要构成部分，一旦出现转子绕组匝间短路故障，故障极磁场削弱，直接导致转子故障侧单边的磁拉力降低，出现不平衡磁拉力，此情况严重时直接导致水轮发电机剧烈振动。基于此，在水轮机日常运行与检修管理中，必须要重视转子绕组匝间短路故障问题，及时检查、确定故障问题，做好处理，最大限度的减少故障停运时间，恢复水电站正常运行。

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