关于水轮发电机整机交流阻抗无法判断转子绕组匝间短路问题的研究

鄢宜军，张晓霞，蒋 蒴

(国电大渡河检修安装有限公司，四川 乐山 614900)

随着大渡河流域水轮发电机组的大量投产，发电机转子绕组匝间短路的情况也日趋增多，具体的成因主要有两方面，一是制造原因：如制造的施工工艺不良，使得转子绕组在下线、整形等过程中，引起匝间绝缘损伤，又如转子绕组匝间绝缘材料中的金属颗粒刺穿匝间绝缘，导致绕组匝间短路；二是运行方面：在电、热、机械力等综合应力作用下，使得转子绕组出现变形或位移，引起匝间绝缘断裂、磨损，进而引起匝间短路。转子绕组出现严重匝间短路时，将引起转子绕组电流增大、温度升高、限制发电机的无功功率输出，也可能使得机组振动增加，定子电流谐波分量异常，甚至严重时引起非计划停机，严重影响电力生产安全[2]。因此能够及时准确的判断转子是否存在匝间短路显得尤为重要。转子绕组的匝间短路一般分为稳定(静态)和不稳定(动态)两种，本文主要讨论的水轮发电机组转子绕组匝间短路为稳定(静态)情形。

1 问题现象

某电站2号水轮发电机由东芝水电设备(杭州)有限公司生产，型号：SF165-66/13640，额定压：15.75 kV，额定电流：6 721 A，额定励磁电压：435 V，额定励磁电流：1 600 A，功率因数：0.9(滞后)，接线方式3Y，额定频率：50 Hz，额定转速：90.9 r/min。2019年1月，对2号水轮发电机进行B修(转子未吊出)，当进行转子交流阻抗试验时，发现一奇怪现象，转子整体的交流阻抗与以往数据进行比较几乎未出现任何变化。其历年具体数据如表1所示。

表1 某站2号发电机转子整体交流阻抗历年测量数值表

根据DL/T1768《旋转电机预防性试验规程》，转子绕组交流阻抗未出现显著变化的情形，故判断不存在匝间短路情况。但当电气一次人员将转子挡风板拆除后(注：必须拆除转子挡风板，方可进行单个磁极试验)，试验人员单独对每个磁极进行交流阻抗测试时，发现第36号磁极的交流阻抗较其他磁极阻抗出现了明显下降的情况。具体试验数据如表2所示。

表2 2019年1月某站2号发电机转子各磁极测量交流阻抗值 Ω

可发现，以36号磁极为转折点，与其相邻的几个磁极，交流阻抗出现稳定→降低→升高→稳定的情况，且36号磁极的交流阻抗较正常磁极的交流阻抗出现了明显降低情况[3]，说明磁极本身出现了异常。初步判断36号磁极存在匝间短路的情况。

2 原因分析及判断

2号水轮发电机组的转子绕组为显极式，由66个磁极构成，对其施加200 V工频交流电压时，因第36号转子存在匝间短路，使得流经短路匝的电流，是正常线圈电流的n倍(其中n为一个磁极线圈的总匝数)[2]，它有着强烈的去磁作用，使得线圈中的磁通量减少，根据公式L=φ/I(其中L为线圈电感量，φ为线圈的磁通量，I为线圈电流)可得，磁极的电感量将出现明显下降，再根据公式Z=R+jXL(Z线圈阻抗，R为线圈直流电阻，XL为线圈电抗)及公式XL=2πfL(f为电压电流频率)[4]，可以得出磁极的交流阻抗大大降低。因与相邻磁极构成磁通回路，在36号磁极出现磁通量减小的情况下，也使得相邻的两个磁极的磁通量降低，造成相邻磁极的交流阻抗(实测值)，也出现了明显降低的情况，但实际相邻的两个磁极并未发生匝间短路。故呈现出如上述表2的试验数据现象。

后续通过对36号磁极进行拆除分解，确实发现了其存在匝间短路故障点，也证实了依据试验数据的分析判断，36号磁极本身存在匝间短路的情况。这就要进一步分析，在确定36号磁极出现匝间短路的情况下，进行转子绕组整体交流阻抗试验时，交流阻抗值却与正常值(表3修复后的正常测试数据)比较，均未出现明显变化[5]。这极易导致试验人员出现误判，使得故障问题被掩盖。作者从以下两个方面进行分析判断，来解开出现这种情况的原因。

1)当一个磁极出现匝间短路时，对于上述66个磁极的转子绕组来说，其整体的交流阻抗下降值在3～4 Ω。相对于整体交流阻抗240 Ω左右来说，其变化率(约1.7%)太小，根据DL/T1768《旋转电机预防性试验规程》(当变化减小超过10%时，易引起注意)的规程判断，将会得出此转子不存在匝间短路的结论，极易引起故障漏判。

2)通常施加的工频交流电电压相同，进行交流阻抗的测量，并以此数据与历年数据进行比较、分析、判断。若某个磁极出现匝间短路，则阻抗降低，其分得的磁极电压将出现明显降低。这势必会导致其他正常磁极分得的电压升高，转子电流趋势增大的情况下，也使得正常磁极(除故障磁极相邻的两个磁极外)的磁场增大，正常磁极的交流阻抗出现了增大趋势[2]。从而部分抵消了因匝间短路磁极引起的交流阻抗值下降，也间接使得转子绕组的整体交流阻抗值将不会发生明显的变化。这也就说明转子整体的交流阻抗，在个别磁极出现匝间短路的情况下，仍不会出现显著降低的现象。

通过试验的具体数据也印证了上述的分析判断。如表3所示。

表3 某站2号发电机转子匝间短路修复(前、后)不同电压下交流阻抗对比数据表

从表3可以发现，转子绕组单个磁极出现匝间短路的情况下，在磁极进行修复前、后，其整体的交流阻抗几乎未出现变化，当试验电压加至250 V时，其交流阻抗出现了相等的情况。同时也可以明显看出，在磁极进行修复后，整体交流阻抗随电压的升高，而出现了增大的趋势。故前述的分析判断符合实际测量数据表现。也进一步说明，对于水轮发电机显极式转子绕组，通过整体的交流阻抗，无法准确判断转子绕组各个磁极是否出现匝间短路。而应更多的采用测量单个磁极的交流阻抗，通过各磁极间的交流阻抗比较，来判断转子绕组是否存在匝间短路的情况。

3 结 语

通过对其他类似电站且多台机组出现转子绕组匝间短路的数据对比，发现个别磁极出现匝间短路的情形下，其整体交流阻抗未出现明显变化。这也进一步证实了水轮发电机组转子绕组整体交流阻抗试验，无法有效发现转子单个磁极是否存在匝间短路，其检测的有效性、准确性较差。应更多的采用测量单个磁极的交流阻抗来判断转子绕组是否存在匝间短路的情况。通过此次的研究论证，对于加强水轮发电机转子绕组的匝间短路检测，起到了积极的意义，有效避免了以往单独依靠整体交流阻抗数据来判断转子绕组是否存在匝间短路，而引起的故障被掩盖。也给同业者在检测转子绕组是否存在匝间短路的方法使用上提供了参考价值。在保证电力设备安全可靠运行，故障的及时发现处理，起到了积极的作用。