电厂汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断研究

摘 要：本文对某电厂汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的检测和诊断方法进行了分析，为同类大型发电机组的运行检修工作积累了相关经验和提供了相应参考。

关键词：汽轮发电机；转子绕组；匝间短路；诊断；分析

中图分类号：TM311文献标识码： A

1、前言

近几年来，大型发电机转子频繁出现匝间短路故障。转子早期匝间短路故障特征并不明显，如不能及时发现, 则会产生很大的危害。短路点局部过热会导致绝缘烧损接地，线棒过热会导致其变形或烧熔，进一步发展会造成护环烧坏、大轴磁化或轴颈和轴瓦烧伤等，甚至会造成转子烧损事故，会对发电生产造成巨大影响，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。

2 发电机故障情况及诊断

2.1 故障情况

某电厂进行查评工作时发现4号发电机转子振动异常。主要表现在转子运行中振动幅值偏大，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，怀疑该转子存在匝间短路故障。

2.2 诊断过程

2.2.1 停机前的试验检测

为了检查是否存在故障隐患，利用该机组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( 重复脉冲波形法) 试验。

(1) 转速下降时的试验结果分析。在转速下降时，转子动态交流阻抗及损耗的试验结果如表1所示。

表1 转子动态交流阻抗及损耗试验结果

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 是阻抗随转速变化的关系曲线，图2 则是损耗随转速变化的关系曲线。

图1 转子转速下降过程中交流阻抗随转速的变化曲线

图2 转子转速下降过程中损耗随转速的变化曲线

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

(2) 盘车状态下的试验结果分析。在盘车状态下，转子动态交流阻抗及损耗的试验结果如表2 所示。

表2 转子动态交流阻抗及损耗试验结果

根据表2 可知，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已由原来的5.830 Ω 减小到5.491 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 中的数据变化究竟是属于冲转后的正常变化，还是由于其他原因( 如匝间短路故障) 引起的异常变化，尚且不能下定论。

2.2.2 大修期间的试验结果

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。试验结果如表3，4，5所示。

表3 转子绕组直流电阻测量结果

表4 转子绕组两极电压平衡试验结果

表3、4 中的数据显示，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)。但直流电阻和两极电压分布试验都存在一定的局限性，无论机械式或电子式直阻仪，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，使测量结果存在一定的误差。在极平衡试验时，若两极同时存在对称的匝间短路点，则电压也会接近相等。

表5 转子绕组交流电压分布试验结果

最后，通过做转子两极电压分布试验，可以更全面地了解转子绕组的短路情况。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 ) 绘成曲线，如图3所示。

图3 转子两极绕组的交流电压分布曲线

正常情况下，两极的对应线圈上的电压是十分接近的。从图3可以观察到，3 号线圈的两极电压有所偏差，达到( 13.13 V ～ 12.77 V)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为最大值的(0.36 V/13.13 V)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。

2.2.3 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做进一步处理。发电机修后并网投运时，继续观察其运行情况，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( 满负荷时达到113.8 μm)。这说明转子的振动是受到不均匀的电磁力影响，且随着励磁电流的变化而变化，这也是匝间短路的典型特征。

3、 结论

从试验结果来看，转子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如前述的匝间短路动态特征，就不必怀疑静态下查不到匝间短路故障的诊断结论。因为在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作用，同时还承受着巨大的电磁力，以及数千安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而压得非常紧，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部位，在不同转速或负载状态下可能会自行消除短路状态。

此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，在转速下降过程中交流阻抗及损耗值存在着一定的突变现象，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，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，只是短期内还未发展到故障阶段。