汽轮发电机短路诊断

引言

转子匝间短路是大型汽轮发电机常见的故障，对发电机的安全运行危害比较大。首先，匝间短路故障会引起转子异常振动或振动幅值超标，常常迫使发电机降负荷运行，时间越长，发电厂的电量损失就越大；其次，匝间短路点的高温有可能造成邻近的匝间绝缘垫条的损伤，引发更严重的匝间短路，并且可能引起转子绕组接地故障，甚至烧坏转子绕组或转子本体；另外，匝间短路还可能使转子大轴磁化，进一步加剧转子运行中的振动，可能损坏轴瓦或轴颈，并形成恶性循环，严重危及发电机的安全运行［1-5］。对大型发电机转子匝间短路故障进行准确的在线诊断一直是个难题，这主要是因为以往并不明确转子匝间短路故障的特征，而且如果因误判使机组停机检修，不仅会给电厂带来繁重的检修工作，也会给电厂带来很大的经济损失［6-8］。目前，对转子匝间短路进行在线诊断的方法主要是利用预先已在定子膛内安装好的气隙磁场探测线圈来进行的［9-11］。但由于发电机带实际负荷运行中，负荷电流存在一种去电枢磁势的作用，加上负荷电流的波动以及各种干扰的影响，使得探测线圈上感应得到的波形并不理想，波形畸变情况比较严重，往往不能用于匝间短路故障的准确判断［12］。实际上，为了从探测线圈上获得理想的波形，人们通常都是先将发电机停机，并将其出线端用母排短接后进行三相短路试验。在这种情况下，由于外界负荷的影响被消除了，就可以从探测线圈上获得理想的气隙磁场波形。不过，在严格意义上，这还不是真正的转子匝间短路故障“在线”诊断［13-16］。本文提出一种基于转子振动与励磁电流相关性的转子匝间短路故障在线诊断新方法。应用这一方法，可在无需干扰发电机正常运行的情况下，仅通过分析发电厂分布式控制系统DCS（DistributedControlSystem）中现有的转子振动与励磁电流数据曲线，就可以简单、快捷、准确地判断转子是否存在匝间短路故障，极大地提高了汽轮发电机转子匝间短路故障检测的效率和准确性，并彻底改变了转子匝间短路故障难以在线准确判断的局面，有助于发电厂合理地安排检修时间，确保发电机的安全运行。

1转子振动与励磁电流的关系

转子绕组正常时与有匝间短路故障时的磁场分布如图1所示。转子绕组无匝间短路故障时，两极绕组在空间的磁场分布也是完全对称的，如图1（a）所示。其在空间的磁感应强度呈正弦规律分布，如图2中的虚线所示［17］。当某个磁极绕组发生匝间短路时（例如图1中的S极），该磁极的有效绕组匝数要比未发生匝间短路时的有效绕组匝数少，因此，两极的有效绕组匝数不一致，从而引起两极磁场在空间中分布的不平衡，如图1（b）所示。这就直接导致了空间中磁感应强度的分布发生畸变，如图2中的实线所示。大型汽轮发电机转子匝间短路故障在线诊断方法张征平，刘石（广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）磁感应强度分布发生的畸变，将使转子运行中受到不平衡电磁力的作用。下面分析与该不平衡电磁力有关的因素。从图1（b）可见，由于在同一空间中穿过的磁通量相同，因此，可以得到关系式：其中，Nt为每极励磁线圈的总匝数；Ns为发生匝间短路的匝数。假定畸变后的磁感应强度分布仍接近于正弦波，那么转子受到的不平衡电磁力为：其中，F为不平衡电磁力，单位为N；BN和BS分别为N极和S极的磁感应强度，单位为T；μ0为空气磁导率，μ0=4π×10－7N／A2；L为转子导体的有效长度，R为转子锻件的半径，两者的单位均为m。其中，If为转子绕组的励磁电流，单位为A；δ为发电机转子和定子间的气隙距离，单位为m。将式（4）和式（5）代入式（3）中，由于除励磁电流If是可调节的变量以外，其他如L、R、Nt、δ等均为与转子绕组结构或气隙结构有关的参数，是已确定的恒定值，因此，由式（3）确定的不平衡电磁力F其实只与励磁电流If和Ns（β和θ等都是由Ns决定的）有关。因此，式（3）可以简单地写成：其中，λ表示将式（3）中的I2f提取出来后的计算值，它是一个定值。由式（6）可见，转子绕组内部发生匝间短路故障后，转子运行中受到的不平衡磁拉力的大小只与转子绕组中流过的励磁电流If有关，且与励磁电流If的平方成正比例关系。由此可见，转子内部发生匝间短路故障后，决定其所受不平衡电磁力大小的主要因素就是流过转子绕组的励磁电流。那么，在不平衡电磁力的作用下，转子振动的幅值与不平衡电磁力之间存在怎样的关系呢？大型汽轮发电机的转子在实际运行中，虽然是悬挂在发电机汽励两端的轴瓦上的，但在轴瓦与转轴之间有一层薄薄的油膜，这层薄薄的油膜不仅起到和密封的作用，同时还对转子起到支撑的作用。它依靠顶轴油系统产生的巨大压力，将重达近百吨的转子顶起来，使之不与轴瓦直接接触，防止运行中转轴与轴瓦发生碰磨而烧坏轴瓦或转轴的轴颈。因此，转子实际上是悬挂在油膜中的，可将其近似看成一个线性系统［18］。研究表明，在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在该部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，可表示为［18］：其中，Kc为部件静刚度；μ为动态放大系数；ω为激振力频率；ωn为转子固有频率；ε为阻尼系数。当转子在额定转速下运行时，通常动态放大系数μ都很小。由于转速恒定为3000r／min，由式（9）可知，μ也为一定值。式（6）中的电磁力F即式（7）中的激振力P，将式（6）、式（8）和式（9）代入式（7）中，可得到：由于K和μ均为定值，由式（10）可见，转子的振幅将只由励磁电流I2f决定，且与I2f成正比。至此，就从理论上揭示了内部存在匝间短路故障的发电机转子，其异常振动的幅值与励磁电流I2f之间存在着正相关性的关系。当然，这只是从理想的模型中得出的结论。实际上，转子运行中总是多少有一些振动的，因此，δ值总是在一定范围内波动，由式（4）和式（5）可知，BN和BS就会有波动，因此，造成转子受到的不平衡电磁拉力也会波动。另外，毕竟转轴通过油膜与轴瓦之间的配合关系，其在运行中不完全是一个标准的线性系统，并且与各种发电机型的设计、材质、装配工艺、顶轴油压的大小等都有关系，因此，由式（10）所描述的转子振幅与励磁电流的平方成正比的关系，还将受到来自实际系统中一定的非线性因素的影响［19］。不过，这些影响都不能改变转子发生匝间短路故障后，其振幅跟随励磁电流变化的内在规律，即只要转子内部存在着匝间短路故障，那么转子的轴振值就会随着励磁电流的变化而变化。因此，当检测到转子的轴振值与励磁电流之间存在着明显的正相关性或随动性时，就可以断定转子内部存在着匝间短路故障。

2实际案例分析

正常无匝间短路故障的转子在运行中，其汽励两端的轴振始终保持在一个比较稳定的振动水平上而不随励磁电流If的变化而变化，如图3和图4所示。图3是HY电厂1号发电机转子运行中，发电机励端的6号轴振与励磁电流的实时关系曲线，该转子内部绕组正常，不存在匝间短路故障。从图中可见，6号轴振（6X和6Y）运行中比较平稳。尽管励磁电流变化很大，但6号轴振并不随其变化。图4是JW电厂3号发电机运行中的转子轴振与励磁电流的关系曲线，从图中可见，汽端的7号轴振（7X和7Y）和励端的8号轴振（8X和8Y）的振动值都比较平稳。虽然励磁电流变化很频繁，但7号轴振和8号轴振都不随其变化。从图3、4可见，正常无匝间短路情况下，转子的轴振与励磁电流两者之间并无相关性。当转子内部的绕组出现匝间短路故障时，情况就会大不相同。图5是2009年3月SW电厂2号发电机转子出现异常振动后，转子振动与励磁电流的曲线。从图中可见，当励磁电流If的大小发生变化时，汽端的7号轴振（7Y）和励端的8号轴振（8Y）也发生着相同趋势的变化。7Y和8Y的波形与励磁电流的波形非常相似，也即7Y和8Y均与励磁电流之间保持着高度的正相关性。据此特征可判断该转子出现了匝间短路故障。于是，电厂停机将该转子抽出来进行仔细检查后发现，2号磁极（内环）的5号线圈上存在着稳定的金属性匝间短路故障。该转子后来返厂进行了解体处理。将5号线圈吊出槽外时，发现匝间短路点位于励侧端部左侧（从励侧向汽侧看），发生在2~3号匝之间的拐弯处，匝间绝缘垫条已烧穿，线棒上留有明显的烧痕，确定2号与3号匝之间发生了稳定的金属性匝间短路故障。2008年10月，ZH电厂2号发电机（600MW）运行中转子出现异常振动，从DCS上观察转子振动（5号和6号轴振）跟励磁电流等数据曲线，如图6所示。从图中可见，转子振动（5X、5Y、6X和6Y）与励磁电流之间均存在着明显的正相关性，因此，判断2号发电机转子存在匝间短路故障。随后，转子返厂进行处理。转子解体后，发现1号磁极的8号线圈的1~2号匝之间，因绝缘垫条损伤，造成上下两匝在边沿处短路。转子处理完毕回装入发电机定子膛内，启机运行后，转子振动与励磁电流之间的相关性消失，转子振动不再跟随励磁电流变化，如图7所示，转子振动恢复了正常。从上述实际的案例中可以发现，基于转子振动与励磁电流相关性的转子匝间短路故障在线诊断方法其实非常简单。该方法无需其他额外的仪器或设备，只需借助电厂现有的DCS设备，调出转子轴振与励磁电流的关系曲线，观察二者之间是否存在着正相关性即可。这一点对于电厂人员自行判断转子是否存在匝间短路故障，具有重要的指导意义。

3结论

a.深入分析了转子发生匝间短路故障后，其振动与励磁电流之间的关系，揭示出影响发电机转子振动的主要因素是流过转子线圈的励磁电流。b.在理论上证明了发电机转子发生匝间短路故障后，转子的异常振动与励磁电流之间必然存在着正相关的关系。因此，可以依据这一特征，对发生了异常振动的发电机转子进行转子匝间短路故障的在线诊断。c.基于转子振动与励磁电流之间相关性的转子匝间短路故障在线诊断方法，将转子动态下匝间短路的故障分析简单化。这对于用户自行判断转子是否存在匝间短路故障，具有重要的指导意义。d.本文提出的基于转子振动与励磁电流之间相关性的转子匝间短路故障在线诊断新方法，改变了大型汽轮发电机转子匝间短路故障在线诊断中故障特征模糊、分析过程复杂、诊断结果准确率低的困难局面，大幅提高了匝间短路故障在线诊断的效率及准确度。