1000 MW汽轮发电机转子绕组匝间短路故障

尹文俊,王淑华

(1.广州粤能电力科技开发有限公司,广州 510000;2.武汉大学电气工程学院,武汉 430072)

1000 MW汽轮发电机转子绕组匝间短路故障

尹文俊1,王淑华2

(1.广州粤能电力科技开发有限公司,广州 510000;2.武汉大学电气工程学院,武汉 430072)

对某电厂1000MW汽轮发电机在运行过程中发现转子的轴振动异常为例进行了分析。在结合运行记录和大修试验检测的相关数据分析后,认为转子存在早期匝间短路隐患。就大型汽轮发电机转子绕组匝间故障诊断方法及存在的问题进行了研究。

汽轮发电机;转子绕组;匝间短路

1 前言

发电机转子是发电机的两大部件之一,由于工作在高速旋转的状态下,同时受到机、电、热等多种复杂因素的影响,其故障分析诊断技术比较复杂,一直是发电机检修技术的难点。

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,如果匝间短路故障不能及时发现,则这类故障会产生很大的危害,短路点局部过热会导致绝缘烧损接地、线棒过热会导致变形或烧熔,进一步发展会造成烧坏护环、大轴磁化,或烧伤轴颈和轴瓦等,甚至会造成转子烧损事故,转子匝间短路故障的早期检测是相当重要的[1]。

2 故障情况及诊断

2.1 故障情况

某电厂#4发电机在运行中转子存在振动异常现象。主要表现为转子运行中其振动幅值有些偏大,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,该机组利用停机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试验,试验数据绘制成曲线,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,在转子转速下降过程中,转子绕组的阻抗及损耗存在着一定的突变现象,表明转子绕组可能存在着不稳定的相对位移。

表1 转子动态交流阻抗及损耗试验结果 (盘车状态)

如表1交流阻抗及损耗试验结果所示,将盘车状态测试数据与该机组调试期间的数据相比较,发现4#发电机转子目前的交流阻抗变小了 (5.83-5.491)=0.339 Ω,变化率为5.81%;损耗也由5000 W增大为6015.2W,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1中的数据变化是否属于冲转后的正常变化,或是由于其它原因 (如匝间短路故障)引起的异常变化,尚且不能下定论[2-3]。

图3 转子盘车状态下的RSO试验结果

RSO试验结果显示转子在盘车状态下内部不存在金属性或非金属性的匝间短路故障,如图3,可以看到正、负极两条响应曲线几本完全重合,两条曲线的电压差几乎为一条电压为零的水平直线[4]。

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,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,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的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,而极平衡试验在当两极同时存在对称的匝间短路点,此时电压也会接近相等。

图4 转子两极绕组的交流电压分布曲线

最后通过做转子两极电压分部试验,可以更全面的了解转子绕组短路情况,把两极电压分布试验的结果的数据绘成曲线,如图4所示。正常情况下,两极的对应线圈上的电压是十分接近的。从图4可以看出,3号线圈的两极电压曲线有所偏差,达到 (13.13-12.77)=0.36V。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0.36V与最大值相差0.36/13.13=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进一步处理。发电机修后并网投运时继续观察了其运行情况 (如图5),发现10#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)。说明了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[5-8]。

图5 4#发电机运行记录

3 结束语

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开头说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。因为发电机实际带负荷运行下,转子处于3000 r/min的高速旋转中,转子绕组不仅承受着巨大的离心力的作用,同时还承受着巨大的电磁力、以及数千安培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。1000 MW机组转子在运行中振动幅度明显和负荷的变化呈正相关性,机组解列降速过程中的交流阻抗及损耗值存在着一定突变现象,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。所以我门认为虽然试验数据都在合格范围内,但综合分析可以看出：发电机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。

[1] 张征平,刘石,姚森敬,等.大型发电机转子故障分析与诊断 [M].北京：中国电力出版社,2011.

[2] 关建军.大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断研究 [J].大电机技术,2003,10(2)：18-27.

[3] 向保录,左国荣.发电机转子匝间短路试验数据分析 [J] .发电机设备,2009,23(4)：305-308.

[4] 袁亚伟.检测发电机转子匝间短路的RSO实验技术及其应用分析 [J].电气技术,2010,10(4)：25-27.

[5] 张征平.大型汽轮发电机转子匝间短路故障现状及其分析诊断 [C].电气新技术研讨会论文集,2011,10：124-134.

[6] 李鹏,张秀阁,代国超.转子匝间短路引起发电机组振动的分析及处理 [J].华中电力,2008,21(2)：8-10.

[7] 刘庆河.汽轮发电机转子绕组匝间短路的检测方法 [J].大电机技术,2004,18(4)：13-16.

[8] 万书亭,李和明,李永刚.转子匝间短路对发电机定转子振动特性的影响 [J].中国电机工程学报,2005,5(10)：122-123.

Analysis of the Inter-turn Short Circuit of 1000 MW Turbo Generator Windings

YIN Wenjun1,WANG Shuhua2
(1.Guangzhou Yueneng Power Technology Development Co.Ltd,Guangzhou 510000; 2.School of Electrical Engineering Wuhan University,Wuhan 430072)

The anomaly of roller vibration occurred on the windings of a 1000 MW operating turbo generator was analyzed as an example.With the recording data of operation and large-scale repairing,it is believed that an incipient fault of early-stage inter-turn short circuit existing on the windings.The main methods and its problems during diagnosing inter-turn problems of large turbo generator rotor windings was studied and discussed;it also provides related experience and reference for the studies of similar large turbo generator sets.

turbo generator;rotor windings;inter-turn short circuit

TK26

B

1006-7345(2014)03-0090-03

2013-08-03

尹文俊 (1988),男,助理工程师,主要从事高压电气设备的试验、故障分析及诊断方面工作 (e-mail)403751861@qq.com。

中央高校基本科研业务费专项基金 (武汉大学201120702020013)

王淑华 (1988),男,硕士研究生,研究方向为高压电气设备故障分析与诊断。