汽轮发电机转子匝间短路故障诊断及分析

摘 要： 本文主要以日立公司生产的600MW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介绍和分析，结合实际的运行经验， 就大型汽轮发电机转子绕组匝间故障诊断技术的特点及存在的问题进行了研究和探讨。

关键词：发电机 转子绕组 匝间短路 故障诊断 故障分析

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）10-0276-02

引言

汽轮发电机转子的匝间短路严重影响发电机的安全稳定运行，运行中造成励磁电流增大，输出无功功率减少。转子振动加剧、转轴轴电压增高等不良影响。如果对转子匝间短路故障不能及时发现， 则会产生很大的危害，短路点处的过热会导致绝缘损坏造成接地、线棒过热会引起局部变形或烧熔， 故障的进一步发展会造成大轴整体磁化，护环烧损， 或烧伤轴颈和轴瓦等， 甚至会造成转子烧损事故。所以。必须及时找出故障点，予以消除，这而解决这一问题，必须进行发电机转子匝间绕组短路故障的分析，并采用正确的处理方法。

一、发电机转子匝间短路的原因及分类

转子绕组发生匝间短路的原因，综合起来大概有制造和运行两个方面：

1.厂家制造工艺不良。如：端部垫块固定不牢，脱落端部绕组匝间短路；在转子绕组制造中，工作人员在下线、整形等工艺过程中，损坏了匝间绝缘；或绝缘材料中遗存有金属硬物（如铜线有硬块，毛刺），刺穿了匝间绝缘导致匝间短路。

2.转子在运行中在热、电、机械等综合应力作用下，其绕组就会产生位移﹑变形或端部绝缘垫块松动脱落，致使匝间绝缘磨损﹑断裂﹑脱落，或由于内部脏污等原因，造成转子一点或多点匝间短路。运行中检修残留异物堵塞通风孔引起高温造成匝间绝缘损坏引起匝间短路。运行年限长久，转子绝缘老化，也会造成匝间短路。

转子匝间短路的分类：转子绕组的匝间短路，按其短路的稳定性，可分为不稳定和稳定两种。所谓不稳定的匝间短路，则与转子的温度和转速等有关，也即在低转速、高转速、低温或高温时才发生的短路，或者在温度和转速同时作用下，才能出现的短路。而稳定的匝间短路是指此短路与转子的温度和转速等均无关的短路。

二、转子匝间短路的主要诊断方法及优缺点

1.比较直流电阻法

依据电力行业标准《电力设备预防性试验规程》中所规定，在交接和每次大、小修时，都要对转子绕组的直流电阻进行测量，测量标准是：测量值与初次（交接或大修）所测结果比较其差别一般不超过2%。理论上，当绕组发生匝间短路时，直流电阻会随之减小。但实际上，一般发电机转子绕组的总匝数较多，若其中只有少量匝数短路，即使测量很精确，直流电阻减小也可能不超过2%的标准。故此方法只有在短路匝数较多时方能奏效，因此，比较直流电阻法的判断是否有匝间短路灵敏度是很低的，不能作为判断转子匝间短路的主要方法，只能作为综合判断的方法之一。

2.交流阻抗及损耗测量法

依据电力行业标准《电力设备预防性试验规程》中所规定：阻抗和功率值自行规定，在相同试验条件下，与历年数值比较，不应有显著变化，相差10%应该引起注意。当转子绕组中发生匝间短路时，在交流电压作用下流过短路线匝中的电流，约比正常线匝中的电流大n（n 为一槽线圈总匝数）倍，并有强烈的去磁作用，并造成转子交流阻抗大大下降，功率损耗显著增加。本方法简便、实用、较灵敏，可以动态、静态下测量。但此方法因受多种因素影响，常常降低其试验结果的准确度，如试验时施加电压的大小，转子所处位置﹑电源频率﹑短路点接触电阻及短路线匝在槽内所处位置等. 所以此方法应并结合其他的测试方法，综合判断再作定论。

3.空载短路试验法

此方法是将空载电压及励磁电流、短路电流测量出来进行曲线绘制，与出厂的原始曲线进行比较，在短路匝数很少时，曲线变化甚微，不能明确判定是否存在匝间短路，只有在只有短路匝数较多时，试验曲线才有变化，所以判断比较粗略，只能作为综合判断的方法之一。

4.开口变压器法

开口变压器法的原理是在转子绕组中通人交流电后， 利用一只开口变压器依次测量转子各槽上漏磁通引起的感应电压。当短路线匝靠近槽底或槽的中部时， 开口变压器中所测得电压的数值将显著降低， 但短路线匝靠近槽楔下面时， 则不能发现，因此时感应电压反而增大。在具有铁磁性槽楔及槽楔下有磁性钢片时， 此法更不适用。

5.两极电压和分包压降法

在转子绕组中通人交流电， 测量转子二极电压。二极电压相等时说明转子不存在匝间短路， 不相等时说明存在匝间短路， 然后依次测量各个分包线圈的电压降。若测得电压降将显著减小， 那么此线圈存在短路。也就是分别测量各个分包线圈的交流阻抗。在实际中，通常都采用直流电压降法。将转子绕组中通人直流电，用接有毫伏表的探针， 依次测量分包短路线圈中各线匝间的电压降，若所测得的电压将显著减少，则此线匝短路 且越靠近短路点处的测得电压最低。对于绕线式和具有辐向通风孔的转子，可以很方便地使用此法进行测量， 而对于其它型式发电机转子只有在拆下护环时才能应用此法。

6.转子绕组匝间短路的RSO 重复脉冲检测法

RSO测试方法是由英国专家J.W.Wood在上世纪末提出来，并由NEIParsons公司在500MW发电机转子绕组上进行过实验应用。转子线圈RSO 检测技术的工作原理应用波过程理论（行波技术），其基本过程是采用双脉冲信号发生器对发电机转子两极同时施加一个前沿陡峭的冲击脉冲波。当脉冲波传播到阻抗突变点位置时会产生一个反射波和折射波，用双线录波器录得两组与正常回路无阻抗突变时不同的响应特性曲线。将这两组响应特性曲线做差得到差值波形。当测得正负两级脉冲响应特性曲线完全一致，即两条相应曲线应当完全重合，其相减波为一条直线，则表明转子线圈匝间绝缘正常，无存在匝间短路的可能，一旦两条相应曲线不能完全重合，相减波出现凸起，说明转子绕组匝间绝缘存在异常，可能存在匝间短路现象。在转子旋转时测试结果存在较大干扰，并且需要采取辅助手段才能实现短路缺陷的定位。

7.微分线圈动测法

这种方法最早是由美国的Albright提出来，它是将探测线圈安装在定子铁芯的空气间隙表面，线圈方向可以为径向放置和切向放置，这样可以测量磁通的径向分量和切向分量。其基本原理就是在发电机通励磁电流旋转时，通过探测线圈将发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后将探测微分信号引入示波器进行分析，通过对发电机转子线圈故障前后感应电动势波形对比分析（转子匝间短路前后波形不一致），即可诊断出转子绕组是否存在匝间短路故障，并根据波形可判断出故障槽的位置。这种方法不受外部条件及匝间故障点在槽中位置的影响，可信度较高，这种方法要求转子处于旋转状态下测量，所以在转子安装前和半成品时无法应用。

三、综合判断转子匝间故障实例分析

某厂2号发电机是日立生产的600MW发电机，04年12月投运，08年9月第一次大修，投运后发电机两端7、8号瓦振动比较大。邀请振动专家协助分析，一直未彻底解决。2号机安装在线转子匝间短路测量装置，2010年9月，该装置多次报警，其报警值为2.5%，其软件判断约为其软件判断约为2-3匝短路。2011年1月停机检修，机组停运前发电机励侧，汽侧振动都比较大。停机前发电机轴向的振动（Z向）已至130μm。600MW机组厂内限定负荷不超过420MW，严重影响出力和机组稳定运行。

发电机停机前后试验数据。

1.在线监测分析

2号机转子匝间短路在线监测报警

2010年9月，某厂2号机转子在匝间短路在线检测装置报警图如下：其报警值为2.5%，怀疑约为2-3匝短路。（本机组为原装日立机组，安装有进口的转子在匝间短路在线检测装置）

2.交流阻抗及功率损耗试验

从实验数据分析，功率损耗虽然未到规程规定注意值10%，但也增加了将近5%，阻抗降低了2%，分析认为，在形同条件下，功率损耗增大，阻抗降低，符合匝间短路的趋势分析。可能存在匝间短路，

3.RSO 试验及分析

2号机修前RSO实测图谱

1号机RSO实测图谱

5号机RSO实测图谱

由于第1次使用RSO试验，2号机组故障前没有原始图谱，只有对比同类型机组的图谱，故对比1、2、5号机图谱，2号机组频响曲线不重合，1、5号机组重合比较好，认定2号机有匝间短路故障，应该存在多处匝间短路点，但是每个短路点都不严重。

在厂家来人的指导和配合下，取下了转子两端的护环，想先通过测量交流分包压降，再一次确定匝间短路的具体匝数。

该机为日立600MW机组，每极7包，每包8匝线圈。对其进行两极电压试验：内环对中：93.8V，外环对中为94.6V，两级电压均衡，膛外交流阻抗变化不明显。

但测量分包压降中，第7包压降变化明显，比其他压降小得多，重点对第7包的匝间进行检查，对转子加100A直流，进行匝间短路定位试验，分别是励磁护环S极面第七包5-6匝（靠近护环为第一匝）和汽侧护环下N极面第七包5-6匝存在匝间短路。

经过检查具体部位：

汽侧7包N极面5-6匝之间发现有焊渣焊死在6匝上，造成5-6匝短路。

励侧S极面7包5-6匝间加垫绝缘后，该包故障消失。

复测分包压降发现汽侧端部S极面4包1-2匝间存在匝间短路，处理后消失对所判定的位置进行了重包绝缘。重包绝缘后又重新测量了交流分包压降，各包的变化趋势正常。经过检修处理后图谱

2号机检修后RSO实测图谱

检修后测量交流阻抗及功率损耗为-1.9%，功率损耗未-2%，机组启动后振动正常，转子匝间短路无报警。

四、结语

通过以上分析，发电机转子匝间短路需要综合分析，由于各种试验方法均有不同的影响因素和局限性，对判断结论造成影响。电机转子运行参数有可能作出匝间短路报警，不能灵敏反应转子绕组绝缘轻微劣化状态。轻微匝间短路时交流阻抗和直流电阻数据虽略有减小，但均在规程规定的范围，无法明确判断是否存在匝间短路，转子在膛外后进行的分包压降和两极电压法能反应匝间短路缺陷，并能初步定位包位置；RSO 诊断试验对高阻匝间短路有高灵敏度，当分包压降、两极电压和直流匝间压降都正常的情况下，RSO能正确判明存在高阻匝间短路缺陷。RSO诊断试验对绝缘缺陷的早期诊断具有优越性。可为电厂处理故障提供了充裕的准备时间。

参考文献

[1]《电气设备交接和预防性试验规程》华北电力集团公司.

[2]《高压电气设备试验方法》西南电业管理局试验研究所.

[3]《高压电气设备试验方法及诊断技术》电力工业部

作者简介：张盛（1972-），男，工程师，毕业于华北电力大学，现任内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司检修部电气队长。