600 MW机组发电机转子匝间短路分析与处理

黄 策，沈 迎

(国家能源费县发电有限公司，临沂 273425)

0 引 言

600 MW级火力发电机组由于发电机容量大， 转速高， 如果在设计和制造上存在不足，或者运行检修工艺不当， 则转子出现问题几率就比较大。转子绕组出现的问题主要有接地 、开路和匝间短路等故障， 其中转子绕组的匝间短路故障占有非常大比例[1]。轻微的转子匝间短路故障在开始阶段对发电机运行影响不大， 但如果发展成严重的匝间短路后， 会使励磁电流增大， 线棒过热会导致变形， 限制发电机无功功率， 电压波形畸变， 有时还会增加机组的振动幅值，甚至被迫停机， 故障的进一步发展会造成短路点局部过热会使绝缘烧毁接地、护环烧坏、大轴磁化， 甚至造成转子烧损事故[2-3]。因此完善优化设计、改进制造和检修工艺尽可能避免在非正常工况下长期运行， 就成为保障大型发电机组安全可靠运行的前提。近几年国家大力推进风电、光伏等新能源发电，电网对火力发电企业设备的可靠性、灵活性提出更高要求，频繁调频、调峰对大型火力发电机组安全运行的影响愈发明显[4-6]。近期大型发电机转子匝间短路故障率明显上升，本文针对某厂600 MW发电机转子匝间非金属性短路故障进行分析判断，根据故障情况，给出处理方案，确保发电机安全运行、故障处理两不误。

1 机组概况

某火力发电厂2×600 MW国产超临界燃煤发电机组发电机系西门子西屋公司生产600 MW隐极发电机，型号THDF118/56，额定电压20 kV，额定电流19245A，励磁方式自并励，冷却方式水氢氢，发电机转子有32槽，16个线圈，2007年7月投产发电，一直运行正常，期间按规程进行机组大小修。

2 故障判断及对策

2.1 发电机转子故障判断

2019年3月份，对该机组按计划进行A级检修，4月初，对发电机转子采用RD-1A转子匝间短路RSO分析仪进行静态波形(RSO)试验[7-8]。

2.1.1 两端同步激励法

试验模式选择“两端同步激励”，分析仪同时从两接线端发出激励信号，记录激励端的注入点波形，两端波形组合在同一时间轴显示，并生成特征波形，即两端波形之差，试验结果如图1所示。

图1 两端同步激励法试验波

由图1分析，两端波形在 7.43 μs(20.45%)处存0.16 V的凸起，两端注入波形一致性存在偏差。根据特征波形曲线，说明转子绕组的绝缘状态在Ⅱ极第 4 线圈存在匝间短路情况。为了进一步分析转子匝间短路严重程度，在转子励侧端部转子Ⅰ极及Ⅱ极第 4 线圈最内层处模拟同一线圈两匝之间金属性短路录得波形，如图2所示，特征波形幅值分别为 0.35 V和0.52 V，远大于图一波形的0.16 V。综上分析，怀疑转子绕组存在非金属性匝间短路。

图2 两端同步激励法模拟短路波形

2.1.2 轮换激励法

试验模式选择“轮换激励”，两端波形组合在同一时间轴显示，并生成特征波形，即两端波形之差，试验结果如图3所示。由图3分析，两端波形在 7.43 μs(20.45%)处存在 0.29 V的凸起，两端注入波形一致性存在偏差，与“两端同步激励法”测试曲线趋势一致。在转子励侧端部模拟同一线圈两匝之间金属性短路，转子Ⅰ极及Ⅱ极第4线圈最内层处进行人为模拟，特征波形幅值分别为0.92 V和0.90 V，如图4所示，远大于图三波形的0.29 V。与“两端同步激励”法曲线趋势一致，分析为转子存在非金属性匝间短路。

图3 轮换激励法试验波形

图4 轮换激励法模拟短路波形

2.1.3 两极平衡试验法

发电机转子两极通200 V交流电，分别测量两极电压值，要求两极的电压范围在100 V±2 V(发电机厂标准)，其试验结果见表1。

表1 转子电压值试验结果

转子在0°、90°时两极电压差为2.3 V，超出发电机厂家标准要求；根据《隐极同步发电机转子匝间短路诊断导则》(DTL1525-2016)计算，其结果为4.2%，大于3%的匝间短路判断标准。两极平衡试验结果显示Ⅱ极极转子线圈分配的电压较Ⅰ极低，根据欧姆定律 Ⅱ极转子线圈电阻值小于Ⅰ极极转子线圈。因此，判断Ⅱ极线圈存在匝间短路。

依据上述三种试验结果，结合发电机运行中励磁电压、电流曲线关系及汽轮发电机运行时振动值等分析，判断发电机转子匝间轻微非金属性短路。

2.2 采取对策

因发电机本体为原装进口，缺陷处理难度大、周期长，经综合评估，确认发电机能够安全稳定运行至下一个检修周期。机组运行时加强励磁电压和电流监视分析，临时停机期间，进行RSO跟踪测量，对比分析数据，研判故障发展趋势，采取相应措施。

3 发电机转子解体检修和原因分析

为彻底消除2号发电机转子匝间非金属性短路故障隐患，在发电机安全运行到2020年 9月停机检修时，发电机转子返厂修理。

对转子进行全面检查，检查发现：转子轴颈存现划痕，励端轴承档整圈拉毛较深，最深处1毫米，宽度15毫米，汽端轴承档整圈拉毛较浅，护环拆除后发现转子线圈端部存在油污等异物，判断磨损位置为轴颈与轴承浮动环和密封瓦接触面。转子轴颈拉毛后， 密封油通过间隙进入发电机内部，随冷却风路进入转子内部，油污、灰尘等在转子线圈和绝缘缝隙处堆积。

对转子绕组进行全面检查，检查发现绕组Ⅱ极 4 号线圈励端端部第二第三片铜排之间绝缘层外延处有过热碳化点，相应铜排部位有放电痕迹，判断存在匝间短路故障点，此故障点位置与 2019年进行的 RSO测试结果吻合。原因为冷却风从转子两端进入，油污、灰尘等在转子励磁端部线圈处堆积，加之机组负荷频繁波动，转子线圈伸缩，摩擦匝间绝缘，在励磁电压作用下击穿放电。

4 检修方案

4.1 转子清理和绝缘升级

转子全部线棒拆出进行彻底清理，更换所有匝间绝缘件，改进匝间绝缘拼接方案，将转弯处转子线棒匝间绝缘，由单层齐缝拼接，改为双层无缝拼接，保证了匝间绝缘的连续性，能够有效预防转子线圈匝间短路，提升转子线圈的抗污染能力，改造前后对比如图6、图7所示。

4.2 轴颈和密封瓦处理

对发电机转子轴颈补焊修复，更换、加工密封瓦，更换部分密封支座铜齿等。

5 结束语

本文根据机组正常检修时，发电机转子静态RSO试验数据，结合其他试验方法，判断出发电机转子存在轻微非金属匝间短路，结合发电机为原装进口，大修前运行正常，短期无法修复等因素，综合研判，确定发电机短期监视运行，下一个检修周期彻底处理的工作方针，详细分析了发电机转子匝间短路故障产生的主要原因，提出了点机转子绝缘升级改造等解决方案，为同类型机组处理发电机转子匝间短路故障提供借鉴。