李連強(qiáng)，王安東，董芙蓉

（1.鶴壁煤電股份有限公司熱電廠，河南 鶴壁 458030；2.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；3.山東省科技情報(bào)研究所，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路是一種常見故障。匝間短路嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響機(jī)組的無功，使機(jī)組的振動(dòng)增大，有的會(huì)造成轉(zhuǎn)子線圈接地，燒傷轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)，引起發(fā)電機(jī)甚至汽輪機(jī)的大軸磁化，后果十分嚴(yán)重。為此，機(jī)械行業(yè)專門制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)定方法》。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路多與制造工藝不良有關(guān)。檢修時(shí)，異物進(jìn)入轉(zhuǎn)子堵塞轉(zhuǎn)子冷卻回路，引起匝間絕緣過熱，或金屬屑進(jìn)入轉(zhuǎn)子匝間，刺穿匝間絕緣，也會(huì)間接或直接造成轉(zhuǎn)子匝間短路。

1 匝間短路的判斷

運(yùn)行中，如果發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)汽勵(lì)兩側(cè)的軸振突然增大，超出GB7064-2008《隱極同步發(fā)電機(jī)技術(shù)要求》中的規(guī)定時(shí)，應(yīng)對(duì)振動(dòng)的原因進(jìn)行分析。通常，電氣方面造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大的原因就是轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了匝間短路。

轉(zhuǎn)子匝間短路有明顯的特征：轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值與勵(lì)磁電流有關(guān)，負(fù)荷不變，無功增加（勵(lì)磁電流增加）時(shí)，振動(dòng)增大；發(fā)電機(jī)機(jī)座臺(tái)板、軸承座等處有磁化現(xiàn)象，情況嚴(yán)重的可以吸住大頭針、扳手等導(dǎo)磁物品，此時(shí)，軸電壓也往往比正常值明顯增高，常常超出10 V的規(guī)定值。

如果發(fā)電機(jī)存在磁化和軸電壓明顯升高現(xiàn)象，證明轉(zhuǎn)子匝間短路情況已經(jīng)比較嚴(yán)重，繼續(xù)運(yùn)行有可能燒損軸瓦或大軸，需要立即停機(jī)處理。其它情況，需要對(duì)是否存在轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)象做進(jìn)一步的分析。

1.1 轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)時(shí)的檢查及分析

1.1.1 空載短路

當(dāng)空載或短路曲線與歷史曲線比較明顯下移時(shí)，可以斷定是轉(zhuǎn)子存在匝間短路現(xiàn)象。只有匝間短路十分嚴(yán)重時(shí)（一般短路匝數(shù)在5%左右），才能從空載、短路試驗(yàn)曲線上反映出來，其結(jié)果只能作為判斷是否存在匝間短路故障的參考[1]。

短路曲線是一條直線，用短路曲線分析比用空載曲線的準(zhǔn)確度要高。

1.1.2 動(dòng)態(tài)交流阻抗及功率損耗

動(dòng)態(tài)交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)是不停機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)子有無匝間短路的最常用手段。

動(dòng)態(tài)交流阻抗及功率損耗主要用于檢查轉(zhuǎn)子是否存在動(dòng)態(tài)匝間短路現(xiàn)象，其標(biāo)準(zhǔn)在JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)定方法》中有比較詳細(xì)的規(guī)定：“每隔300 r/min之間的阻抗差不得大于最大值的5%”[2]。

動(dòng)態(tài)交流阻抗和損耗試驗(yàn)方法雖然應(yīng)用得非常普遍，但尚不能用它直接判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路故障。有些采用松打槽楔工藝的轉(zhuǎn)子，在某一轉(zhuǎn)速下，阻抗及功率損耗常會(huì)有突變。

1.1.3 重復(fù)脈沖波形（RSO）法

重復(fù)脈沖波形（RSO）法是近年興起的一種檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的新方法。其原理是基于轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分別從轉(zhuǎn)子的正、負(fù)兩極向轉(zhuǎn)子注入高頻脈沖信號(hào)，將高頻脈沖的響應(yīng)波形進(jìn)行180°的換相重疊，通過比較兩條響應(yīng)曲線的吻合度，驗(yàn)證轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路。正常情況下，兩條響應(yīng)曲線應(yīng)當(dāng)十分吻合。如果兩條曲線重疊度不佳，即判斷轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。

轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)、外均可使用該方法進(jìn)行檢測(cè)。該方法操作方便，但目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，作為一種獨(dú)立的判據(jù)有一定難度。圖1是轉(zhuǎn)子存在匝間短路時(shí)的測(cè)量波形圖，可以看出兩條曲線的重疊度不佳，在中部有不吻合現(xiàn)象。

圖1 轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)的測(cè)量波形圖

1.2 轉(zhuǎn)子在膛外時(shí)的檢查及分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)確認(rèn)存在匝間短路現(xiàn)象時(shí)，仍需抽出轉(zhuǎn)子，在膛外進(jìn)行試驗(yàn)核實(shí)。

膛外的試驗(yàn)主要有直流電阻、轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗、開口變壓器、極間電壓、匝間電差測(cè)量、動(dòng)態(tài)微分波形法等方法。其中，動(dòng)態(tài)微分波形法主要在制造廠使用，電廠則一般采用轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗法作為常規(guī)的檢測(cè)方法，當(dāng)發(fā)現(xiàn)匝間故障后，再采用單開口變壓器法確定故障所在槽數(shù)。

1.2.1 直流電阻測(cè)量

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻值會(huì)變小。理論上，通過測(cè)量其直阻值的下降，可以判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝短故障。但通常轉(zhuǎn)子繞組的總匝數(shù)較多，而匝間短路的匝數(shù)較少，轉(zhuǎn)子直阻下降很小，一般變化量小于1%，很難判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝短故障；只有當(dāng)短路的匝數(shù)較多時(shí)，直阻測(cè)量才有效，如某廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有5處發(fā)生了匝間短路，其直阻值下降了7.1%。

直流電阻用來判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的靈敏度很低，只適合作為判斷有無匝間短路的輔助方法。

1.2.2 轉(zhuǎn)子阻抗和功率損耗法

轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗的測(cè)量，是判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路故障的最常用方法。它具有操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)、外均可方便地進(jìn)行測(cè)量的特點(diǎn)，因此，得到了廣泛的應(yīng)用，在《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中都提及了該方法。

轉(zhuǎn)子交流阻抗及功率損耗雖然是最常用的方法，但由于不同位置的匝間短路點(diǎn)對(duì)交流阻抗及功率損耗的影響程度不同，所以現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中只是規(guī)定“阻抗和功率損耗值自行規(guī)定，在相同試驗(yàn)條件下與歷年數(shù)值比較，不應(yīng)有顯著變化”，并未給出可操作的判據(jù)，所以在實(shí)際使用中，其局限性比較明顯。一般只有當(dāng)阻抗下降10%，且功率損耗增加10%時(shí)才能初步確定轉(zhuǎn)子存在匝間短路。通常，匝間短路對(duì)功率損耗的影響要比交流阻抗敏感得多，所以在判斷匝間短路時(shí)，應(yīng)側(cè)重于功率損耗的變化分析。

1.2.3 極間電壓法

當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，在交流電壓下，短路線匝相當(dāng)于變壓器二次繞組短路，流經(jīng)短路線匝的電流，約比正常線匝中的電流大n倍（n為一槽線圈的總匝數(shù)），它有強(qiáng)烈的去磁作用，會(huì)導(dǎo)致交流阻抗下降，且對(duì)轉(zhuǎn)子繞組短路所在磁極的影響大于正常極。因此，對(duì)非水冷轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子繞組施加交流電后，分別測(cè)量?jī)蓸O線圈的壓降并進(jìn)行比較，其準(zhǔn)確度要高于交流阻抗及功率損耗的測(cè)量。

目前，該方法已逐步得到推廣，其判據(jù)在JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)定方法》中有明確的規(guī)定“兩極線圈間的電壓差不得大于最大值的3%”。

通常情況下，極間電壓法的準(zhǔn)確度較高，制造廠及電廠均把它作為主要的判斷方法。從測(cè)量原理上可知，極間電壓法也有其局限性，當(dāng)兩極繞組均存在匝間短路，且短路情況相近時(shí)，極間電壓差別較小，此時(shí)無法判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路現(xiàn)象。

1.2.4 開口變壓器法

開口變壓器法分為單、雙開口變壓器兩種方法，因其可以準(zhǔn)確找到匝間短路線圈所在槽，而得到了廣泛應(yīng)用。

轉(zhuǎn)子滑環(huán)上加入交流電后，在轉(zhuǎn)子槽齒上會(huì)產(chǎn)生交變漏磁通。當(dāng)開口變壓器置于轉(zhuǎn)子齒槽上時(shí)，交變漏磁通主要經(jīng)過變壓器的鐵芯形成閉合回路，該磁通會(huì)在變壓器線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)某一槽內(nèi)有匝間短路時(shí)，該槽內(nèi)的短路電流會(huì)比較大，短路電流的相位與正常電流的相位相反，因此變壓器線圈的感應(yīng)電勢(shì)相位與正常的相位值也相差較大，接近180°，短路線圈所在的另一槽相位變化情況也相同。單開口變壓器是通過測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)的相位變化來判斷有無匝間短路。

當(dāng)短路部位在線圈底部或轉(zhuǎn)子有阻尼繞組時(shí)，該測(cè)量方法的準(zhǔn)確性會(huì)受到一定限制。

雙開口變壓器法是將兩個(gè)開口變壓器分別置于轉(zhuǎn)子不同的槽齒上，在其中的勵(lì)磁變壓器上加交流電，當(dāng)線圈不存在匝間短路現(xiàn)象時(shí)，勵(lì)磁磁通主要通過轉(zhuǎn)子軛部閉合，測(cè)量電壓器上的感應(yīng)電勢(shì)幾乎為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路現(xiàn)象時(shí)，短路線圈內(nèi)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通通過測(cè)量線圈，起到助磁作用，測(cè)量線圈的感應(yīng)電勢(shì)會(huì)成倍增加，而轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)會(huì)減少。通過測(cè)量每槽感應(yīng)電勢(shì)的變化并互相比較即可判斷有無匝間短路現(xiàn)象。

通常雙開口變壓器的靈敏度要高于單開口變壓器法，但操作復(fù)雜，電廠通常采用單開口變壓器法進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.5 動(dòng)態(tài)微分波形法

在制造廠，動(dòng)態(tài)匝間短路波形試驗(yàn)是判斷轉(zhuǎn)子有無匝間短路的最重要的一項(xiàng)試驗(yàn)，其方法和判別標(biāo)準(zhǔn)在JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路測(cè)定方法》中有明確的規(guī)定。研究表明，動(dòng)態(tài)微分波形法在膛外測(cè)量的靈敏度及準(zhǔn)確度最高；轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)時(shí)，短路試驗(yàn)時(shí)靈敏度比較好，其次，是空載試驗(yàn)；帶負(fù)荷時(shí)，判斷比較困難。因該方法需要在距離轉(zhuǎn)子表面較近處或定子氣隙距轉(zhuǎn)子表面1/3處安裝微分探測(cè)線圈才能進(jìn)行試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受到一定限制。采用動(dòng)態(tài)微分波形法的優(yōu)點(diǎn)是可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路并確定匝間短路的槽號(hào)，這是其它方法無法做到的。見圖2。

圖2 正常轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)匝間短路波形

正常轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)匝間短路波形中，波形的包絡(luò)線呈下凹的圓弧狀，兩極及同極的波形都具有對(duì)稱性，匝間短路時(shí)，包絡(luò)線會(huì)出現(xiàn)下陷的缺口，該缺口對(duì)應(yīng)的線圈槽處存在匝間短路現(xiàn)象。圖3中所示的部位有匝間短路現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)的槽數(shù)為3號(hào)、4號(hào)槽。

圖3 匝間短路時(shí)的動(dòng)態(tài)匝間短路波形

綜上所述，在所有判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的方法中，轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)匝間短路波形測(cè)量的方法是最準(zhǔn)確、全面的方法，它可以判斷動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)子匝間短路，也可以確定短路所在槽，但實(shí)施測(cè)量的條件要求較高，已投運(yùn)的機(jī)組如不安裝微分探測(cè)線圈，就無法進(jìn)行檢測(cè)；RSO法的測(cè)量效果也比較好，但需要專用的儀器，對(duì)測(cè)試人員的技術(shù)要求也較高；極間電壓法的準(zhǔn)確度比交流阻抗、空載短路曲線、直流電阻等方法要高，但在特殊情況下有誤判，如能跟交流阻抗法配合同時(shí)使用，可以防止兩極同時(shí)存在匝間短路現(xiàn)象，極間電壓檢測(cè)正常的極端情況出現(xiàn)，降低誤判的可能性。因交流阻抗法與極間電壓法的測(cè)量接線相似，建議將極間電壓法、交流阻抗同時(shí)使用，作為常規(guī)的匝間短路檢測(cè)方法。

2 匝間短路點(diǎn)的定位

當(dāng)確定轉(zhuǎn)子繞組有匝間短路情況出現(xiàn)時(shí)，需要拔護(hù)環(huán)進(jìn)行處理。由于匝間短路大部分發(fā)生在汽勵(lì)兩側(cè)護(hù)環(huán)下，提前判定匝間短路所在槽及具體的部位，不僅可以確定拔哪側(cè)護(hù)環(huán)，減少檢查的工作量，而且可以防止拔護(hù)環(huán)后短路點(diǎn)消失，無法處理的情況出現(xiàn)。

2.1 匝間短路所在槽的確定

確定匝間短路所在槽有開口變壓器法及轉(zhuǎn)子繞組電壓分布兩種。其中，轉(zhuǎn)子繞組電壓分布測(cè)量，是近些年采用的新方法。

目前，國內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的100 MW以上汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)都有一定的空間，可以看到轉(zhuǎn)子繞組各槽的底匝線圈，這為轉(zhuǎn)子繞組電壓分布法的實(shí)施提供了方便。見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子繞組電壓分布法是在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上施加交流電，用探針測(cè)量護(hù)環(huán)下相鄰兩底匝線圈間的電壓差 （U12、U23、U34、U45、U56、U67、U78）。對(duì) 于正 常 轉(zhuǎn)子，其兩極繞組對(duì)應(yīng)的電壓差具有良好的重合性，每極的電壓差值在0～2倍單槽線圈電壓之間跳變。圖5是正常情況下底匝間的電壓差。

圖5 正常底匝電壓差分布圖

匝間短路時(shí)，由于短路匝短路電流的存在，故障匝的電壓值會(huì)發(fā)生顯著的變化，短路匝與相鄰匝的電壓差會(huì)有明顯降低。這樣通過測(cè)量相鄰底匝間壓差，可以將故障線圈的范圍縮小到電壓異常值對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相鄰槽上。如圖6所示。

圖6 匝間短路時(shí)底匝電壓差分布圖

該方法判斷匝間短路的準(zhǔn)確度比極間電壓法明顯要高，其缺點(diǎn)是仍不能確定匝間短路的具體槽數(shù)及短路點(diǎn)。

2.2 槽內(nèi)短路部位的確定

確定匝間短路所在槽后，要準(zhǔn)確測(cè)量短路部位，還需要進(jìn)行槽內(nèi)的匝間電壓差測(cè)量。測(cè)量匝間電壓差時(shí)，一般在轉(zhuǎn)子滑環(huán)上施加直流電。采用交流電時(shí)，電壓差容易受電抗及短路環(huán)流的干擾，判斷比較困難，通常不予推薦。

轉(zhuǎn)子內(nèi)冷（水內(nèi)冷除外）的發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)線圈的匝間電壓可以通過本體上的通風(fēng)孔進(jìn)行測(cè)量，這為精確判斷匝間短路部位提供了方便。

槽內(nèi)匝間電壓差法的原理[3]如下：

在轉(zhuǎn)子上滑環(huán)上加10%額定電流左右的直流電，測(cè)量匝間短路所在槽線圈相鄰匝間的匝間電壓。如轉(zhuǎn)子存在匝間短路，短路匝流過的電流：式中：I為轉(zhuǎn)子正常匝流過的電流；Rc為等效短路電阻；Rg為短路匝的內(nèi)阻。

從圖7可以看出，測(cè)量匝間電壓時(shí)，未遇到短路匝前，上下兩匝的匝間電壓基本是恒定值，即線圈一匝的壓降Un。當(dāng)測(cè)量匝間電壓的表筆一端與短路匝接觸時(shí)，匝間電壓測(cè)量值開始降低。減小的量ΔU與表筆接觸到的短路匝上的測(cè)量點(diǎn)距C點(diǎn)（短路點(diǎn)）的距離Lr（沿電流方向）成正比。式中：Ln為短路匝線圈的長(zhǎng)度；Un為額定的匝間壓降。

圖7 槽內(nèi)匝間壓降測(cè)量示意圖

圖中，C點(diǎn)為等效短路點(diǎn)，A、B點(diǎn)為短路匝上下兩匝與C點(diǎn)徑向的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

從圖8中，可以看出通過繪制測(cè)量曲線，找到最低電壓點(diǎn)，即找到了匝間短路的位置。實(shí)踐證明，該方法對(duì)僅有一處匝間短路的情況非常有效，當(dāng)同一槽內(nèi)存在多處匝間短路時(shí)，曲線交點(diǎn)的位置是等效短路位置，需要找到并處理其中一個(gè)短路點(diǎn)后，再進(jìn)行測(cè)量。另外，在測(cè)量中需要了解轉(zhuǎn)子繞組的繞向。

圖8 匝間電壓分布圖

3 結(jié)語

通過對(duì)幾種測(cè)量的方法比較，可以看出轉(zhuǎn)子極間電壓法配合交流阻抗的測(cè)量是判斷轉(zhuǎn)子有無匝間短路的最簡(jiǎn)單有效方法，在機(jī)組檢修時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組電壓分布法是靈敏度最高的一種方法。當(dāng)確認(rèn)轉(zhuǎn)子存在匝間短路時(shí)，可通過開口變壓器法查找短路所在槽，然后通過測(cè)量故障槽匝間壓降來確認(rèn)故障點(diǎn)。