孫善華，孫福春，韓忠欽

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)陜西省電力公司漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

近年來，由于制造、運行等原因，大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)常發(fā)生匝間短路故障。輕微的匝間短路對運行影響不大，但應(yīng)注意加強對機組的監(jiān)視。嚴重的匝間短路故障，會使發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流增大、轉(zhuǎn)子繞組溫度升高、無功功率受限［1］，甚至造成機組的振動加劇，導(dǎo)致非計劃停運事故。因此，當發(fā)生上述現(xiàn)象時，必須通過試驗找出匝間短路點，并予以消除，使發(fā)電機恢復(fù)正常運行。

1 故障檢測情況

山東某發(fā)電廠5號發(fā)電機為330 MW水氫氫冷卻方式發(fā)電機，2006年4月投產(chǎn)，已運行11年。2017年5月，試驗人員按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》的要求，對5號發(fā)電機進行大修的相關(guān)試驗時，發(fā)現(xiàn)其有匝間短路的特征。

1.1 直流電阻法

標準規(guī)定，交接和每次大修時，都應(yīng)對轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻進行測量，并與基值數(shù)據(jù)比較，其變化應(yīng)不超過2%，否則須查明變化的原因。直流電阻法靈敏度低［2］，據(jù)計算，僅當繞組短路匝的數(shù)量超過總匝數(shù)的2%時，直流電阻值才會超過規(guī)定值。本次大修，用直流電阻測試儀對轉(zhuǎn)子繞組進行了測試。本次測量電阻值R27=161.8 mΩ，換算至75℃值R75=192.6 mΩ，2014年7月15日測量電阻值R75=194.4 mΩ，變化率為-0.90%。轉(zhuǎn)子繞組直流電阻與上次測量值相比偏小，但未超過2%的標準，因此無法判斷是否存在匝間短路故障。

1.2 交流阻抗和功率損耗試驗

測量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗和功率損耗是判斷有無匝間短路比較靈敏的方法之一。在交流電壓下，流經(jīng)短路匝中的短路電流要比正常匝中的電流大很多，該電流具有強烈的去磁作用，并導(dǎo)致交流阻抗顯著下降，功率損耗明顯增加。測量結(jié)果如表1所示。

表1 交流阻抗與功率損耗測試結(jié)果

表1可看出，本次轉(zhuǎn)子交流阻抗與上次測量值相比下降了7.43%，功率損耗則增加了6.21%，從測試結(jié)果來看，具有匝間短路特征。

1.3 單開口變壓器法

單開口變壓器法是現(xiàn)場廣泛采用的一種判定匝間短路故障部位較為有效的方法。試驗時在轉(zhuǎn)子繞組中通入交流電，轉(zhuǎn)子槽齒上便產(chǎn)生交變磁通。利用開口變壓器和槽齒構(gòu)成閉合磁路，測量轉(zhuǎn)子各槽上漏磁通引起的感應(yīng)電壓及感應(yīng)電壓與電源電壓之間的夾角。若某一槽存在短路線匝，則開口變壓器繞組的感應(yīng)電勢及相位將有明顯變化，通過比較各槽測量相位，即可判斷是否存在匝間短路。

表2 單開口變壓器法測試感應(yīng)電勢相位

在外環(huán)（Ⅰ極）和內(nèi)環(huán)（Ⅱ極）上加100 V交流電壓，逐槽測量單開口變壓器的感應(yīng)電勢相位如表2所示。

由表2可看出，9號和24號轉(zhuǎn)子槽感應(yīng)電勢相位與相鄰槽的相位相差150°以上。9號和24號槽中放置的線圈為Ⅱ極8號線圈，因此懷疑此線圈中存在匝間短路。

1.4 極間電壓法

極間電壓法是利用轉(zhuǎn)子繞組的對稱性來判斷是否存在匝間短路的檢測方法。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩個滑環(huán)施加100 V交流電壓，使用探針測量外環(huán)和內(nèi)環(huán)對轉(zhuǎn)子極中點的電壓分別為51.1 V和47.7 V，極間電壓差為6.65%。按照DL/T 1525—2016《隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》，極間電壓差超過最大電壓值的3%時，判定為存在匝間短路［3］。根據(jù)匝間短路特點可以判斷，故障點位于內(nèi)環(huán)對應(yīng)的極上。

2 故障定位方法

2.1 線圈壓降法

在轉(zhuǎn)子兩滑環(huán)上施加200 V交流電壓，在轉(zhuǎn)子護環(huán)下，分別記錄兩極對應(yīng)線圈的電壓，測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 線圈壓降法測試數(shù)據(jù)

根據(jù)標準，對應(yīng)位置線圈間的電壓差超過最大電壓值的3%時，判定為存在匝間短路。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可以判斷，內(nèi)環(huán)8號線圈存在匝間短路故障。

2.2 匝間電壓分布法

采用匝間電壓分布法來進行精確定位，確認故障點在哪一匝［4］。具體方法是：在轉(zhuǎn)子繞組中，通入大小為5%～10%轉(zhuǎn)子額定電流的直流電流，電流波動率不大于5%。用測量探針從汽側(cè)、勵側(cè)緊靠護環(huán)出風區(qū)的風孔探入，分別測量短路槽中線匝間的電壓。用直流電焊機對轉(zhuǎn)子施加20 A的直流電流，分別測量9號槽和24號槽對應(yīng)位置的各匝間的電壓值，測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同位置匝間電壓值 mV

從表4可以看到，勵側(cè)9號槽的第一匝和第二匝之間電壓最低，只有4.5 mV，遠低于其他位置測量的正常值。沿電流前進方向，電壓差呈下降趨勢，表明短路點在測量位置的前方，由此判斷匝間短路點位于勵側(cè)9號槽的第一匝和第二匝間，位置為勵側(cè)護環(huán)下方。

2.3 拔開護環(huán)后的檢查情況

拔下勵側(cè)護環(huán)后，發(fā)現(xiàn)勵側(cè)多個線圈端部拐角處出現(xiàn)變形，匝間有不同程度的錯位。由圖1可看出，8號線圈變形最為明顯，第一匝和第二匝之間的匝間絕緣被硌破擠壓出來，導(dǎo)致匝間短路。

圖1 勵側(cè)8號線圈發(fā)生嚴重變形

3 故障處理與分析

現(xiàn)場對轉(zhuǎn)子端部變形嚴重的線圈進行局部整形處理。拆出轉(zhuǎn)子槽楔、阻尼繞組、楔下墊條、端部絕緣件，檢查線圈伸長情況以及伸長值進行測量并記錄，根據(jù)線圈變形的實際情況，采用打磨或局部截斷等方式對線圈進行整形處理，線圈整形后使線圈上下匝錯位小于4 mm。對端部匝間絕緣進行修整，恢復(fù)端部絕緣墊塊，端部絕緣墊塊使用更換后的加長型。處理完畢后進行通風試驗和電氣試驗，包括絕緣電阻、直流電阻、交流阻抗及功率損耗測試、開口變壓器測試、極間電壓試驗。試驗合格后，套勵側(cè)護環(huán)，再次進行以上電氣試驗，試驗合格。

從拔護環(huán)后的外觀檢查來看，轉(zhuǎn)子繞組端部塑性變形，頂匝線圈錯位，將匝間絕緣硌破，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子匝間短路的直接原因。設(shè)備生產(chǎn)廠家轉(zhuǎn)子線圈熱處理工藝不良，造成線圈屈服強度或抗蠕變性能差，運行中在離心力和熱膨脹共同作用下發(fā)生變形，致使匝間絕緣斷裂形成匝間短路。

4 結(jié)語

匝間短路是汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子常見故障，測試方法也很多，以一起330 MW汽輪發(fā)電機為例，給出了匝間短路故障的檢測、診斷及精確定位的方法和過程。所用匝間短路定位方法簡單實用，判斷出匝間短路故障部位后可以只拔故障側(cè)護環(huán)，大大縮短故障修理工期，提高了發(fā)電廠的經(jīng)濟效益。