廣西華磊新材料有限公司發(fā)電廠 韋云歡

2020年9 月，我國設(shè)立“碳達峰、碳中和”雙碳目標，這促使電力行業(yè)必須向綠色低碳轉(zhuǎn)型。隨著光伏、風力等綠色能源發(fā)電裝機容量的迅速增加，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性所面臨的挑戰(zhàn)也隨之增大[1-2]。大型汽輪發(fā)電機組不僅能保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量，還能夠調(diào)節(jié)無功水平，是電力系統(tǒng)平穩(wěn)、可靠、安全運行的重要保障[3]。轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機的核心組成部分，長期處于強離心力、強電磁場的環(huán)境中，其匝間絕緣會逐步劣化，引發(fā)絕緣失效而產(chǎn)生匝間短路。

轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路不僅會使發(fā)電機無功輸出減小、勵磁電流增大、發(fā)電機異常振動增加，還會引發(fā)轉(zhuǎn)子大軸磁化、軸頸軸瓦燒損等事故，這嚴重影響到機組運行的可靠性，給電力系統(tǒng)帶來極大隱患[4]。對于此，積極發(fā)展發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)的研究，科學地評估轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀態(tài)具有十分重要的意義。

1 匝間短路故障概述

1.1 故障的原因

在對匝短故障的轉(zhuǎn)子進行解體處理的過程中，發(fā)現(xiàn)造成轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的原因主要有以下幾種：一是轉(zhuǎn)子端部繞組的緊固結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計缺陷。轉(zhuǎn)子端部繞組的緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、支撐強度不夠，造成轉(zhuǎn)子匝間短路故障的最主要的原因。在實際運行中，轉(zhuǎn)子以3000r／min的速度高速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組各個線圈不僅要承受著巨大的離心力的作用，還要承受著4000A大電流的熱應力，并且機組運行時的負荷還會不斷變化，各匝線棒之間的相對位置不斷地發(fā)生變化。由于各線圈之間在拐角處就沒有穩(wěn)定的緊固結(jié)構(gòu)，無法保證線圈各匝在拐角處交生對稱性的位移，各匝之間容易發(fā)生錯位。

二是轉(zhuǎn)子線圈表面在拐角處工藝問題。在已發(fā)生過的轉(zhuǎn)子匝短故障案例中，有超過80%的匝短故障點都位于端部繞組的拐角處，這種現(xiàn)象絕不是一種巧合。造成這種現(xiàn)象的原因，除了上文所述轉(zhuǎn)子端部繞組在拐角處無穩(wěn)定的緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計這一缺陷外，還有一個重要的原因，即轉(zhuǎn)子線圈在從直線段開始向弧線段過渡的區(qū)域內(nèi)，由于該過渡段的形狀很不規(guī)則，容易造成線匝表面的平整度及上下匝之間的吻合度超差。加上實際運行時，上下匝線棒相互之間的應力作用較為復雜，容易對匝間絕緣墊條形成多方向性的反復磨損，并最終磨穿墊條造成匝間短路故障。因此，在對一些具有穩(wěn)定的繞組端部緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)子發(fā)生匝短故障并解體檢查后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的匝間短路故障點也位于拐角區(qū)域內(nèi)，原因就在于此。

三是端部繞組絕緣墊條及其粘貼工藝問題。轉(zhuǎn)子端部繞組良好的絕緣墊條及其粘貼工藝，可有效防止該部位匝間短路故障的發(fā)生，否則，則成為今后發(fā)生匝間短路故障的嚴重隱患。絕緣墊條不僅材料本身具有嚴格的質(zhì)量要求，其寬度也應保證至少不得窄于線棒的寬度。另外，在粘貼時，不僅應使用合格的強力膠將墊條粘緊在線棒表面，保證在實際運行中，墊條不會從線棒表面脫落或移位出來，還要注意相鄰兩墊條之間的銜接質(zhì)量。

四是油霧、顆粒等異物進入等原因。油霧、雜質(zhì)顆粒等異物進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，對可能造成轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。油霧進入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部以后，容易與一些粉塵等黏結(jié)在一起，形成具有一定導電性能的污物。當這種污物正好位于上下兩匝之間時，就會明顯破壞匝間絕緣，發(fā)生非金屬性的匝間短路故障。另外，當有硬的顆粒異物進入轉(zhuǎn)子內(nèi)部時，容易卡在上下兩匝之間，并隨著轉(zhuǎn)子運行時間的延長，快速破壞匝間絕緣，最終導致匝間短路故障。

1.2 故障的分類

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路按穩(wěn)定性可分兩種：穩(wěn)定性匝間短路指的是這種短路故障與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、溫度、運行方式等無關(guān)，是一種固定短路故障；不穩(wěn)定匝間短路則與之相反，即只有在轉(zhuǎn)子特定工況（轉(zhuǎn)速快與慢、溫度高與低）才會出現(xiàn)，當轉(zhuǎn)子靜止時即消失的短路故障。

2 兩種檢測方法研究

2.1 離線檢測

重復脈沖波形法（Repetitive Surge Oscilloscope，RSO）是目前電力行業(yè)普遍比較認可的一種離線式匝間短路測試技術(shù)。其測試原理是：基于轉(zhuǎn)子繞組分布的對稱性，利用雙脈沖信號發(fā)生器對發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩極同時施加前沿陡峭的高頻沖擊脈沖波，通過雙通道錄波器錄得兩組響應曲線。在繞組無短路的情況下，正、負兩極的脈沖響應該一致，反映在波形圖上即兩條響應曲線重合；反之，當轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)存在匝間短路故障時，只要短路點不嚴格位于幾何中心的位置，短路點就會破壞轉(zhuǎn)子繞組的幾何對稱性，使得正、負極的響應不一致，響應差值特性曲線則會出現(xiàn)與之對應的波動，顯示出匝間短路故障[5]。

以某電廠660MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子RSO匝間短路故障檢測項目為例，測試設(shè)備接線回路如圖1所示，檢測過程按電力行業(yè)標準DL/T1525-2016《隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導則》執(zhí)行。試驗結(jié)果表明，兩級響應曲線整體上重合，這表明轉(zhuǎn)子繞組絕緣整體狀態(tài)良好。但脈沖前半段的特性曲線存在波動，出現(xiàn)了明顯的波峰和波谷，這表明此臺轉(zhuǎn)子前半段繞組有著輕微的匝間短路現(xiàn)象。特征曲線的極大值和極小值的差值為0.1V，滿足行業(yè)經(jīng)驗對RSO特征曲線的波動不大于0.3V的要求，這說明此轉(zhuǎn)子匝間狀態(tài)滿足運行條件。

圖1 RSO匝間短路故障檢測接線示意圖

2.2 在線檢測

漏磁通檢測法是在線式匝間短路故障檢測技術(shù)其中一種。發(fā)電機在運行時，轉(zhuǎn)子繞組會通過直流勵磁產(chǎn)生磁通，其中主磁通Φ0通過轉(zhuǎn)子大齒，經(jīng)過氣隙和定子繞組相連成磁回路，漏磁通ΦS是經(jīng)過氣隙，或經(jīng)過定子槽而沒有和定子繞組相連的磁通，如圖2所示。漏磁通ΦS是由轉(zhuǎn)子每個槽的總安裝匝數(shù)決定的。由此，可在定子齒上對稱安裝兩個對漏磁通非常敏感的全磁通傳感器，實時探測獲取漏磁通數(shù)據(jù)，通過特定的算法便可判斷出轉(zhuǎn)子匝間是否短路，以及短路繞組所在位置。

圖2 發(fā)電機磁通回路示意圖

某電廠發(fā)電機組安裝匝間短路在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。其包含高靈敏度漏全磁通傳感器、數(shù)據(jù)匯流端、數(shù)據(jù)分析平臺。全磁通傳感器：轉(zhuǎn)子的漏磁通監(jiān)測由全磁通傳感器實現(xiàn)，該傳感器有數(shù)十匝線圈，固定在鐵心的一個齒上，兩個傳感器按定子空間幾何尺寸對稱分布。當每個磁極掃過全磁通傳感器時，該線圈中感應出來的電壓與正在掃過線圈的磁極磁通成正比。若某磁極中存在匝間短路，既減小了該極的有效匝數(shù)，全磁通傳感器便可以靈敏地反應。端子箱：用于引出全磁通傳感器信號線的端子箱，同時可將磁通信號有效傳遞給具有分析功能的磁通監(jiān)測儀。數(shù)據(jù)分析平臺：磁通傳感器采集到的信號并不能直接指示出匝間短路情況，因為還有影響磁通的其他因素，如磁極與定子之間的距離變化等。因此，磁通監(jiān)測儀配合高分辨率的磁通傳感器，可以得出數(shù)字化的電壓信號。配合在線磁通監(jiān)測軟件，將兩個對稱分布的磁通量自動做對比，并以數(shù)據(jù)列表或圖形的方式呈現(xiàn)出來，匝間短路故障部位將會被自動標注出來。

圖3 在線檢測系統(tǒng)示意圖

圖4是發(fā)電機在空載時轉(zhuǎn)子漏磁通的變化曲線，其中藍色曲線是1號傳感器，紅色曲線是2號傳感器。從圖中可見，1號傳感器和2號傳感器的1～3號槽的磁通量大小完全相同，曲線相重合，這表明1～3號槽內(nèi)轉(zhuǎn)子無短路；4～7號槽可以明顯看到兩條虛線的磁通量不一致，這說明4～7號槽內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部有短路的現(xiàn)象，造成兩側(cè)漏磁通值不一致。

圖4 轉(zhuǎn)子漏磁通的變化曲線

3 檢測法比較

轉(zhuǎn)子發(fā)生一般性匝間短路并不會立刻導致發(fā)電機故障停機，但是會由此引發(fā)轉(zhuǎn)子磁極和支架受熱不均勻、磁通的磁場不平衡而導致發(fā)電機異常振動、軸電壓升高等，嚴重則會引發(fā)轉(zhuǎn)子接地故障致使發(fā)電機停運。

探測轉(zhuǎn)子匝間短路的最常用方法是離線RSO法，但必須依賴于專家的分析和判斷，而且該試驗是在轉(zhuǎn)子靜止狀態(tài)下進行的，不適用于在運行中才呈現(xiàn)的匝間短路；而在線檢測可實時測量轉(zhuǎn)子各磁極的磁通，在不停機、不改變負載條件下多次測試，系統(tǒng)會自動分析標定存在匝間短路故障的磁極并及時發(fā)出警示，從而實現(xiàn)在正常運行中測試轉(zhuǎn)子匝間短路。兩種檢測技術(shù)的優(yōu)勢見表1，建議發(fā)電機業(yè)主應根據(jù)自身條件合理安排，保證發(fā)電機設(shè)備具有良好狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

表1 兩種檢測法對比

4 結(jié)語

本文主要研究了離線式重復脈沖波形法和在線式漏磁通檢測法兩種轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)方法，分別闡述了技術(shù)原理，分析了現(xiàn)場實際應用，比較研究了兩種技術(shù)方法各自的優(yōu)勢，為今后轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測工作提供支持。