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        #3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路分析與判斷

        2023-11-09 09:09:54王詩堯
        機(jī)電信息 2023年21期
        關(guān)鍵詞:匝間油污短路

        王詩堯

        (廣東粵電靖海發(fā)電有限公司,廣東 揭陽 522000)

        0 引言

        轉(zhuǎn)子匝間短路是大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子常見故障之一,轉(zhuǎn)子匝間短路會對發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害,容易使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的振動[1]。本文分析的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子僅存在一處匝間短路點(diǎn),暫未對轉(zhuǎn)子振動及勵磁電流產(chǎn)生較大影響,但為了避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大,對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了修理,以保證其運(yùn)行狀態(tài)可靠。

        1 檢測過程

        2022年3月靖海電廠#3機(jī)組B級檢修,發(fā)電機(jī)檢修項(xiàng)目包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大修。在修前查閱#3發(fā)電機(jī)運(yùn)行記錄時,轉(zhuǎn)子的前后軸振并無明顯的振動異常情況,其振動隨負(fù)荷(400~1 000 MW)變化幅度約為30 μm(振幅在40~70 μm波動)。結(jié)合勵磁電流與負(fù)荷情況綜合判斷,其振動幅度與勵磁電流也無明顯的正相關(guān)性。

        在例行預(yù)防性試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子兩極電壓存在不平衡現(xiàn)象,在總試驗(yàn)電壓200 V的情況下,正極電壓為104.7 V,負(fù)極電壓為95.3 V,偏差值達(dá)到最大電壓值的4.7%。根據(jù)DL/T 1525—2016《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》,“6.1.4 判斷故障應(yīng)符合下列原則:a)極間電壓差超過最大電壓值的3%時,判定為存在匝間短路”,為此初步判斷該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在匝間短路現(xiàn)象。

        目前,針對轉(zhuǎn)子匝間短路故障的檢測,最靈敏、最準(zhǔn)確的方法為重復(fù)脈沖(RSO)檢測法[2]。因此,為準(zhǔn)確判斷該轉(zhuǎn)子內(nèi)部的匝間絕緣狀態(tài),立即采用RSO檢測法進(jìn)行了轉(zhuǎn)子膛外靜態(tài)下的匝間短路故障檢測,結(jié)果如圖1所示。

        圖1 轉(zhuǎn)子靜態(tài)RSO波形(膛外)

        該轉(zhuǎn)子繞組共有兩個極,每極均有8個線圈。從圖1可以看出,正、負(fù)極兩條檢測曲線在從正峰值開始的下降曲線段上出現(xiàn)兩個不吻合區(qū)域,即#1和#2不吻合區(qū)域。其中,#1不吻合區(qū)域?qū)?yīng)轉(zhuǎn)子的#2線圈,#2不吻合區(qū)域?qū)?yīng)轉(zhuǎn)子的#3線圈。#1不吻合區(qū)域中的最大偏差率達(dá)到33.3%,#2不吻合區(qū)域中的最大偏差率達(dá)到8.3%。根據(jù)中國電機(jī)工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)T/CSEE 0041—2017《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重復(fù)脈沖(RSO)試驗(yàn)導(dǎo)則》,#1、#2線圈不吻合區(qū)域偏差值不超過8%,#3及以后線圈不吻合區(qū)域偏差值不超過3%,兩個不吻合區(qū)域均超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的要求,說明該轉(zhuǎn)子在#1和#2不吻合區(qū)域均存在匝間短路故障。

        為進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子匝間短路的故障部位,現(xiàn)場還分別采用了交流和直流兩種方法對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行電壓分布試驗(yàn)[3],其中交流電壓分布試驗(yàn)電壓為100 V,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 轉(zhuǎn)子電壓交流分布數(shù)據(jù)

        為了直觀分析表1中數(shù)據(jù),將各線圈對應(yīng)電壓分布以曲線形式表現(xiàn)出來,如圖2所示。

        圖2 轉(zhuǎn)子電壓交流分布

        由圖2可見,#2線圈兩極電壓存在明顯的偏差,可以判斷#2線圈存在匝間短路故障,#3線圈兩極電壓較其他線圈無明顯偏差,需要繼續(xù)通過直流電壓分布試驗(yàn)來判斷。

        直流電壓分布試驗(yàn)是在集電環(huán)兩極通入100 A電流,直流電壓5 V,直流分布電壓測量數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 直流分布電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        同樣,為了直觀分析表2中數(shù)據(jù),將各線圈對應(yīng)電壓分布以曲線形式表現(xiàn)出來,如圖3所示。

        圖3 直流分布電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        從圖3可見,兩極繞組的直流電壓分布曲線在#2線圈存在著明顯的偏差現(xiàn)象,但#3線圈上的電壓則完全吻合。另外,將圖3與圖2相對比,還發(fā)現(xiàn)圖3中兩條電壓分布曲線在#1線圈上也存在著顯著的偏差,這與RSO試驗(yàn)的檢測結(jié)果有較大的出入。導(dǎo)致這一差異的原因主要是轉(zhuǎn)子內(nèi)、外兩個滑環(huán)與轉(zhuǎn)子軸頸中各自的導(dǎo)電桿連接螺釘處以及導(dǎo)電桿與#1線圈的大導(dǎo)電螺釘連接處的接觸電阻存在較大的差異。因此,這一般并不用于說明#1線圈的匝間絕緣是否存在匝間短路故障。

        綜合三種試驗(yàn)方法,可以判斷出#2線圈一定存在匝間短路故障,#3線圈僅在RSO檢測波形中存在問題,在交直流電壓分布試驗(yàn)中并無問題,原因?yàn)镽SO試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子兩極上同時施加一個前沿陡峭的重復(fù)脈沖信號,在脈沖信號途經(jīng)故障點(diǎn)時,會發(fā)生折射和反射,由于RSO的脈沖信號在#2線圈故障點(diǎn)產(chǎn)生了折射、反射現(xiàn)象,后續(xù)的反射波信號也相應(yīng)受到了影響,因此判斷#3線圈位置的偏差為前面線圈信號反射所致。

        2 原因分析

        轉(zhuǎn)子返廠后,對轉(zhuǎn)子進(jìn)行了抬線圈檢查,找出了匝間短路點(diǎn),在轉(zhuǎn)子負(fù)極#2線圈勵端端部第1匝與第2匝銅線邊緣發(fā)現(xiàn)明顯的燒傷痕跡,其余部位未發(fā)現(xiàn)明顯的匝間短路痕跡,可以確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果與檢查結(jié)果無誤。

        而常見的引起轉(zhuǎn)子匝間短路的可能原因有如下幾點(diǎn):

        (1)線圈毛刺遺留。

        如果是線圈的毛刺未清理干凈,轉(zhuǎn)子會在短時間內(nèi)發(fā)生匝間短路。而#3機(jī)組在前期檢修時,轉(zhuǎn)子電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒有出現(xiàn)明顯變化,是合格的,且在修前查閱運(yùn)行時也無明顯的振動偏大的情況。轉(zhuǎn)子已連續(xù)運(yùn)行9年左右,此種情況的可能性可以排除。

        (2)匝間絕緣破損、移位。

        在對轉(zhuǎn)子線圈的拆解過程中檢查匝間絕緣無移位,除匝間短路點(diǎn)處外,匝間絕緣無機(jī)械損傷痕跡,因此排除此種可能。但#3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各線圈不同匝均有不同程度的移位,由于線圈間僅靠幾厘米寬的橫軸墊塊間隔,橫軸墊塊并不能完全限制各線圈的移位,運(yùn)行中,轉(zhuǎn)子以3 000 r/min的速度高速運(yùn)轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子繞組各個線圈不僅要承受離心力的作用,還要承受超過4 000 A大電流的熱應(yīng)力,并且頻繁參與調(diào)峰運(yùn)行,負(fù)荷變化幅度大、速度快,勵磁電流頻繁變化,轉(zhuǎn)子線圈膨脹量也隨之變化,各匝線圈之間的相對位置不斷發(fā)生變化,最終在長期作用下形成不同的移位,此現(xiàn)象也容易導(dǎo)致匝間絕緣損傷。

        (3)異物、粉塵、機(jī)內(nèi)進(jìn)油。

        發(fā)電機(jī)在檢修或運(yùn)行期間,會由于各種因素導(dǎo)致異物、粉塵進(jìn)入機(jī)內(nèi)。運(yùn)行時在機(jī)內(nèi)進(jìn)油的情況下,異物、粉塵和油混合在一起形成油污,被冷卻風(fēng)吹粘附在銅線表面或匝間絕緣處并不斷堆積,最終造成線圈匝間絕緣破損放電或連通匝間絕緣,使上下匝銅線短接而出現(xiàn)放電擊穿匝間絕緣。從線圈端部的油污痕跡及短路點(diǎn)的位置看,此種可能性最大。而具體到#3機(jī)組轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子解體前靠護(hù)環(huán)端及靠護(hù)環(huán)本體表面和通風(fēng)孔內(nèi)有明顯的油污痕跡,尤其是轉(zhuǎn)子勵側(cè);拔護(hù)環(huán)后,轉(zhuǎn)軸護(hù)環(huán)搭接面及轉(zhuǎn)子線圈端部均有明顯的油污痕跡,尤其是勵側(cè);匝間短路點(diǎn)處的匝間絕緣及周圍線圈上均有油污痕跡。在發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行過程中,當(dāng)油污堆積到一定程度,連通匝間絕緣使上下匝線圈短接而出現(xiàn)放電擊穿匝間絕緣,就會形成匝間短路。另外,由于#3發(fā)電機(jī)端部線圈匝間存在位移錯位現(xiàn)象,含有異物的油污更容易粘附在線圈表面或匝間絕緣處,在發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行過程中,反復(fù)受到離心力的作用及負(fù)荷變化時轉(zhuǎn)子線圈膨脹收縮使線圈匝間含有異物的油污不斷受到摩擦擠壓,造成匝間絕緣磨損直至破壞,使上下匝線圈短接、放電,最終形成負(fù)極勵端端部#2線圈1~2匝間類似的匝間短路。

        3 結(jié)論

        (1)常見的匝間短路機(jī)組在運(yùn)行中均會引起勵磁電流或振動的異常,通過對勵磁電流和振動幅值相關(guān)性的判斷,一般均可發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在匝間短路的故障。但本機(jī)組由于處于匝間短路的早期階段且僅有一個匝間短路點(diǎn),故在運(yùn)行中并無明顯的表征現(xiàn)象。針對這種情況,停機(jī)檢修時的預(yù)防性試驗(yàn)就具有關(guān)鍵性的作用。

        (2)在機(jī)組檢修的過程中,可以利用重復(fù)脈沖(RSO)法、轉(zhuǎn)子交流電壓分布試驗(yàn)法、轉(zhuǎn)子直流電壓分布試驗(yàn)法等多種方法來判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路故障,以及實(shí)現(xiàn)對匝間短路點(diǎn)的初步定位,同時幾種方法在結(jié)果上出現(xiàn)差異時可以結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,綜合判斷故障點(diǎn)的位置,使轉(zhuǎn)子在檢修時具有針對性,節(jié)約檢修工期。

        (3)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的主要原因在于異物、粉塵、機(jī)內(nèi)進(jìn)油等,針對異物及粉塵,需要在檢修期間做好發(fā)電機(jī)內(nèi)部清掃,并防止異物留在發(fā)電機(jī)膛內(nèi),在轉(zhuǎn)子抽出發(fā)電機(jī)膛內(nèi)后要做好包裹,防止在膛外進(jìn)行試驗(yàn)及放置時有異物進(jìn)入;針對油污問題,要提高密封油氫差壓閥的控制技術(shù)水平,密封瓦采用接觸式油擋,減少運(yùn)行中的密封油霧飛入膛內(nèi),發(fā)電機(jī)底部要定期進(jìn)行排油,減少膛內(nèi)油污累積。

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