王詩堯

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 522000）

0 引言

轉子匝間短路是大型發(fā)電機轉子常見故障之一，轉子匝間短路會對發(fā)電機的正常運行產(chǎn)生危害，容易使轉子產(chǎn)生較大的振動[1]。本文分析的發(fā)電機轉子僅存在一處匝間短路點，暫未對轉子振動及勵磁電流產(chǎn)生較大影響，但為了避免故障進一步擴大，對轉子進行了修理，以保證其運行狀態(tài)可靠。

1 檢測過程

2022年3月靖海電廠#3機組B級檢修，發(fā)電機檢修項目包括發(fā)電機轉子大修。在修前查閱#3發(fā)電機運行記錄時，轉子的前后軸振并無明顯的振動異常情況，其振動隨負荷（400～1 000 MW）變化幅度約為30 μm（振幅在40～70 μm波動）。結合勵磁電流與負荷情況綜合判斷，其振動幅度與勵磁電流也無明顯的正相關性。

在例行預防性試驗過程中發(fā)現(xiàn)，轉子兩極電壓存在不平衡現(xiàn)象，在總試驗電壓200 V的情況下，正極電壓為104.7 V，負極電壓為95.3 V，偏差值達到最大電壓值的4.7%。根據(jù)DL/T 1525—2016《隱極同步發(fā)電機轉子匝間短路故障診斷導則》，“6.1.4 判斷故障應符合下列原則：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)電機轉子存在匝間短路現(xiàn)象。

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

圖1 轉子靜態(tài)RSO波形（膛外）

該轉子繞組共有兩個極，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)域對應轉子的#2線圈，#2不吻合區(qū)域對應轉子的#3線圈。#1不吻合區(qū)域中的最大偏差率達到33.3%，#2不吻合區(qū)域中的最大偏差率達到8.3%。根據(jù)中國電機工程學會標準T/CSEE 0041—2017《隱極同步發(fā)電機轉子重復脈沖（RSO）試驗導則》，#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)域均超過了標準規(guī)定限值的要求，說明該轉子在#1和#2不吻合區(qū)域均存在匝間短路故障。

為進一步準確判斷轉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子繞組進行電壓分布試驗[3]，其中交流電壓分布試驗電壓為100 V，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 轉子電壓交流分布數(shù)據(jù)

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

圖2 轉子電壓交流分布

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來判斷。

直流電壓分布試驗是在集電環(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試驗的檢測結果有較大的出入。導致這一差異的原因主要是轉子內(nèi)、外兩個滑環(huán)與轉子軸頸中各自的導電桿連接螺釘處以及導電桿與#1線圈的大導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中并無問題，原因為RSO試驗是在轉子兩極上同時施加一個前沿陡峭的重復脈沖信號，在脈沖信號途經(jīng)故障點時，會發(fā)生折射和反射，由于RSO的脈沖信號在#2線圈故障點產(chǎn)生了折射、反射現(xiàn)象，后續(xù)的反射波信號也相應受到了影響，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

轉子返廠后，對轉子進行了抬線圈檢查，找出了匝間短路點，在轉子負極#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，可以確認試驗結果與檢查結果無誤。

而常見的引起轉子匝間短路的可能原因有如下幾點：

（1）線圈毛刺遺留。

如果是線圈的毛刺未清理干凈，轉子會在短時間內(nèi)發(fā)生匝間短路。而#3機組在前期檢修時，轉子電氣試驗數(shù)據(jù)并沒有出現(xiàn)明顯變化，是合格的，且在修前查閱運行時也無明顯的振動偏大的情況。轉子已連續(xù)運行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。

在對轉子線圈的拆解過程中檢查匝間絕緣無移位，除匝間短路點處外，匝間絕緣無機械損傷痕跡，因此排除此種可能。但#3發(fā)電機轉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，運行中，轉子以3 000 r/min的速度高速運轉，轉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大電流的熱應力，并且頻繁參與調峰運行，負荷變化幅度大、速度快，勵磁電流頻繁變化，轉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)象也容易導致匝間絕緣損傷。

（3）異物、粉塵、機內(nèi)進油。

發(fā)電機在檢修或運行期間，會由于各種因素導致異物、粉塵進入機內(nèi)。運行時在機內(nèi)進油的情況下，異物、粉塵和油混合在一起形成油污，被冷卻風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的位置看，此種可能性最大。而具體到#3機組轉子，轉子解體前靠護環(huán)端及靠護環(huán)本體表面和通風孔內(nèi)有明顯的油污痕跡，尤其是轉子勵側；拔護環(huán)后，轉軸護環(huán)搭接面及轉子線圈端部均有明顯的油污痕跡，尤其是勵側；匝間短路點處的匝間絕緣及周圍線圈上均有油污痕跡。在發(fā)電機長期運行過程中，當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)電機長期運行過程中，反復受到離心力的作用及負荷變化時轉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，最終形成負極勵端端部#2線圈1～2匝間類似的匝間短路。

3 結論

（1）常見的匝間短路機組在運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性的判斷，一般均可發(fā)現(xiàn)機組存在匝間短路的故障。但本機組由于處于匝間短路的早期階段且僅有一個匝間短路點，故在運行中并無明顯的表征現(xiàn)象。針對這種情況，停機檢修時的預防性試驗就具有關鍵性的作用。

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

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