王洪剛

【摘要】本文介紹了大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的原因及分類，重點探討轉(zhuǎn)子匝間短路故障的常見檢測方法，并根據(jù)某電廠歷史上發(fā)生的轉(zhuǎn)子接地事故介紹轉(zhuǎn)子匝間短路檢測方法的實際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)子繞組；匝間短路；檢測方法

前言

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，目前汽輪發(fā)電機的功率越來越大，特別是新建超臨界燃煤發(fā)電機組和核電機組，基本上都是100MW及以上，其汽輪發(fā)電機往往轉(zhuǎn)速高，電壓等級高，電流負(fù)荷大。由于發(fā)電機容量大，轉(zhuǎn)速高，如果在設(shè)計和制造上存在不足，或者運行檢修工藝不當(dāng)，則轉(zhuǎn)子出現(xiàn)問題幾率就比較大。轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)的問題主要有接地、開路和匝間短路等故障，其中轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路故障占有非常大比例，嚴(yán)重影響各機組安全運行。

1、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障研究的意義

1）轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的危害

發(fā)電機組可以在轉(zhuǎn)子繞組一點接地的情況下短時間運行。但如果出現(xiàn)第二點接地則會在繞組、大軸之間形成環(huán)流，影響磁場對稱性，從而引起機組強烈振動和轉(zhuǎn)子軸磁化。若故障得不到有效控制，短路點局部過熱會導(dǎo)致繞組絕緣燒毀接地，線棒過熱會導(dǎo)致變形或燒熔，甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子燒毀事故。對機組的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行構(gòu)成巨大威脅。

2）匝間短路產(chǎn)生的原因

制作工藝不良

在下線、整形等工藝過程中損傷匝間絕緣；銅線有硬塊、毛刺，也會造成匝間絕緣損傷。

運行中，在電、熱和機械等綜合應(yīng)力的作用下，繞組產(chǎn)生變形、位移，造成匝間絕緣斷裂、磨損、脫落。

異物進(jìn)入。異物的危害體現(xiàn)在以下三個方面：金屬性異物會造成線棒絕緣磨損，造成轉(zhuǎn)子接地；油類臟污加速絕緣材料的化學(xué)性老化；異物堵塞風(fēng)道引起局部過熱，從而引發(fā)絕緣失效。

3） 匝間短路的分類

轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路，按其短路的穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種。所謂穩(wěn)定的匝間短路是指這種短路與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和溫度等均無關(guān)。而不穩(wěn)定的匝間短路，則與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和溫度等有關(guān)，以及在高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速、高溫或低溫時才發(fā)生短路，或者在轉(zhuǎn)速和溫度同時作用下才出現(xiàn)短路。穩(wěn)定與不穩(wěn)定的匝間短路往往是相互牽連的，穩(wěn)定的非金屬短路常常＼是不穩(wěn)定的金屬短路征兆，而不穩(wěn)定的短路最后都會發(fā)生成穩(wěn)定的短路。

2、發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣診斷方法

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣的診斷策略主要體現(xiàn)在：轉(zhuǎn)子繞組絕緣監(jiān)測和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路點定位。繞組絕緣監(jiān)測包括繞組絕緣在線監(jiān)測和離線電氣試驗檢查。在線監(jiān)測手段主要包括：氣隙波形探測線圈和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)繼電器。離線電氣試驗檢查方法主要包括：繞組直阻測量、轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗等。繞組匝間短路點的定位手段主要有直流壓降定位法、電橋法、RSO試驗法、交流電壓分布法等。

2.1轉(zhuǎn)子繞組絕緣監(jiān)測

2.1.1轉(zhuǎn)子繞組絕緣在線監(jiān)測

轉(zhuǎn)子繞組絕緣監(jiān)測包括氣隙探測線圈和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)繼電器

某電廠發(fā)電機組在定子14、29槽分別安裝了氣隙波形監(jiān)測線圈，每個線圈由軸向和徑向線圈組成并程垂直分布。漏磁切割線圈產(chǎn)生相應(yīng)波形，通過檢測波形的形狀、幅值的變化來判斷轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣狀況，測量波形如下所示：

13A-B 14A-B

15A-B 16A-B

波形判斷依據(jù)如下：

a觀察波形圖與槽對應(yīng)的各波峰的包絡(luò)線是否連續(xù)平滑，凡在兩各半周（指基波而言）的包絡(luò)線對應(yīng)各槽的波峰出現(xiàn)凹縮者，即認(rèn)為對應(yīng)的槽中存在短路匝。

b短路槽波峰凹縮時，同時與其相鄰槽的波峰反而有所升高，凹縮的越深相鄰槽的波峰越高，這是判斷嚴(yán)重短路匝的一個特征。

c將測量波形與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行對照，判斷有無匝間短路點存在。

轉(zhuǎn)子接地故障監(jiān)測繼電器（在線）

某電廠機組轉(zhuǎn)子接地報警繼電器安裝在正滑環(huán)上高阻接地，通過監(jiān)測流經(jīng)繼電器的接地電流產(chǎn)生報警，接地電流報警值設(shè)定為30mA；某電廠發(fā)電機組接地保護(hù)繼電器保護(hù)原理為：正常運行情況下，該繼電器產(chǎn)生4.75Hz頻率、8.5Vrms的交流低頻電壓信號，將該信號通過濾波電路接入轉(zhuǎn)子。繼電器通過電子探測回路來監(jiān)測轉(zhuǎn)子回路的對地絕緣電阻，當(dāng)沒有接地故障發(fā)生的情況下，8.5V電壓維持在正常值，有故障發(fā)生，該電壓發(fā)生變化，繼電器動作。

2.1.2繞組離線電氣試驗檢查

線圈直阻測量

直阻測量作為檢查轉(zhuǎn)子繞組是否尋在匝間短路的最基本方法。從理論上講，當(dāng)線圈存在匝間短路的情況下，線圈直阻會變小。但是由于轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)較多，阻值較小，并受雙臂電橋測量精度和誤差限制，輕微的的匝間短路無法通過該方法準(zhǔn)確判斷，該法只能作為一種輔助性的檢測手段。

交流阻抗試驗

轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗是一種檢測繞組絕緣情況的常用手段，具有靈敏度高，判斷較為準(zhǔn)確的特點。試驗過程中測量不同電流平臺下的阻抗值進(jìn)行絕緣情況分析。由于該檢測方法易受外界因素如剩磁、轉(zhuǎn)子位置等因素干擾，因此注重在外界條件相同情況下進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)對比，從而判斷繞組絕緣有無劣化趨勢。

2.2轉(zhuǎn)子繞組匝間短路點定位

直流壓降定位法

直流壓降定位法為繞組匝間短路故障點定位的常用方法，具有簡單易行的特點，該法最大的優(yōu)勢在與能在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的情況下進(jìn)行，通過測量轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)極電壓判斷故障點到端部的距離。

距正滑環(huán)L+= （1）

距負(fù)滑環(huán)L-=（2）

直流壓降定位法能迅速判斷故障點距端部的相對距離，但無法準(zhǔn)確定位其所在的匝數(shù)。

電橋定位法

電橋定位法與直流壓降定位法原理相同在發(fā)電機轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下，采用電橋法測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障點位置。測試方法如圖所示，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈施加一直流電流，調(diào)節(jié)滑線電阻器至電流表指示為零，測量滑線電阻器R1、R2的電阻值。

距正極L+=（3）

距負(fù)極L-=（4）

電橋定位法能判斷故障點距端部的相對距離，但無法準(zhǔn)確定位其所在的匝數(shù)。

RSO試驗法

RSO測試方法是一種使用方便、靈敏度極高，判斷較準(zhǔn)確的無損檢測新方法，它適用于分析發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間金屬性或非金屬性短路故障，可以早期發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕緣的潛在性故障。

RSO試驗應(yīng)用的是波過程理論（行波技術(shù)），在轉(zhuǎn)子繞組的兩端同時注入一個連續(xù)的前沿陡峭的低電壓（5-10V）脈沖波。當(dāng)脈沖在轉(zhuǎn)子繞組傳播時，一旦遇到任何在繞組的特性阻抗上有不連續(xù)的地方，就會產(chǎn)生一個反射脈沖，反射脈沖會重新回到注入點，示波器監(jiān)視注入點的電壓顯示為注入波與反射波的合成波形。通過分析比較在轉(zhuǎn)子線圈兩端測得的合成波形的延時和電壓幅值，來判斷故障部位和故障電阻大小。

某電廠2號機組在大修時，測量轉(zhuǎn)子的RSO試驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子有匝間短路現(xiàn)象，如下圖所示：

由故障點計算公式，T≈t≈20μs，因此故障點約在轉(zhuǎn)子線圈的中間位置，即在負(fù)極的8號線圈上。

根據(jù)轉(zhuǎn)子兩極線圈的對稱性，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈一極的匝間絕緣發(fā)生短路時，若與之對稱的發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈另一極同時短路，則兩線圈短路點的對地電容電感變化相同（即發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈兩極阻抗變化相同），依據(jù)RSO試驗原理，RSO的高頻脈沖信號在兩極線圈的衰減相同，信號波形完全重疊。

鑒于此，我們在發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈0PP-Z極第八槽各匝間不同位置進(jìn)行人為的模擬匝間短路，當(dāng)模擬短路位置在發(fā)電機轉(zhuǎn)子OPP-Z極第八槽汽端第6-7匝間時，RSO的高頻脈沖信號波形在同一位置發(fā)生反向變化，由此可以判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣缺陷發(fā)生在發(fā)電機轉(zhuǎn)子Z極第八槽汽端第6-7匝間，波形如下圖所示：

交（直）流電壓分布法

交（直）流電壓分布法是根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組電壓的線性分布，向繞組中通入一定電流，

通過測量每槽線圈對地及同槽匝間電壓對故障點進(jìn)行定位。在繞組無匝間短路時，槽內(nèi)匝間電壓呈線性分布。

交（直）流電壓分布測試圖

電壓分布數(shù)據(jù)及圖示

3、實例應(yīng)用轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障點定位

某電廠2號主變B、C兩相匝間短路，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子造成較大沖擊。啟機并網(wǎng)過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地報警，停機處理。轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)拔出后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子端部繞組有燒損現(xiàn)象。

繞組短路故障點性質(zhì)判斷及定位

1）繞組絕緣電阻測量

在發(fā)電機組與電網(wǎng)解列后，電氣處為判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障點的性質(zhì)，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的絕緣電阻進(jìn)行測量，測量結(jié)果如上表。

從測量結(jié)果分析發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點為不穩(wěn)定的非金屬接地故障。

2）直流壓降法定位

在發(fā)電機組與電網(wǎng)解列后，為查找發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點的位置，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3000n/s下，電氣處用自制工具對發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)電壓進(jìn)行測量，測量結(jié)果如下：

從測量結(jié)果分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點的位置為：

距正滑環(huán)L+=

距負(fù)滑環(huán)L-=

根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的幾何尺寸分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障點的位置在發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的中部偏負(fù)滑環(huán)處，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子線棒的第八、二十五槽上，因為發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點為不穩(wěn)定的非金屬接地，故發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點位置不能準(zhǔn)確定位。

3）電橋法定位法

在發(fā)電機轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下，采用電橋法測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障點位置。測試方法如圖所示，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈施加一直流電流，調(diào)節(jié)滑線電阻器至電流表指示為零，測量滑線電阻器R1、R2的電阻值，R1=4.1Ω，R2=3.1Ω；

從測量的結(jié)果分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點的位置為：

距正極L+=

距負(fù)極L-=

根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的幾何尺寸分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障點的位置在發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的中部偏負(fù)極處，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子線棒的第八、二十五槽上。

4）直流電壓分布試驗

為驗證發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)拉出后，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流電壓分布試驗。如圖所示，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈上施加一個2.09V，22A的直流電壓，首先測量每槽線棒對地電壓分布，測量結(jié)果如下：

從電壓分布上分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點在Z8槽線棒上。測量Z8槽線棒對地電壓分布如下：

從電壓分布上分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地點在Z8槽線棒D點的第二匝上，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子第二十五槽汽端槽口處，其位置與擊穿點位置相同。

為了進(jìn)一步判斷其他匝間短路點存在，將故障線棒抬出后進(jìn)行了交流耐壓試驗，判斷出除Z8槽線棒上的短路點外，還有其他一短路點。

5）交流電壓分布試驗

為確定發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈故障位置，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行交流電壓分布試驗。如圖所示，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈上施加一個16.14V、4A的交流電壓，首先測量每槽線棒的電壓分布，測量結(jié)果如下：

從電壓分上分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障點在OPP Z極的第七槽線棒上。測量OPP Z極第七槽線棒電壓分布如下：

從電壓分布上分析，發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障點在OPP Z極第七槽線棒D點的第四、第五匝上，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子第二十三槽汽端槽口處的第四、第五匝上。

4、總結(jié)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路是發(fā)電機的常見故障，對機組的安全運行有著較大危害。發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路的診斷策略主要體現(xiàn)在匝間絕緣的在線監(jiān)測及事故后故障點的快速準(zhǔn)確查找。本文介紹了某電廠發(fā)電機組轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣的在線監(jiān)測手段，歸納了匝間短路故障點查找的常用方法。結(jié)合某電廠歷史的轉(zhuǎn)子繞組短路事故，介紹了匝間短路點定位方法的實際應(yīng)用，希望對以后類似故障的處理有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]李建明，朱康主編.高壓電氣設(shè)備試驗方法，四川省電力試驗研究院

[2]付自清 編寫.高壓電機故障檢測及維修.