董 朋，袁 超，封建寶，呂建紅，孫 鳴，劉 全

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一起1000MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷分析

董 朋1，袁 超2，封建寶2，呂建紅1，孫 鳴1，劉 全2

（1. 國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221100；2. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102）

近年來，江蘇電網(wǎng)的裝機(jī)容量已接近90GW，1000MW機(jī)組作為江蘇電源的主力機(jī)組，其安全可靠運(yùn)行對(duì)江蘇電網(wǎng)至關(guān)重要。在某1000MW汽輪發(fā)電機(jī)的小修期間，通過交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)懷疑轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障，于是采用重復(fù)脈沖法、兩極平衡法、線圈電壓法進(jìn)一步判斷分析，判斷出匝間短路點(diǎn)為P1極7號(hào)線圈。隨后將該轉(zhuǎn)子返廠解體后，發(fā)現(xiàn)7號(hào)線圈第3匝和第4匝之間絕緣碳化嚴(yán)重，經(jīng)修復(fù)后轉(zhuǎn)子正常投入運(yùn)行。本文提出的綜合判斷匝間短路的方法對(duì)相關(guān)人員具有借鑒作用。

發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；匝間短路；重復(fù)脈沖法

0 前言

近年來，江蘇省電網(wǎng)不斷發(fā)展，電源的總裝機(jī)容量已接近90GW，形成了“北電南送、西電東送”的格局以及“五縱五橫”的主網(wǎng)構(gòu)架。發(fā)電機(jī)作為電廠內(nèi)最重要的電氣設(shè)備之一，特別是超超臨界的發(fā)電機(jī)組，其安全運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)可靠供電至關(guān)重要[1-4]。汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組常常會(huì)發(fā)生匝間短路的情況，其主要原因有兩點(diǎn)：一是由于機(jī)組頻繁起停中繞組受到巨大的離心力，使得匝間絕緣產(chǎn)生位移、變形或局部損壞；二是由于制造的工藝不精，繞組固定不牢、導(dǎo)條加工留存毛刺或凹凸不平，匝間絕緣偏出，異物進(jìn)入，導(dǎo)致絕緣損壞[5-8]。

在發(fā)電機(jī)發(fā)生輕微匝間短路的初期，常常會(huì)因?yàn)楣收咸卣鞑幻黠@且對(duì)運(yùn)行沒有較大影響而被忽略，但久而久之，隨著故障點(diǎn)的發(fā)展，氣隙磁通波形會(huì)出現(xiàn)明顯畸變，轉(zhuǎn)子電流顯著增加，繞組溫度升高。如若轉(zhuǎn)子匝間短路的嚴(yán)重程度增加，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障發(fā)生，使得轉(zhuǎn)子大軸磁化，嚴(yán)重者將燒損軸頸和軸瓦，對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅[9-13]。

國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中也要求在發(fā)電機(jī)檢修中通過探測(cè)線圈波形法、交流阻抗法或重復(fù)脈沖測(cè)試法進(jìn)行動(dòng)態(tài)及靜態(tài)匝間短路檢查試驗(yàn)。

本文針對(duì)一臺(tái)1000MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障，應(yīng)用交流阻抗法、重復(fù)脈沖法、兩極電壓平衡法等方法綜合診斷，并結(jié)合返廠解體檢查情況對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 發(fā)電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行情況

某電廠2號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)型號(hào)為THDF125/67，由上海電氣電站設(shè)備有限公司生產(chǎn)制造，2011年出廠。發(fā)電機(jī)額定功率為1000MW，定子電壓27kV，定子電流23778A。

該發(fā)電機(jī)自2011年12月投產(chǎn)以來，運(yùn)行情況良好，未發(fā)生嚴(yán)重故障。2012年和2014年分別對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢修，根據(jù)轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)結(jié)果未見明顯異常。本次檢修前，發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況穩(wěn)定，勵(lì)磁電流正常，軸振數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)。2016年8月發(fā)電機(jī)進(jìn)行C修，轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)進(jìn)行交流阻抗測(cè)量，發(fā)現(xiàn)與出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，阻抗值降低6.26%，功率損耗增加5.6%，于是對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行進(jìn)一步診斷。

2 現(xiàn)場故障分析

2.1 直流電阻測(cè)試

轉(zhuǎn)子直流電阻測(cè)試是檢修試驗(yàn)和診斷試驗(yàn)中的常規(guī)項(xiàng)目，首先對(duì)該發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子直流電阻測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果換算至20℃時(shí)的值，見表1。

表1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組直流電阻測(cè)試結(jié)果

從表1中的數(shù)據(jù)可知，同溫度下的直流電阻值與出廠值相比，減小了0.3%，偏差不超過1%，小于標(biāo)準(zhǔn)中要求的與交接或出廠值比較差別不超過2%的要求，但這并不能完全說明轉(zhuǎn)子繞組未發(fā)生匝間短路故障。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障僅為局部故障點(diǎn)的時(shí)候，其對(duì)直流電阻值的影響非常小，只有當(dāng)短路匝數(shù)較多的時(shí)候，直流電阻值才會(huì)發(fā)生明顯下降，該方法的靈敏度較低。因此若要判斷匝間絕緣是否良好，需要進(jìn)行多方法的綜合判斷。

2.2 交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)

交流阻抗和功率損耗法是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路判斷分析方法。當(dāng)發(fā)生故障后，繞組有效勵(lì)磁線圈數(shù)減少，對(duì)于機(jī)組在同一運(yùn)行狀態(tài)下，阻抗值會(huì)降低，功率損耗會(huì)增加，但該方法測(cè)試時(shí)需排除轉(zhuǎn)子周圍鐵磁性物質(zhì)對(duì)結(jié)果的影響。本次檢修的交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)外施交流電壓為100V時(shí)，交流阻抗值降低5.7%，功率損耗增加5.8%；當(dāng)電壓升至160V時(shí)，交流阻抗值降低6%，功率損耗增加5.1%；當(dāng)電壓達(dá)到200V時(shí)，交流阻抗值降低7.4%，功率損耗增加4.4%。比較本次試驗(yàn)結(jié)果和出廠值來看，交流阻抗值明顯降低，功率損耗在增加，轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的可能性非常大，需進(jìn)一步開展試驗(yàn)診斷。

表2 發(fā)電機(jī)交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)結(jié)果

2.3 重復(fù)脈沖法檢測(cè)

重復(fù)脈沖法（RSO）法是利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)稱性，通過注入重復(fù)脈沖并對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集分析，判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的檢測(cè)方法[14-16]。轉(zhuǎn)子繞組可以看成一條傳輸線，脈沖波在其上的傳播特性受波阻抗的影響，如圖1所示，當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生匝間短路后，該點(diǎn)的波阻抗會(huì)發(fā)生變化，1≠2脈沖波傳輸?shù)紸點(diǎn)后會(huì)發(fā)生折射和反射。

圖1 脈沖波在匝間短路點(diǎn)傳播示意圖

折射系數(shù)和反射系數(shù)如式（1）：

由于匝間短路的程度和短路點(diǎn)位置的不同，那么從兩極注入脈沖的響應(yīng)信號(hào)也不同，因此信號(hào)疊加后會(huì)在波形上出現(xiàn)脈沖尖峰。圖2為本次發(fā)電機(jī)重復(fù)脈沖法測(cè)試的波形。

從圖2波形中可以看出，正、負(fù)極繞組的響應(yīng)波形有一處位置明顯不重合，差值出現(xiàn)0.3V左右的尖峰，且根據(jù)測(cè)試波形的響應(yīng)時(shí)間，初步判斷轉(zhuǎn)子7號(hào)線圈繞組存在靜態(tài)匝間短路。

2.4 極電壓平衡法

轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)，其兩極間具有良好的對(duì)稱性，若給兩極施加交流電壓，兩極分別對(duì)極中點(diǎn)的電壓應(yīng)該是相等的。極電壓平衡法能較為靈敏地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路故障，其電壓偏移大小取決于匝間短路故障的位置和嚴(yán)重程度。本臺(tái)發(fā)電機(jī)的極電壓平衡法試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組極電壓平衡試驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以看出，兩極電壓的偏差達(dá)10.7V，是最大電壓值的10.3%，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，極間電壓差超過最大電壓值的3%時(shí)，可判定為匝間短路。根據(jù)前文中幾種方法的測(cè)量結(jié)果可以綜合判斷出該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中存在匝間短路故障。

2.5 線圈電壓法

為進(jìn)一步判斷繞組匝間短路的位置，應(yīng)用線圈電壓法進(jìn)行定位，給繞組兩極間施加196.1V電壓，轉(zhuǎn)子P1、P2極各繞組間電壓見表4。

表4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組線圈電壓法試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4中各線圈電壓的測(cè)量數(shù)據(jù)，將其繪制成電壓曲線，如圖3所示。

從表4中的數(shù)據(jù)和圖3中曲線的重合度可以看出，1~6號(hào)線圈電壓值基本相同，偏差一般在0.1~0.2V左右，7號(hào)線圈兩極繞組差值達(dá)9.4V，存在明顯異常，初步可以判定7號(hào)線圈存在匝間短路的故障。

圖3 轉(zhuǎn)子兩極各線圈電壓曲線

3 返廠檢查情況

為進(jìn)一步檢查確認(rèn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障嚴(yán)重程度并對(duì)故障線圈進(jìn)行修理更換，電廠將發(fā)電機(jī)運(yùn)返制造廠。

轉(zhuǎn)子拔掉護(hù)環(huán)后，進(jìn)行匝間電壓分布試驗(yàn)，在懷疑匝間短路的P1極7號(hào)線圈處，測(cè)量相鄰兩匝之間的電壓差，分別記做12、23……67，如表5所示。

表5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間電壓分布試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)匝間電壓分布試驗(yàn)的結(jié)果，初步可以判斷在P1極7號(hào)線圈第3匝和第4匝之間發(fā)生了短路。隨后，拆除汽、勵(lì)側(cè)護(hù)環(huán)及汽測(cè)葉片、風(fēng)扇座后，檢查7號(hào)線圈第3匝和第4匝之間表面未發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)。褪焊P1極7號(hào)線圈端部上部3匝線圈，發(fā)現(xiàn)距槽口425mm處有故障點(diǎn)，疑似鐵磁異物短路燒損點(diǎn)，匝間雙層絕緣均已過熱碳化，形成孔洞，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子兩極各線圈電壓曲線

解體檢查發(fā)現(xiàn)的故障點(diǎn)與前文的分析診斷結(jié)果具有很好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了幾項(xiàng)試驗(yàn)的綜合判斷的準(zhǔn)確性。

4 小結(jié)

（1）可參照DL/T1525標(biāo)準(zhǔn)中的要求采用交流阻抗和功率損耗法和重復(fù)脈沖法對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路早期潛伏性故障進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，懷疑有故障后需采用極電壓平衡法、線圈電壓法和匝間電壓分布法進(jìn)行綜合分析診斷；

（2）在轉(zhuǎn)子檢修試驗(yàn)中，重復(fù)脈沖法較傳統(tǒng)的交流阻抗法具有靈敏度高、可定位、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)按照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》開展相關(guān)試驗(yàn)；

（3）匝間電壓分布測(cè)量結(jié)果對(duì)于繞組匝間短路的定位十分有效，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性。

[1] 張征平. 大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析與診斷[M]. 中國電力出版社, 2011.

[2] 關(guān)建軍. 大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2003(2):18-22.

[3] 李永剛, 李和明, 趙華. 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷新判據(jù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(6):112-116.

[4] Kulkarni A S, El-Sharkawi M A, Marks R J, et al. Development of a technique for on-line detection of shorts in field windings of turbine-generator rotors: circuit design and testing[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 15(1):8-13.

[5] Foggia A, Torlay J E, Corenwinder C, et al. Circulating current analysis in the parallel-connected windings of synchronous generators under abnormal operating conditions[C]// Electric Machines and Drives, 1999. International Conference Iemd. IEEE, 1999:634-636.

[6] 李曉明, 劉東明. 大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的測(cè)試與分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2003(3):7-11.

[7] 范天明. 基于重復(fù)脈沖法的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路探測(cè)[D]. 華北電力大學(xué)(河北), 2007.

[8] 劉慶河. 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的檢測(cè)方法[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2004(4):13-16.

[9] 賈志東, 陳海, 張征平,等. 采用重復(fù)脈沖法診斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(11):2927-2933.

[10] 向成, 劉志強(qiáng). 大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組RSO試驗(yàn)分析和探討[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(1):16-20.

[11] 倪勤, 盛明珺, 鄭冬東. 大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣診斷新技術(shù)RSO重復(fù)脈沖法[J]. 安徽電力, 2007(1):59-61.

[12] 袁振亞. 檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的RSO實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用分析[J]. 電氣技術(shù), 2010(4):25-27.

[13] 馬鐵軍, 劉念, 劉琨,等. 大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征量的理論分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2012(4):21-24.

[14] 李浪輝. 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷[J]. 熱力發(fā)電, 2011, 40(5):86-86.

[15] 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[S].

[16] DL/T 596-1996, 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S]．

Diagnosis and Analysis of Interturn Short Circuit Fault in Rotor of a 1000MWTurbine Generator

DONG Peng1, YUAN Chao2, FENG Jianbao2, LYU Jianhong1, SUN Ming1, LIU Quan2

(1.Guohua Xuzhou Power Generation Co., Ltd.,Xuzhou 221100, China;2. Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

In recent years, the installed capacity of Jiangsu power grid is close to 90 GW. 1000 MW generator as the main unit of Jiangsu power supply, it is very important for the safe and reliable operation of Jiangsu power grid. During the minor repair of a 1000 MW steam turbine generator, alternating current impedance and the power loss test indicatesthat rotor winding interturn short circuit fault exists, and by the methods of repetitive pulse, polar balance and coil voltage, the interturn short-circuit pointis located at P1-7 coil. Then the rotor is returned to the factory and disassembled, the insulation of coil 7 between turn 3 and 4 is carbonizingseriously. After repair mend, the rotor run normally and seriously.

generator; rotor; interturn short circuit; repetitive pulse method

TM307+.1

A

1000-3983(2018)03-0016-04

2017-08-16

董朋（1982-），2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事火力發(fā)電廠電氣技術(shù)管理工作，工程師。