梁曉東

摘要：轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在水輪機(jī)運(yùn)行中較為常見，輕微匝間短路不會(huì)造成很大影響，但是任其發(fā)展會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，必須做好此類故障檢查、原因分析工作，并及時(shí)進(jìn)行故障處理，切實(shí)保證水輪機(jī)安全可靠運(yùn)行。本文首先分析了我國(guó)水力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，明確了水輪發(fā)電機(jī)的重要地位及其安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要性;其后圍繞轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障危害及其原因進(jìn)行了詳細(xì)探討，最后就某水電站發(fā)生的一起轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障處理展開具體分析，以期可供參考。

Abstract： Turn to turn short circuit fault of rotor winding is common in the operation of hydraulic turbine. Slight turn to turn short circuit will not cause great influence， but it will cause serious harm if it is allowed to develop. Therefore， it is necessary to do a good job in the inspection and cause analysis of such faults， and deal with the faults in time， so as to ensure the safe and reliable operation of the turbine. This paper first analyzes the development of China's hydropower industry， defines the important position of hydrogenerator and the necessity of safe and stable operation; then， it discusses in detail the harm and causes of turn to turn short circuit fault of rotor winding， and finally analyzes the treatment of turn to turn short circuit fault of rotor winding in a hydropower station， so as to provide reference.

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)子;繞組匝間短路故障;危害;原因

Key words： hydrogenerator;rotor;winding turn to turn short circuit fault;harm;cause

中圖分類號(hào)：TM312 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0207-03

0 ?引言

水作為清潔能源，具有環(huán)境影響小、發(fā)電成本低等優(yōu)勢(shì)，部分工程還具有改善區(qū)域交通、電力供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，備受區(qū)域發(fā)展重視。水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電的核心，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到水電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，影響區(qū)域電網(wǎng)供電質(zhì)量，對(duì)此在不斷增加電力裝機(jī)容量的同時(shí)，必須關(guān)注機(jī)組運(yùn)維與故障處理技術(shù)，本文主要以轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障為研究對(duì)象展開詳細(xì)論述。

1 ?水輪發(fā)電機(jī)概述

基于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求持續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)綠色電力生產(chǎn)，各種水力、風(fēng)力以及太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)從經(jīng)濟(jì)建設(shè)、能源可持續(xù)供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)以及西部大開發(fā)等多方面考慮，決定率先發(fā)展水利事業(yè)，水力發(fā)電在各個(gè)區(qū)域快速鋪開，如圖1所示為2019年全國(guó)發(fā)電量構(gòu)成占比情況，水電僅次于火電，占比在16%，因此水電站運(yùn)行情況直接影響區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性。

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截至2019年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量201066萬(wàn)千瓦，其中，水電35640萬(wàn)千瓦，2009～2019年水電裝機(jī)增長(zhǎng)情況如圖2所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年6月底全國(guó)全口徑水電裝機(jī)容量達(dá)3.6億千瓦，全國(guó)規(guī)模以上電廠水電發(fā)電4769億千瓦時(shí)，水電設(shè)備利用小時(shí)1528小時(shí)。

水電站中，水輪發(fā)電機(jī)的主要任務(wù)是將水中能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系區(qū)域供電質(zhì)量。由此，為保證區(qū)域供電穩(wěn)定性，必須重視水輪發(fā)電機(jī)故障問(wèn)題的分析與處理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查及時(shí)判斷故障原因，采取合理的維修措施，切實(shí)將故障影響范圍控制在合理范圍內(nèi)，本文主要圍繞轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障展開詳細(xì)論述。

2 ?水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障原因分析

2.1 水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)可分為兩部分，一是靜止的定子，二是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。其中，定子由鐵芯、機(jī)座、線圈等組成，定子上安裝三相繞組線圈，用以與轉(zhuǎn)子感應(yīng)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電磁能量的轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)子由主軸、轉(zhuǎn)子支架、磁極等組成，主要作用為提供勵(lì)磁磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生故障，將直接導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組出現(xiàn)運(yùn)行事故，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、查明故障、處理故障具有關(guān)鍵性意義。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是一種較為常見的故障類型，本文主要圍繞此類故障展開詳細(xì)論述。

2.2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障危害

水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組多達(dá)幾百、上千匝，而匝間絕緣厚度只有0.3～0.5mm，承受了絕大的作用力，加上一些生產(chǎn)加工質(zhì)量問(wèn)題的影響，極易產(chǎn)生匝間短路故障問(wèn)題。如表1所示列舉了國(guó)內(nèi)幾起轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障情況。

結(jié)合上述故障實(shí)例分析顯示，匝間短路故障發(fā)生后，主要表現(xiàn)為以下幾種情況：

①勵(lì)磁電流增大;

②無(wú)功功率輸出減小;

③轉(zhuǎn)子電磁力不平衡。

上述情況的出現(xiàn)，通常會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)較大振幅，問(wèn)題較輕微時(shí)不會(huì)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，但是若短路點(diǎn)存在局部過(guò)熱的情況，將造成轉(zhuǎn)子繞組接地絕緣破壞、引發(fā)接地故障，最終造成轉(zhuǎn)子鐵心損壞、轉(zhuǎn)子大軸磁化以及軸頸/瓦損壞，這也就直接威脅到了機(jī)組運(yùn)行的安全性。對(duì)此，必須重視匝間短路故障問(wèn)題，一旦發(fā)現(xiàn)及時(shí)查明故障點(diǎn)并處理，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障原因

在水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障發(fā)生幾率十分高，其原因眾多，下文主要從制造、運(yùn)行兩大方面進(jìn)行分析，具體如圖3所示。

2.3.1 制造方面

水輪發(fā)電機(jī)制造中，轉(zhuǎn)子自身存在質(zhì)量缺陷，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障出現(xiàn)的一大重要原因，經(jīng)分析具體主要有以下幾種情況：

①轉(zhuǎn)子繞組下線整形時(shí)匝間絕緣受損;

②繞組導(dǎo)體銅毛刺、倒角未拋光;

③繞組端部接頭、焊口整形不良;

④轉(zhuǎn)子繞組層間、護(hù)環(huán)導(dǎo)電金屬屑未清理。

上述問(wèn)題的存在，均會(huì)導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生故障，引發(fā)嚴(yán)重后果。

2.3.2 運(yùn)行方面

水輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子繞組長(zhǎng)期承受著移位動(dòng)態(tài)應(yīng)力，極易出現(xiàn)各種變形、破壞的情況，包括：繞組變形、磨損;繞組局部過(guò)熱，匝間絕緣被破壞等。此外，由于勵(lì)磁繞組在外面，磁極間絕緣易潮濕、污穢易積聚鍵體附近，轉(zhuǎn)子點(diǎn)焊鍵體檢修時(shí)，若是掉落焊渣、焊錫，均會(huì)造成轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的出現(xiàn)。

3 ?實(shí)例探析水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障處理

3.1 故障情況

本次發(fā)生故障的是水電站3#水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，長(zhǎng)期運(yùn)行后，此機(jī)組上導(dǎo)擺度呈現(xiàn)為逐年增大態(tài)勢(shì)，2013年年度檢修時(shí)，調(diào)整了機(jī)組的上導(dǎo)擺度，在并網(wǎng)的初期，機(jī)組的上導(dǎo)擺度檢測(cè)顯示合格，然而運(yùn)行了一段時(shí)間以后，再次產(chǎn)生了超標(biāo)的問(wèn)題。

結(jié)合相關(guān)分析可知，發(fā)電機(jī)振動(dòng)、擺度過(guò)大的原因主要分為兩種，轉(zhuǎn)子質(zhì)量或是磁力不平衡。2015年機(jī)組檢修時(shí)專門對(duì)3#發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了試驗(yàn)分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在同樣的試驗(yàn)條件下，轉(zhuǎn)子磁極繞組交流阻抗差異顯著，部分磁極繞組的交流阻抗值低于正常值10%。由此，初步判斷存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)磁力不平衡的情況。

3.2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障處理

基本確定故障情況后，下一步就是快速處理故障，具體步驟如下：

①定位故障磁極編號(hào)，故障磁極線圈與相鄰的正常磁極線圈交流阻抗數(shù)據(jù)應(yīng)呈現(xiàn)為“V”形狀態(tài)，對(duì)此結(jié)合圖4分析可得，6、8、10、16、22、25、39號(hào)磁極均符合這一特征;27、28號(hào)磁極線圈交流阻抗十分低，雖然“V”形不明顯，但是依舊存在故障的可能性。

②重點(diǎn)檢查上述9個(gè)磁極，發(fā)現(xiàn)磁極線圈表面全部有灼傷痕跡。

③拆下磁極復(fù)測(cè)交流阻抗，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，在復(fù)測(cè)過(guò)程中，22號(hào)磁極表面處理后，交流阻抗恢復(fù)正常，其他全部都要返廠處理，由此也證明了前期判斷的正確性。

④拆下的9個(gè)磁極線圈中，除了22號(hào)其余全部使用備品更換（備品試驗(yàn)合格），然后將故障磁極線圈返廠維修。

⑤磁極更換、連線后，在此進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)加過(guò)顯示，在同樣的試驗(yàn)電流下，此次測(cè)試屬于與2004 年基本一致，具體如圖5所示。

3.3 振擺超標(biāo)故障處理

完成轉(zhuǎn)子磁極線圈的更換后，還無(wú)法判斷轉(zhuǎn)子質(zhì)量是否依舊不平衡，由此必須對(duì)3#機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)：

①變勵(lì)磁試驗(yàn)顯示，電壓不斷變化情況下，上/下導(dǎo)擺度、上機(jī)架水平振動(dòng)均呈現(xiàn)為隨磁拉力的增大而小幅增加的情況，機(jī)組磁力不平衡;

②變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)顯示，轉(zhuǎn)速上升同時(shí)，上/下導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)顯著增大，質(zhì)量不平衡情況依舊存在。

針對(duì)此情況，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行約150kg配重處理，再次進(jìn)行行動(dòng)平衡試驗(yàn)顯示，發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)、空載時(shí)振擺幅值明顯下降，滿足規(guī)范要求。

3.4 故障處理效果

本次故障處理后，3#發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，未再出現(xiàn)振擺超標(biāo)問(wèn)題。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，轉(zhuǎn)子是水輪發(fā)電機(jī)的重要構(gòu)成部分，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，故障極磁場(chǎng)削弱，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障側(cè)單邊的磁拉力降低，出現(xiàn)不平衡磁拉力，此情況嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)劇烈振動(dòng)?；诖?，在水輪機(jī)日常運(yùn)行與檢修管理中，必須要重視轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障問(wèn)題，及時(shí)檢查、確定故障問(wèn)題，做好處理，最大限度的減少故障停運(yùn)時(shí)間，恢復(fù)水電站正常運(yùn)行。

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