某電廠600 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷和處理

劉建峰，任章鰲

(1.湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，湖南長(zhǎng)沙410203；2.國(guó)網(wǎng)湖南電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

某電廠600 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷和處理

Diagnosis and treatment of turn-to-turn short circuit of 600 MW generator rotor windings

劉建峰1，任章鰲2

(1.湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司，湖南長(zhǎng)沙410203；2.國(guó)網(wǎng)湖南電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

某電廠600 MW汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組大修期間，通過采用RSO重復(fù)脈沖法、交流阻抗及損耗、兩極電壓平衡等方法，診斷出轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。發(fā)電機(jī)廠家現(xiàn)場(chǎng)解體證實(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路故障，故障點(diǎn)位置與試驗(yàn)判斷一致，通過細(xì)致的檢修工藝處理，轉(zhuǎn)子試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格后投入運(yùn)行正常。

汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子匝間短路；故障診斷；處理工藝

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路是汽輪發(fā)電機(jī)常見的故障之一，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜。繞組間匝間絕緣薄，容易發(fā)生匝間短路，對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)備安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定有重大危害〔1－4〕。近年來，大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流增大、發(fā)電機(jī)無功出力降低，不平衡的匝間短路會(huì)引起機(jī)組劇烈振動(dòng)，匝間短路產(chǎn)生的電弧燒損對(duì)地絕緣進(jìn)而發(fā)展成接地故障。因而機(jī)組大修時(shí)應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子檢查和試驗(yàn)〔5〕。

文中通過交流阻抗及損耗、RSO重復(fù)脈沖法、兩極電壓平衡等方法，診斷出轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。

1 發(fā)電機(jī)參數(shù)和故障情況

汽輪發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN－600－2－22C，額定功率為600 MW，定子電壓為20 kV，轉(zhuǎn)子額定電壓為400.1 V，額定電流為4 387 A，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，制造廠家為東方電機(jī)股份有限公司，出廠日期2003年。

2013年4月，電廠進(jìn)行了發(fā)電機(jī)組大修。大修啟動(dòng)后，發(fā)電機(jī)7號(hào)瓦Y向振動(dòng)在600 MW負(fù)荷時(shí)超標(biāo)，最大值達(dá)到73 μm。2013年大修后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)交流阻抗數(shù)據(jù)不合格，與往年數(shù)據(jù)相比阻抗變小，功率變大，從數(shù)據(jù)上分析有匝間短路跡象。

2 故障分析和討論

2.1 交流阻抗和損耗測(cè)試

如果轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障時(shí)，有效勵(lì)磁繞組匝數(shù)減少，即轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗變小，施加相同的交流電壓，繞組中流過的電流增大，損耗隨之增加。通過測(cè)量交流阻抗及損耗，可以判斷轉(zhuǎn)子是否發(fā)生匝間短路故障，該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，在《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 596—1996中明確規(guī)定發(fā)電機(jī)大修時(shí)必須做該項(xiàng)試驗(yàn)。

但是用測(cè)量交流阻抗和損耗的變化來判斷轉(zhuǎn)子繞組有無匝間短路時(shí)應(yīng)注意在同狀態(tài)(膛內(nèi)、膛外、靜態(tài)、動(dòng)態(tài))、同電壓下比較。即使在相同的短路狀態(tài)下，短路線匝中的短路電流也不同，其去磁作用所引起的阻抗下降和損耗增加的程度也不同，所以難以出具統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，僅能將現(xiàn)測(cè)量值與歷次測(cè)量值及歷史值進(jìn)行比較，并結(jié)合其他的測(cè)試方法，綜合判斷后再作定論。轉(zhuǎn)子繞組歷次交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)值見表1，2。

表1 轉(zhuǎn)子膛外交流阻抗及功率損耗

表2 轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速下交流阻抗及功率損耗

由表1，2可知，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在膛外時(shí)，2013年測(cè)量結(jié)果同2009年測(cè)量數(shù)據(jù)相比，電流增大了5.99%，交流阻抗減小了4.98%，功率損耗增大了7.3%。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，2013年測(cè)量結(jié)果同2009年測(cè)量數(shù)據(jù)相比，電流增大了15.1%，交流阻抗減小了13.1%，功率損耗增大了11.47%。從轉(zhuǎn)子交流阻抗和損耗數(shù)據(jù)分析，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障的可能性較大。為進(jìn)一步驗(yàn)證和研究是否發(fā)生匝問短路故障，進(jìn)行兩極電壓平衡和RSO重復(fù)脈沖試驗(yàn)。

2.2 RSO重復(fù)脈沖法測(cè)試

RSO(Repetitive Surge Oscilloscope)是一種利用行波反射技術(shù)來撿測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障的試驗(yàn)方法。RSO試驗(yàn)接線如圖1所示，RSO裝置從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組分別注入兩個(gè)相同波的雙波信號(hào)，并用一個(gè)示波器從轉(zhuǎn)子繞組的另一側(cè)捕獲反射信號(hào)。

圖1 RSO試驗(yàn)接線圖

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在處理前RSO波形如圖2所示，儀器注入的探測(cè)信號(hào)和捕捉到的反射信號(hào)不完全重疊，有明顯的彎曲波動(dòng)，表明轉(zhuǎn)子存在匝間短路情況。

圖2 處理前RSO波形

2.3 兩極電壓平衡測(cè)試

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組無故障時(shí)，轉(zhuǎn)子兩極繞組具有很好的對(duì)稱性，兩極中點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)子正、負(fù)極之間的電位差是相同的。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障或接地時(shí)，轉(zhuǎn)子兩極繞組的對(duì)稱性發(fā)生破壞，因此中點(diǎn)相對(duì)正、負(fù)兩極的電位差將發(fā)生偏移，偏移的大小取決于匝間短路的數(shù)量和位置。2013年轉(zhuǎn)子繞組兩極電壓平衡試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 兩極電壓平衡測(cè)試結(jié)果V

從表3可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處理前兩極的電壓偏差高達(dá)15.3 V，說明轉(zhuǎn)子兩極繞組的電壓差存在很大不平衡度，結(jié)合之前的不同測(cè)試方法的結(jié)果可以判定轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障，轉(zhuǎn)子處理后兩極電壓基本平衡。

3 轉(zhuǎn)子繞組檢查

為進(jìn)一步確定轉(zhuǎn)子存在匝間短路的情況，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)進(jìn)行拔除，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子存在的一些問題，2極8號(hào)線圈從上往下數(shù)2—3匝存在匝間絕緣破損，1極3號(hào)線圈也存在匝間絕緣破損的情況。轉(zhuǎn)子兩個(gè)端部表面及槽部存在較多的油污。轉(zhuǎn)子端部順軸墊塊存在部分?jǐn)嗔训那闆r。

轉(zhuǎn)子經(jīng)拔護(hù)環(huán)對(duì)本體進(jìn)行檢查的情況來看，轉(zhuǎn)子繞組確實(shí)存在匝間短路的情況，由此證實(shí)了之前分析的正確性。

4 轉(zhuǎn)子繞組處理

轉(zhuǎn)子解體處理，先拔下汽、勵(lì)端轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)，拆出轉(zhuǎn)子端頭槽楔，拆除護(hù)環(huán)絕緣、阻尼繞組，用無水酒精清理干凈阻尼繞組，做好標(biāo)記便于回裝原位。對(duì)端部存在匝間短路的分兩種情況處理:匝間短路點(diǎn)在端部可以操作的直接對(duì)匝間短路點(diǎn)處更換端部匝間絕緣處理，不能拆除線圈操作的，可先退出所在的轉(zhuǎn)子槽楔，取下槽楔下的墊條，若匝間短路點(diǎn)在直線部位，則直接拆除所在槽線圈、更換匝間墊條。

通過對(duì)端部匝間絕緣仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)槽、7號(hào)槽勵(lì)磁端部同樣存在匝間絕緣薄弱現(xiàn)象，并且7號(hào)槽存在線圈端部錯(cuò)位缺陷。分別退出8號(hào)、4號(hào)、3號(hào)、7號(hào)槽楔，吊出對(duì)應(yīng)槽內(nèi)轉(zhuǎn)子線圈，對(duì)其更換復(fù)合紙絕緣材料，并校正7號(hào)槽端部線圈錯(cuò)位缺陷，線圈修復(fù)成功。修復(fù)后進(jìn)行通風(fēng)試驗(yàn)和整體電氣試驗(yàn)后合格。2014年修復(fù)后轉(zhuǎn)子交流阻抗數(shù)據(jù)見表4，5，兩極電壓平衡測(cè)試結(jié)果見表6。處理后，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子RSO試驗(yàn)波形如圖3所示，圖中兩個(gè)信號(hào)脈沖反向后疊加，波形為一條直線，表明兩個(gè)信號(hào)重合度一致，轉(zhuǎn)子無匝間短路。

表4 轉(zhuǎn)子膛外交流阻抗及功率損耗

表5 轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速交流阻抗及功率損耗

表6 兩極電壓平衡測(cè)試結(jié)果V

5 故障分析

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，隨著負(fù)荷變化，轉(zhuǎn)子繞組受到很大的交變熱應(yīng)力，轉(zhuǎn)子匝間絕緣經(jīng)受嚴(yán)峻的考驗(yàn)。對(duì)于該機(jī)型的發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路的原因主要有:

1)制造不良:線圈形狀不整齊或厚薄不均勻，磨損絕緣；線圈通風(fēng)孔周邊倒角存在毛刺；匝間絕緣固定不良，匝間絕緣移動(dòng)錯(cuò)位。

2)異物短路:制造或者運(yùn)行過程中，金屬性異物進(jìn)入轉(zhuǎn)子導(dǎo)致匝間短路。

3)污染:發(fā)電機(jī)內(nèi)進(jìn)油，污染轉(zhuǎn)子線圈表面，造成轉(zhuǎn)子匝間爬電形成短路。

轉(zhuǎn)子匝間短路的防范措施主要有:改善轉(zhuǎn)子線圈彎形質(zhì)量，銅線加工后徹底清除毛刺，保證匝間絕緣的粘接質(zhì)量，保證下線過程中的清潔度及端部塊的裝配質(zhì)量等。

圖3 處理后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子RSO波形

6 結(jié)束語

轉(zhuǎn)子匝間短路是發(fā)電機(jī)常見的故障之一，故障的發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確診斷需要采用交流阻抗、轉(zhuǎn)子兩極電壓平衡和RSO試驗(yàn)等多種方法來綜合判斷。對(duì)東方電機(jī)廠的某種發(fā)電機(jī)提供了一個(gè)解決發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子匝間短路的實(shí)例，對(duì)于提升檢修工藝提供了良好的經(jīng)驗(yàn)。

〔1〕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.

〔2〕李鵬，張玲，代國(guó)超.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的分析及處理〔J〕.水利電力機(jī)械，2007，29(12):123-126.

〔3〕吳宇輝，席斌，余學(xué)文，等.一起汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路缺陷的查找與分析〔J〕.大電機(jī)技術(shù)，2012(1):1-4.

〔4〕李永剛，李和明，趙華.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷新判據(jù)〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(6):112-116.

〔5〕唐芳軒，傅煜.隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的分布電壓診斷法〔J〕.高壓電器，2005，41(1):72-73.

TM621.3

B

1008-0198(2016)01-0069-03

劉建峰(1976)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，本科，主要從事電氣檢修工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.020

2015-04-07 改回日期:2015-08-21