大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路故障檢測(cè)技術(shù)研究

廣西華磊新材料有限公司發(fā)電廠 韋云歡

2020年9 月，我國(guó)設(shè)立“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)，這促使電力行業(yè)必須向綠色低碳轉(zhuǎn)型。隨著光伏、風(fēng)力等綠色能源發(fā)電裝機(jī)容量的迅速增加，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性所面臨的挑戰(zhàn)也隨之增大[1-2]。大型汽輪發(fā)電機(jī)組不僅能保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量，還能夠調(diào)節(jié)無(wú)功水平，是電力系統(tǒng)平穩(wěn)、可靠、安全運(yùn)行的重要保障[3]。轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機(jī)的核心組成部分，長(zhǎng)期處于強(qiáng)離心力、強(qiáng)電磁場(chǎng)的環(huán)境中，其匝間絕緣會(huì)逐步劣化，引發(fā)絕緣失效而產(chǎn)生匝間短路。

轉(zhuǎn)子繞組的匝間短路不僅會(huì)使發(fā)電機(jī)無(wú)功輸出減小、勵(lì)磁電流增大、發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)增加，還會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子大軸磁化、軸頸軸瓦燒損等事故，這嚴(yán)重影響到機(jī)組運(yùn)行的可靠性，給電力系統(tǒng)帶來(lái)極大隱患[4]。對(duì)于此，積極發(fā)展發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)技術(shù)的研究，科學(xué)地評(píng)估轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣狀態(tài)具有十分重要的意義。

1 匝間短路故障概述

1.1 故障的原因

在對(duì)匝短故障的轉(zhuǎn)子進(jìn)行解體處理的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)造成轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的原因主要有以下幾種：一是轉(zhuǎn)子端部繞組的緊固結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)缺陷。轉(zhuǎn)子端部繞組的緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、支撐強(qiáng)度不夠，造成轉(zhuǎn)子匝間短路故障的最主要的原因。在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子以3000r／min的速度高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組各個(gè)線圈不僅要承受著巨大的離心力的作用，還要承受著4000A大電流的熱應(yīng)力，并且機(jī)組運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷還會(huì)不斷變化，各匝線棒之間的相對(duì)位置不斷地發(fā)生變化。由于各線圈之間在拐角處就沒(méi)有穩(wěn)定的緊固結(jié)構(gòu)，無(wú)法保證線圈各匝在拐角處交生對(duì)稱(chēng)性的位移，各匝之間容易發(fā)生錯(cuò)位。

二是轉(zhuǎn)子線圈表面在拐角處工藝問(wèn)題。在已發(fā)生過(guò)的轉(zhuǎn)子匝短故障案例中，有超過(guò)80%的匝短故障點(diǎn)都位于端部繞組的拐角處，這種現(xiàn)象絕不是一種巧合。造成這種現(xiàn)象的原因，除了上文所述轉(zhuǎn)子端部繞組在拐角處無(wú)穩(wěn)定的緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一缺陷外，還有一個(gè)重要的原因，即轉(zhuǎn)子線圈在從直線段開(kāi)始向弧線段過(guò)渡的區(qū)域內(nèi)，由于該過(guò)渡段的形狀很不規(guī)則，容易造成線匝表面的平整度及上下匝之間的吻合度超差。加上實(shí)際運(yùn)行時(shí)，上下匝線棒相互之間的應(yīng)力作用較為復(fù)雜，容易對(duì)匝間絕緣墊條形成多方向性的反復(fù)磨損，并最終磨穿墊條造成匝間短路故障。因此，在對(duì)一些具有穩(wěn)定的繞組端部緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子發(fā)生匝短故障并解體檢查后，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的匝間短路故障點(diǎn)也位于拐角區(qū)域內(nèi)，原因就在于此。

三是端部繞組絕緣墊條及其粘貼工藝問(wèn)題。轉(zhuǎn)子端部繞組良好的絕緣墊條及其粘貼工藝，可有效防止該部位匝間短路故障的發(fā)生，否則，則成為今后發(fā)生匝間短路故障的嚴(yán)重隱患。絕緣墊條不僅材料本身具有嚴(yán)格的質(zhì)量要求，其寬度也應(yīng)保證至少不得窄于線棒的寬度。另外，在粘貼時(shí)，不僅應(yīng)使用合格的強(qiáng)力膠將墊條粘緊在線棒表面，保證在實(shí)際運(yùn)行中，墊條不會(huì)從線棒表面脫落或移位出來(lái)，還要注意相鄰兩墊條之間的銜接質(zhì)量。

四是油霧、顆粒等異物進(jìn)入等原因。油霧、雜質(zhì)顆粒等異物進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，對(duì)可能造成轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。油霧進(jìn)入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部以后，容易與一些粉塵等黏結(jié)在一起，形成具有一定導(dǎo)電性能的污物。當(dāng)這種污物正好位于上下兩匝之間時(shí)，就會(huì)明顯破壞匝間絕緣，發(fā)生非金屬性的匝間短路故障。另外，當(dāng)有硬的顆粒異物進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部時(shí)，容易卡在上下兩匝之間，并隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，快速破壞匝間絕緣，最終導(dǎo)致匝間短路故障。

1.2 故障的分類(lèi)

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路按穩(wěn)定性可分兩種：穩(wěn)定性匝間短路指的是這種短路故障與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、溫度、運(yùn)行方式等無(wú)關(guān)，是一種固定短路故障；不穩(wěn)定匝間短路則與之相反，即只有在轉(zhuǎn)子特定工況（轉(zhuǎn)速快與慢、溫度高與低）才會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)即消失的短路故障。

2 兩種檢測(cè)方法研究

2.1 離線檢測(cè)

重復(fù)脈沖波形法（Repetitive Surge Oscilloscope，RSO）是目前電力行業(yè)普遍比較認(rèn)可的一種離線式匝間短路測(cè)試技術(shù)。其測(cè)試原理是：基于轉(zhuǎn)子繞組分布的對(duì)稱(chēng)性，利用雙脈沖信號(hào)發(fā)生器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩極同時(shí)施加前沿陡峭的高頻沖擊脈沖波，通過(guò)雙通道錄波器錄得兩組響應(yīng)曲線。在繞組無(wú)短路的情況下，正、負(fù)兩極的脈沖響應(yīng)該一致，反映在波形圖上即兩條響應(yīng)曲線重合；反之，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)存在匝間短路故障時(shí)，只要短路點(diǎn)不嚴(yán)格位于幾何中心的位置，短路點(diǎn)就會(huì)破壞轉(zhuǎn)子繞組的幾何對(duì)稱(chēng)性，使得正、負(fù)極的響應(yīng)不一致，響應(yīng)差值特性曲線則會(huì)出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的波動(dòng)，顯示出匝間短路故障[5]。

以某電廠660MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子RSO匝間短路故障檢測(cè)項(xiàng)目為例，測(cè)試設(shè)備接線回路如圖1所示，檢測(cè)過(guò)程按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T1525-2016《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》執(zhí)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩級(jí)響應(yīng)曲線整體上重合，這表明轉(zhuǎn)子繞組絕緣整體狀態(tài)良好。但脈沖前半段的特性曲線存在波動(dòng)，出現(xiàn)了明顯的波峰和波谷，這表明此臺(tái)轉(zhuǎn)子前半段繞組有著輕微的匝間短路現(xiàn)象。特征曲線的極大值和極小值的差值為0.1V，滿足行業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)RSO特征曲線的波動(dòng)不大于0.3V的要求，這說(shuō)明此轉(zhuǎn)子匝間狀態(tài)滿足運(yùn)行條件。

圖1 RSO匝間短路故障檢測(cè)接線示意圖

2.2 在線檢測(cè)

漏磁通檢測(cè)法是在線式匝間短路故障檢測(cè)技術(shù)其中一種。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)通過(guò)直流勵(lì)磁產(chǎn)生磁通，其中主磁通Φ0通過(guò)轉(zhuǎn)子大齒，經(jīng)過(guò)氣隙和定子繞組相連成磁回路，漏磁通ΦS是經(jīng)過(guò)氣隙，或經(jīng)過(guò)定子槽而沒(méi)有和定子繞組相連的磁通，如圖2所示。漏磁通ΦS是由轉(zhuǎn)子每個(gè)槽的總安裝匝數(shù)決定的。由此，可在定子齒上對(duì)稱(chēng)安裝兩個(gè)對(duì)漏磁通非常敏感的全磁通傳感器，實(shí)時(shí)探測(cè)獲取漏磁通數(shù)據(jù)，通過(guò)特定的算法便可判斷出轉(zhuǎn)子匝間是否短路，以及短路繞組所在位置。

圖2 發(fā)電機(jī)磁通回路示意圖

某電廠發(fā)電機(jī)組安裝匝間短路在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。其包含高靈敏度漏全磁通傳感器、數(shù)據(jù)匯流端、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。全磁通傳感器：轉(zhuǎn)子的漏磁通監(jiān)測(cè)由全磁通傳感器實(shí)現(xiàn)，該傳感器有數(shù)十匝線圈，固定在鐵心的一個(gè)齒上，兩個(gè)傳感器按定子空間幾何尺寸對(duì)稱(chēng)分布。當(dāng)每個(gè)磁極掃過(guò)全磁通傳感器時(shí)，該線圈中感應(yīng)出來(lái)的電壓與正在掃過(guò)線圈的磁極磁通成正比。若某磁極中存在匝間短路，既減小了該極的有效匝數(shù)，全磁通傳感器便可以靈敏地反應(yīng)。端子箱：用于引出全磁通傳感器信號(hào)線的端子箱，同時(shí)可將磁通信號(hào)有效傳遞給具有分析功能的磁通監(jiān)測(cè)儀。數(shù)據(jù)分析平臺(tái)：磁通傳感器采集到的信號(hào)并不能直接指示出匝間短路情況，因?yàn)檫€有影響磁通的其他因素，如磁極與定子之間的距離變化等。因此，磁通監(jiān)測(cè)儀配合高分辨率的磁通傳感器，可以得出數(shù)字化的電壓信號(hào)。配合在線磁通監(jiān)測(cè)軟件，將兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的磁通量自動(dòng)做對(duì)比，并以數(shù)據(jù)列表或圖形的方式呈現(xiàn)出來(lái)，匝間短路故障部位將會(huì)被自動(dòng)標(biāo)注出來(lái)。

圖3 在線檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖4是發(fā)電機(jī)在空載時(shí)轉(zhuǎn)子漏磁通的變化曲線，其中藍(lán)色曲線是1號(hào)傳感器，紅色曲線是2號(hào)傳感器。從圖中可見(jiàn)，1號(hào)傳感器和2號(hào)傳感器的1～3號(hào)槽的磁通量大小完全相同，曲線相重合，這表明1～3號(hào)槽內(nèi)轉(zhuǎn)子無(wú)短路；4～7號(hào)槽可以明顯看到兩條虛線的磁通量不一致，這說(shuō)明4～7號(hào)槽內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部有短路的現(xiàn)象，造成兩側(cè)漏磁通值不一致。

圖4 轉(zhuǎn)子漏磁通的變化曲線

3 檢測(cè)法比較

轉(zhuǎn)子發(fā)生一般性匝間短路并不會(huì)立刻導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障停機(jī)，但是會(huì)由此引發(fā)轉(zhuǎn)子磁極和支架受熱不均勻、磁通的磁場(chǎng)不平衡而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)異常振動(dòng)、軸電壓升高等，嚴(yán)重則會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子接地故障致使發(fā)電機(jī)停運(yùn)。

探測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路的最常用方法是離線RSO法，但必須依賴于專(zhuān)家的分析和判斷，而且該試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，不適用于在運(yùn)行中才呈現(xiàn)的匝間短路；而在線檢測(cè)可實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子各磁極的磁通，在不停機(jī)、不改變負(fù)載條件下多次測(cè)試，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析標(biāo)定存在匝間短路故障的磁極并及時(shí)發(fā)出警示，從而實(shí)現(xiàn)在正常運(yùn)行中測(cè)試轉(zhuǎn)子匝間短路。兩種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1，建議發(fā)電機(jī)業(yè)主應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件合理安排，保證發(fā)電機(jī)設(shè)備具有良好狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

表1 兩種檢測(cè)法對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了離線式重復(fù)脈沖波形法和在線式漏磁通檢測(cè)法兩種轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)技術(shù)方法，分別闡述了技術(shù)原理，分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，比較研究了兩種技術(shù)方法各自的優(yōu)勢(shì)，為今后轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)工作提供支持。