肖斌
国能达州发电有限公司 四川省 达州市 635000
摘要： 发电机转子发生匝间短路，严重时将影响发电机的安全运行，本文以一台300MW汽轮发电机匝间短路故障为例，综合应用转子交流阻抗、重复脉冲法分析和判断转子绕组存在动态匝间短路故障。
关键词：发电机 转子 匝间短路
0 引言
近年来，我国电力工业持续快速发展，高参数、大容量发电机机组投产越来越多。在大型发电机高速旋转状态下，转子绕组将承受较大的离心力和热应力。由于转子结构复杂、匝间绝缘薄弱，再加上设计、工艺和制造过程中的问题，以及运行中电磁、机械、热力等的综合作用，使得转子绕组发生移动、摩擦、绝缘下降，从而造成匝间短路。
1 发电机转子匝间短路的危害
在发电机转子匝间短路初期，故障表现不明显，对发电机的正常运行影响较小，故一般较容易忽视发电机转子匝间短路问题。当匝间短路严重时将使转子电流显著增大，绕组温度升高，限制了发电机无功功率的输出，有时还会引起机组机组振动加剧，甚至烧坏发电机。因此发生上述现象时，必须通过试验判断是否发生匝间短路并予以消除，使发电机恢复正常运行。
2 故障经过
某电厂发电机额定功率300MW，空载励磁电流824A。事件发生前，该机组冲转正常，发电机以90%额定机端电压正常启励，起励后机端电压18.1kV，励磁电流815A，较前两次启动时励磁电流增加约100A左右。同时，发电机#5瓦X方向轴振由22.8μm上升至87μm，#6瓦由34.3μm上升至87μm。发现异常后，操作员立即断开灭磁开关，#5、#6瓦振动逐步降至起励前正常值。
为验证振动与励磁电流关系，再次以20%初始电压启励，过程中发现发电机振动随着励磁电流的增加而变大，励磁电流在相同机端电压下也较以前大，并且最大值超过额定励磁电流，初步怀疑转子存在匝间短路故障。
3 进一步检查情况
事故发生后，对发电机转子在3000转/分情况下进行了交流阻抗测试。与历年数据趋势图如下：
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图一 3000转速下交流阻抗历年变化趋势图
从图一可见，发电机在3000转/分的转速下转子交流阻抗变化明显，且呈下降趋势。
为进一步检测发电机转子绕组动态匝间绝缘情况，开展了转子绕组匝间短路诊断试验，试验采用重复脉冲法（RSO）试验，通过对该机组转子绕组进行数据采集和分析，判断其是否存在匝间短路或绝缘降低问题。同时对发电机转子升速过程中在不同转速同一试验电压（150V）下进行交流阻抗测试，发电机升速时，当转速超过2200转/分时，转子电流有明显波动，外接电流表指针由19.8A瞬间偏转至23.5A，试验电流上升了3.7A。在3000转/分时对发电机转子绕组进行了动态RSO试验，典型试验曲线见图二所示。
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图二 发电机转子绕组动态RSO试验（3000转/分）
从图二可以看到转子两端注入点脉冲波形发生分叉和不吻合现象，表现在特征波形上存在一范围较宽的上升波峰凸起，特征波形的Vp-p值为0.51V，偏差率约为9.6%，结合不同转速下同一试验电压下交流阻抗测试时的电流瞬间偏转上升现象，可判定该发电机在转速2200转/分以上的动态下，转子绕组存在匝间短路故障。
为确定发电机转子绕组动态匝间短路所在转速区间，同时对发电机转子降速过程中在不同转速同一试验电压（220V）下进行交流阻抗测试，当发电机转速降至2000转/分时，转子绕组试验电流有明显波动，外接电流表指针由31.3A瞬间偏转至29.3A，试验电流下降了2A。同时在2000转/分时，再次对发电机转子绕组进行了动态RSO试验。典型试验曲线见图三所示。
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图三 发电机转子绕组动态RSO试验（2000转/分）
从图三可以看到转子两端注入点脉冲波形基本吻合，表现在特征波形上存在一平缓的上升凸起，特征波形的Vp-p值为0.15V，偏差率约为4%，结合不同转速同一试验电压下交流阻抗测试时的电流瞬间偏转下降现象，可判定该发电机在转速由3000转/分下降至2000转/分时，转子绕组动态匝间短路状况明显得到改善。
停机后对发电机开展了静态RSO测试，典型试验曲线见图四所示。
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图四 发电机转子绕组静态RSO试验
从图四可以看到转子两端注入点脉冲波形基本重合，表现在特征波形上在起始端有一微小的上升波峰凸起，特征波形的Vp-p值为0.11V，偏差率约为2.8%，即该发电机静态下转子绕组匝间绝缘状况良好。
最后通过发电机交流阻抗试验和RSO试验，判断发电机在2200转/分以上的动态匝间短路较为明显，决定将发电机转子返厂维修。
4 后续处理情况
将转子返厂进行检修，拔出护环后发现端部绕组有明显变形，与试验结果吻合，此发电机转子线圈存在动态匝间短路，根据厂家建议，更换部分线圈并对余下线圈进行整形处理，在转子端部加装一弹性结构，使其能够自由膨胀。最后对转子进行各项出厂试验合格。
5 原因分析
5.1 机组予2007年投运，期间长期低负荷及负荷变化频繁运行，造成转子线圈端部结构膨胀受阻。
5.2 转子设计时未充分考虑端部变形问题，无膨胀间隙，转子绕组带负荷膨胀后，端部绕组线圈受到挤压。
6 防范措施
6.1 加强在发电机启励、空载等不同条件下转子励磁电流的记录，定期分析不同工况下励磁电流值与历史值比较有无增长趋势。
6.2 加强对历年发电机转子交流阻抗试验数据分析，当出现与历史值相差较大时，应引起注意，并结合重复脉冲法（RSO）、极间电压法等其他方法综合判断。
6.3 缩短发电机转子交流阻抗试验周期，鉴于发电机转子重要性，转子匝间短路故障的诊断应采用交流阻抗、重复脉冲法等多种方法进行综合分析。
6.4 有条件情况下加装发电机转子匝间短路在线监测装置。
7 结束语
大型汽轮发电机应加强平时起机、运行过程中对转子相关数据的收集及分析，在大小修中应重视转子匝间短路的检查，应采用交流阻抗、重复脉冲法等多种方法，同时还应加强对数据的分析处理，有些不稳定的匝间短路不易察觉，所以多种试验方法和多角度对转子进行预防性试验对转子匝间短路早期的发现起着重要作用。同时生产现场不具备动态测试条件的应考虑安装转子动态匝间短路测试系统。
参考文献：
1 李伟请 汽轮发电机故障检查分析及预防 第二版 中国电力出版社，2010
2 邱青林 发电机转子匝间短路分析与预防【J】.大众科技. 2010.01