600 MW发电机转子动态匝间短路分析处理

2011-05-29钱和平李中玉董建洋

浙江电力 2011年3期

关键词：匝间气隙励磁

钱和平，李中玉，董建洋

（1.浙能兰溪发电有限公司，浙江兰溪 321100；2.浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

发电机静态匝间短路故障分析与诊断技术已经相对完善，但对动态匝间短路的判断与故障点定位仍无法作出准确判断。以某发电厂3号发电机动态匝间短路故障诊断处理为例进行分析，指出气隙磁场波形分析是判断动态匝间短路的有效方法。

1 故障分析过程

1.1 机组轴振与无功输出变化的相关性

3号发电机系东方电机厂生产的QFSN-600-2-22C型电机，于2006年12月投运。在2007年5月运行中发现机组7，8号瓦轴振动随励磁电流与无功功率的增大而增大的现象，具体表现为∶振动量有突变，当机组有功在450 MW稳定运行，若无功由50 Mvar增至250 Mvar，7，8号瓦轴振要增加35～40 μm，轴振动变化滞后无功变化30 min左右；满负荷运行时振动绝对值很大，当机组有功在600 MW时，若无功达到200 Mvar，7号瓦X向轴振动高达130 μm，8号瓦X向轴振动高达103 μm。在首次观察到机组振动随发电机无功变化影响之后，又发现这种变化关系并不是稳定的，初期只是偶尔出现发电机振动随无功变化的情况，6个月之后，振动随无功变化的关系逐渐稳固。

1.2 发电机变无功试验

为确认观测结果，进行了发电机变无功试验，试验结果如图1所示。

发电机有功稳定在600 MW，调节发电机励磁电流和无功。当励磁电流与无功较小时，7，8号瓦轴振较小；增大励磁电流和无功，7，8号瓦轴振动随之缓慢上升；当励磁电流增大到4 252 A时，发电机转子7，8号瓦轴振动急剧增大，最大达147 μm，迅速降励磁电流后，振动仍在130 μm左右，比试验前振动有明显偏大。试验证实：3号发电机转子振动随励磁电流增大而增大；转子的振动增加与减小均滞后励磁电流变化0.5 h左右。

图1 发电机变无功试验数据曲线

电气专业分析认为，发电机转子存在匝间短路的可能性较大。由于转子绕组绝缘损坏造成转子绕组匝间短路后，破坏了转子的磁场均匀性，造成转子受力不均，使机组振动增大。匝间短路很好地解释了振动随励磁电流增加而增加的现象，但无法解释振动变化滞后励磁电流变化的现象。

汽机专业给出了不同观点，并引用学术论文与故障经验作为论据。3号发电机振动随着励磁电流的增加有明显上升且有滞后现象，是转子散热结构损坏，如局部风道堵塞，造成热变形从而引起转子振动的典型特征[1]。热变形很好地解释了振动变化滞后励磁电流变化的现象。

由于不同故障的维修方法差异极大，因而有必要在大修前确定故障原因，作为制订修理方案的基础。

1.3 传统匝间短路检测试验

1.3.1 初步检测试验

发电机临时停机，在盘车状态下测量转子交流阻抗，测得的数据与交接试验相比无明显偏差，盘车状态下的转子交流阻抗试验表明，转子无明显匝间短路特征。这一试验结果干扰了对发电机转子故障原因的判断，为确认故障原因，必须获取更多的试验数据。

1.3.2 测量不同转速下转子交流阻抗

测量不同转速下的转子交流阻抗，经反复多次进行试验，获得了多组数据如表1，大部分试验数据表明转子交流阻抗变化在允许范围以内，但也有与历史值偏差较大的试验数据。其中1组数据表明，转速达到500 r/min以后，试验值与交接试验数据的差别开始增大。

表1 不同转速下转子交流阻抗数据与历史值比较

当转速达到500 r/min以后，与交接试验数据相比交流阻抗明显变小，损耗明显增大，说明存在匝间短路。另外，在试验时发现：转速上升至2 800 r/min时，电流出现晃动现象，在43 A→39.0 A→43 A之间晃动；转速下降至2 720 r/min时，电流也在39 A→43 A间晃动，之后电流恢复正常，该现象说明匝间短路现象不稳定。

1.3.3 额定转速空载试验

空载试验数据如表2：表中U为发电机定子线电压二次值，Uf励磁电压，If1交接试验时励磁电流，If2本次试验时励磁电流。

表2 额定转速下空载试验数据

从试验结果中可以发现，在相同的试验条件下试验励磁电流值与交接试验时相比有增大现象，约增长1%～2%，空载曲线与以前比有向右偏移现象。

由以上试验可以说明该转子在转速大于500 r/min后出现动态匝间短路缺陷，但匝间短路状态有时不稳定。

1.4 发电机三相短路状态下气隙磁场波形录取

由于转子的匝间短路属于动态匝间短路，转子静止后短路现象可能消失，无法通过电气试验来查找故障点，将给处理缺陷带来困难，影响检修工期和效果，所以考虑录取气隙磁场波形确定故障点位置。

在3号发电机定子、转子气隙间已安装转子匝间短路探测线圈，将探测线圈信号线接至录波器，可录下感应电势波形，由于探测线圈的感应电势正比于转子各槽dB/dt，槽中有短路线匝时，相应的dB/dt幅值锐减。由键相信号确定出缺陷极，由感应电势波形图确定槽数，可将短路缺陷范围缩小至1个绕组（2匝）之内。

在短路状态下,探测线圈感应电势波形较平滑规则，易分辨短路匝及其所在槽位。所以在大修前安排发电机短路试验进行气隙磁场录波，如图2所示。3号发电机转子N，S极分别有16槽，每槽有11层线圈。从图2中可看出在转子线圈中有1处明显的短路点。匝间短路故障位置为键相信号对应侧第5匝，已大大缩小了故障范围。

图2 发电机气隙磁场波形

综合上述试验结果，确认3号发电机转子键相信号对应侧第5匝存在动态匝间短路故障，但短路点并不是稳定存在着的，且短路线匝较少，在励磁电流较小的情况下，磁场崎变较小，励磁电流大于4 252 A后出现绕组热变形引起发电机振动增大。

2 动态匝间短路点的确认

3号发电机大修期间，在现场进行发电机转子检查处理。由于转子绕组在励侧进行焊接，历史经验又表明励侧出现故障概率大，所以先拔出励侧大护环，很快就在第5匝2～3层线圈间发现短路点，如图3所示。故障点位置与事先判断结果完全一致。

图3 动态匝间短路的短路点

由于制造厂加工工艺的控制不严，匝间绝缘上留有焊渣，在机组运行一段时间后焊渣受振动影响磨坏绝缘材料造成短路，短路电流烧毁焊渣同时使绝缘材料局部受热烧损，在绝缘层上形成1个孔洞，破坏了转子匝间绝缘。

在励磁电流较小，转子温度较低时，转子绕组匝间的挤压力较小，绝缘层烧穿后的微小间隙仍然存在，短路点的短路现象不明显，从而使得转子在低励磁电流、低无功运行时，转子振动无异常；在高转速的离心力与热膨胀等因素作用下，绝缘损坏处的间隙缩小将会出现短路。电流越大，温度越高则短路点越稳固，匝间短路现象越明显，从而形成了不稳定匝间短路，此时获得的试验值与交接值有显著差异。而在低转速下测交流阻抗，转子线圈离心力小，所以转子交流阻抗与功率损耗显示正常。

短路点进行处理后，转子交流阻抗及损耗值、发电机空载特性数据已恢复正常。3号发电机投运后，7，8号瓦轴振动大幅下降，且满负荷时振动值在70 μm以下。