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一起发电机轻微匝间短路故障的分析与处理

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：戚荣斌陈志强陈彪

[导读] 摘要：某电厂2*600MW超临界机组配置QFSN-600-2-22C型汽轮发电机，#1发电机转子RSO试验显示存在匝间短路，运行中发电机组振动、励磁电压电流、机组无功等均正常。

        （江苏南热发电有限责任公司技术支持部）
        摘要：某电厂2*600MW超临界机组配置QFSN-600-2-22C型汽轮发电机，#1发电机转子RSO试验显示存在匝间短路，运行中发电机组振动、励磁电压电流、机组无功等均正常。为了具体查明匝间短路情况，在检修中发电机转子拔护环进行检查，最终发现了励端第七套线圈直线段外侧层间的绝缘损伤故障点，现场处理后试验数据正常，机组正常投运。此次故障的分析查找验证了转子RSO 试验对转子轻微匝间短路判断的灵敏性，为其它机组相似故障的分析判断提供了思路。
        关键词：匝间短路；RSO试验；绝缘；压力；
        1 概述
        发电机转子匝间短路是发电机比较常见的故障。轻微的匝间短路并不影响机组的正常运行，发电机组振动、励磁电压电流、机组无功等保持在正常状态，一般不易发现。但是如果任其发展为严重的匝间短路，转子电流将会显著增加，绕组温升过高，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动加剧，并且还会引起其它的机械故障，影响发电机的无功出力。如果发生的是不对称的匝间短路故障，发电机组的振动将会加剧，转子绕组的绝缘也有可能进一步的损坏，进而发展成为接地故障，对发电机组的安全稳定运行构成严重的威胁。因此，对发电机绕组轻微匝间短路故障的分析与判断是十分必要的。
        2 故障情况
        我厂#1机组为600MW级超临界燃煤供热发电机组。发电机型号为QFSN-600-2-22C ，额定容量600MW，冷却方式水氢氢，励磁方式机端自并励。
        在机组检修期间，对#1发电机进行转子RSO试验，以检测转子匝间绝缘状况，判断转子是否存在匝间绝缘缺陷。试验结果波形正、负极两条响应曲线发生分叉现象，电压偏差率高，初步认为转子绕组存在匝间短路故障，波形见图1。

                                                  图1：#1机转子RSO试验波形
        转子匝间短路一般会影响机组的振动、励磁电流。通过调取运行中的发电机有功、无功、励磁电流等进行分析，在同等运行工况下的数据，#1发电机从2014年4月（同年11月检修时，转子匝间绝缘正常）运行至今，在同等运行工况下，励磁电流是一致的。数据见表1：

                 表1：相同工况励磁电流数据
        调取#1发电机运行时增励磁过程中发电机7、8瓦X/Y轴振曲线，检查轴振与励磁电流间的相关性。从图2的振动曲线分析，发电机振动与励磁电流无明显相关性。
        查阅交流阻抗试验数据，转子交流阻抗值与上一次数据相比下降4%，在规程允许的合格范围内（与交接或历年试验减少不超过10%）。试验数据见表2：

            表2：与历次试验数据（交流阻抗）差值
        经过综合分析，认为转子存在明显的匝间短路现象，转子绕组第7、8套线圈存在层间短路，但对发电机正常运行影响不大。针对该类型发电机组转子绕组端部绝缘存在缺陷，已有多家单位发生故障的情况，在工期允许的情况下，拆除发电机端盖用内窥镜进行检查。将#1发电机汽、励两侧的上端盖吊开，分别用内窥镜对转子端部进行检查，没有发现明显的绕组变形现象。机组启机后运行无明显异常，运行中加强对励磁电流、发电机轴瓦振动的监视及功率调整时励磁电流的变化监视。
        3 抽转子检查处理
        在机组大修中，#1发电机抽转子后重做RSO试验，试验波形与上次试验基本一致，说明匝间短路故障依然存在，但未发展扩大。旋转转子在不同角度进行试验，发现波形随试验角度不同会发生变化，如图3所示。在0°时波形为正常波形，在190°左右时幅值最大，与故障波形一致。

                                       图2：转子抽出后不同角度RSO试验波形
        正、负极两条响应曲线偏差率超过3%，特征电压235mV，根据测量数据可以判断滑环内极第7、8套线圈存在动态金属性匝间短路。鉴于机组大修转子已抽出，为确保发电机转子运行安全，决定拔护环确认短路点，进行处理。
        拔护环委托发电机厂家进行，在护环拔出后对转子端部进行检查，转子线圈端部发现存在多处纵轴垫块连杆断裂、部分垫块存在松动、端部线圈有不同程度的变形等状况，见图4。

        图3：励端II极#3线圈右底匝变形约5ｍｍ                     图4：励端II极#8线圈右底匝极间连接线变形12ｍｍ
        图4：转子线圈端部变形情况
        由于未发现明显匝间短路故障点，重新进行RSO试验，发现在各个角度波形皆为正常波形，考虑到护环拔出后，转子端部压力发生变化，可能造成故障消失，于是采取一边试验加压，一边人为对转子端部施加压力的方式进行查找。在试验到190°左右时，波形又出现与故障波形一致的情况，见图5。
        通过对该部位仔细检查，发现第7套线圈直线段外侧某个部位层间绝缘材料有受热发黑现象，撬开该部位，发现存在绝缘放电情况，见图6，故障点定位成功。

                             图5：拔护环后外加压力波形

        图6：故障点绝缘发热受损情况
        该故障点在励侧端部第七套线圈顶匝部位直线段，由于工期限制，决定由厂家在现场进行重新打磨，更换绝缘材料。经处理后重新进行外加压力下RSO试验，波形正常。护环套好后试验结果也正常，匝间短路故障消除。
        4 原因分析
        发电机转子绕组匝间短路故障产生的原因较多，大部分都发生在绕组端部，总体上可分为制造和运行两方面。在制造方面主要体现在设备工艺和质量方面出现误差。如转子线圈“R”部位的加工处理不精细，转子端部线圈铜排在折弯的过程中，由于对弯处内外侧的压缩用力不均等造成在压缩处形成局部的“凸点”，同时由于生产厂家对“凸点”的处理不到位，导致转子在运行期间匝间绝缘材料的长期磨损而形成短路。另外转子线圈端部固定结构不合理。转子端部绕组固定不牢，垫块松动，在机组运行过程中，线圈出现较大的位移以及形状的改变是导致转子匝间短路的关键因素。在转子运行过程中发生的位置变化，甚至导致线圈发生形状的改变，上下层之间的绝缘层在其他力的作用下被逐渐磨损，最后导致转子匝间短路的发生。在运行方面主要是外部故障的影响、运行工况的快速变化及绝缘材料老化、冷却不良等方面的影响，特别是近年来清洁能源的发展和电力体制改革，造成高压输电、新能源电厂的高速发展，燃煤火电机组调峰运行较多，调峰深度较大，无功变化大，对发电机转子的影响尤其严重。
        5 防范措施
        针对火电机组调峰运行较多，调峰深度较大的发展趋势和机组的日益老化，根据二十五项反措要求，建议机组停运时增加发电机转子RSO试验的试验频次，检测转子匝间绝缘状况，及时判断转子是否存在匝间绝缘缺陷。另外运行检修人员应充分利用DCS、CSASS等工具加强对励磁电流、发电机振动等数据的监视，定期做好收集和记录，一旦出现异常，应尽快查明原因，并及时调整发电机运行状态，如降励磁、稳定负荷等控制手段。条件允许时大型发电机组应加装转子匝间短路在线检测线圈，便于在运行中实时检测转子是否存在匝间短路情况。
        6 结束语
        发电机是发电厂的重要设备，由于制造或热力原因的作用下，转子绕组匝间短路故障时有发生。早期的匝间短路不容易发现，一旦发展为严重的匝间短路则需要花费很长的时间和代价进行处理。发电机转子绕组匝间短路故障诊断的目的就是尽可能在故障的轻微状态准确地诊断出稳定性匝间短路和动态匝间短路，及时确定故障发生的部位和严重程度，尽早处理。

        参考文献
        [1]刘建峰，任章鳌.某电厂600MW汽轮发电机转子匝间短路故障诊断和处理[J].湖南电力，2016
        [2]郭永雄，沈文华.大型发电机转子匝间短路故障诊断及定位[J].广东电力，2015
        作者简介：戚荣斌江苏发电有限责任公司技术支持部部长