浅析大型发电机转子绕组匝间短路故障

引言
在过去的20多年中，我国电力系统发展十分迅速，许多超超临界大型发电机组投产发电，随着电力市场需求侧增长趋势放缓，大型发电机组也开始参与深度调峰，在此过程中，发电机负荷频繁大幅变化。因励磁电压和励磁电流也随着负荷发生变化，且转子又存在匝间绝缘强度冗余小等因素，发电机转子绕组匝间短路故障现象频发。
发电机即使只发生轻微的转子绕组匝间短路故障，也会导致无功功率下降、转子热应力分布失衡、转子励磁电流大幅上升，进一步使发电机振动明显加大。掌握大型发电机转子绕组匝间短路故障的不同分析判断方法，深入研究分析匝间短路故障发生的根本原因，对判断及预防转子匝间短路故障意义重大。
1
转子匝间短路故障检测方法
1.1
转子功率损耗和交流阻抗测试法
1.1.1静态测试,发电机转子在停止状态，分别测量在膛内和膛外时的数据。
1.1.2动态测试,在机组启动期间，对照出厂记录转速，测量转子对应转速下绕组的交流阻抗、绝缘电阻和功率损耗[1]。
1.1.3判别原则,（1）与出厂或历史测试记录相比，损耗值上升大于10%，或交流阻抗值下降大于10%。
（2）与出厂或历史测试记录相比，在损耗值下降大于8%的同时，交流阻抗值上升大于8%。
（3）在转子转速上升或下降的过程中，同一电压作用下损耗或交流阻抗值出现超过5%的变化。
1.1.4注意事项,（1）为避免谐波分量对试验的干扰，应采用线电压作为试验电压。
（2）试验峰值电压不能大于转子额定电压值，动态测试时应将发电机直流封母与励磁系统的连接完全断开。
（3）当转子位于发电机定子膛内时，为避免定子线圈感应电压的影响，试验时应解开定子绕组出线全部软连接。
（4）在对水内冷转子测量或转子存在一点接地时，试验电源不应接地，否则应接隔离变加压，并将转子大轴接地，以保障测试安全。
1.2
极间电压法
在正常情况下，转子两极绕组有较好的对称性，在转子绕组通入励磁电流后，定子绕组中才会产生均匀的电磁场。转子绕组因平衡电磁力的作用而保持平稳运行，且保持较小振动值。因两极有较好的对称性，故转子绕组中点相较于正、负极两端的电压降基本一致[2]。在转子绕组出现匝间短路故障时，两极对称性被破坏，有效的励磁绕组数量也不同，致使两极绕组的中点相对正、负极的电位差发生偏移，转子绕组匝间短路点的数量、严重程度和具体位置决定偏移量的大小。
测试方法>
（1）在转子滑环或导电螺栓处通过调压器给绕组施加工频交流电压，测试电压幅值一般不小于220 V。
（2）使用包好绝缘的探针探入发电机转子护环下测量极间电压，并分别记录下两极电压大小。
极间电压测试结果分析：计算测得极间电压不平衡度，根据DL/T 1525—2016《隐极同步发电机转子匝间短路故障诊断导则》规定，极间电压的差值不大于3%，当不平衡度超出3%，判定为发电机转子发生匝间短路故障。
1.3
转子绕组分布电压法
本方法主要是通过测量转子两极各线圈的分布电压，根据电压的对称性判断是否存在匝间短路。如两极各线圈对应位置的电压对称性都比较好，则可判定转子不存在匝间短路故障；如对称性较差，则应怀疑发生了匝间短路故障。通过测量和记录转子绕组两极各线圈的电压值，根据测量记录结果，对两极对应线圈、同极相邻线圈之间的电压进行比对，能够准确分辨出电压值异常的线圈，并确定发生匝间短路故障的线圈编号。
测试方法>
（1）在转子滑环或导电螺栓处通过调压器给绕组施加工频交流电压，测试电压幅值一般不小于220 V。
（2）使用包好绝缘的探针探入每极各个绕组测量位于护环下的底匝线圈和位于励端紧靠护环的通风孔顶匝线圈之间的电压。
1.4
动态气隙磁场线圈波形法
1.4.1 发电机转子气隙磁场,忽略定、转子槽的影响，发电机主要特点是转速高、转子机械强度高、气隙均匀。气隙磁场中铰接定、转子的磁通为基波主磁通。旋转磁场由汽轮机带至同步转速，沿着气隙圆周，该磁场的磁密波形接近正弦分布。除基波主磁通之外的谐波漏磁场及仅与转子绕组铰接的磁通，因两者均未参与能量转换，统称漏磁通。
漏磁场是采用线圈波形法判断绕组匝间短路故障的依据，在只和各槽本身铰接的槽漏磁场中具有更好的判断作用。槽漏磁场正比于发电机转子各槽的安匝数，其可形成转子的齿谐波。如转子发生匝间短路，会使该匝磁极的磁动势发生局部减弱，磁动势的平均值和峰值减小。
1.4.2 匝间短路测试绕组安装,匝间短路测试探头用电磁线绕制的小空心线圈，测试绕组为径向布置，必须保证测试绕组的轴线与转子径向重合，固定安装在发电机定子铁芯膛内气隙中距转子本体表面适当距离，一般为气隙的1/3，用于测量槽漏磁通密度。
1.4.3 判别方法,测量仪器最大垂直灵敏度应小于5 mV，频域带宽高于20 MHz，阻抗值不小于10 MΩ。
发电机在带载运行或短路试验时，因转子保持旋转，其槽漏磁场不断切割测试绕组，测试仪器的测试绕组上检测到的电压波形和槽漏磁场相关。如转子未发生匝间短路故障，根据转子绕组的组装结构，能够测得有对应规律的一组电压波形。当转子某一绕组发生匝间短路，因有效的工作线圈变少，其形成的磁场变弱，对应测试绕组的电压波形幅值也随之变低[3]。
通过深入研究观察该变化，即可判断转子绕组是否发生了匝间短路故障，图例如图1所示。

从图1（a）可以清晰地看出，波形1和波形2关于大齿成负对称的关系，波形1和波形2均同时含有磁极1和磁极2各自一半的波形。此外，无匝间短路故障的转子，波形中各个波头的包络分布总体呈现圆弧状，各个波头之间排列有序，且存在负对称性。
从图1（b）可知，与3、4号线圈相对应的两个波头出现异常下陷，说明3、4号线圈发生匝间短路故障。
1.5
重复脉冲（RSO）法
重复脉冲法是基于行波技术，根据转子绕组结构的对称性，同时在转子绕组两侧的对称位置注入两路前沿陡峭的相同冲击脉冲信号，并采集和分析其反射波信号，从而判断转子是否存在匝间绝缘缺陷或短路故障。
RSO试验仪测试波形中，脉冲上升沿的波峰点为有效波段起点，最低波谷点为其终点。
按照发电机转子每一极绕组中各线圈的总长度占该极全部线圈总长度的比例，将RSO试验仪检测波形的有效段划分为N个区域（N为转子每一极绕组中的线圈数）。从左至右，与时间轴第1个区域对应的波形段即为该极1号线圈所处的部位，时间轴第2个区域对应的波形段即为该极2号线圈所处的部位，依次类推，确定好每极绕组全部线圈在检测波形上所处的部位。
可将发电机转子线圈比作一条传导导线，其绝缘性能和外形结构决定传播冲击波的特性。在转子滑环的一侧加入冲击波时，绕组波阻抗与冲击波发生器内阻共同决定冲击波的幅值。冲击波在绕组滑环两侧传播的时间决定于其在绕组内的传递速率和绕组的长度。
如转子绕组无匝间短路故障，RSO测试仪采集检测到的两组反射波形完全重合，两组波形的差值应是一条平直线；如转子发生匝间短路故障，在信号的传输途经上故障点将成为阻抗突变点，出现折射与反射现象，RSO测试仪采集检测到的两组反射波形不重合，匝间短路故障点就是不重合部位，且故障严重程度可由不重合部位波幅度的大小表示。
2
匝间短路故障案例分析
2022年2月，广东某电厂3号发电机轴转子检修，采用极间电压法对转子进行极间电压试验时，在206 V试验电压下，测得Ⅰ极极间电压为107.8 V，Ⅱ极极间电压为98.2 V，极间电压不平衡度达到了8.91%。根据DL/T 1525—2016标准规定，当极间电压不平衡度超出3%时，可判定为转子发生匝间短路故障。
为准确判断匝间短路故障点具体线圈位置，需进一步采用转子绕组分布电压法分别测量转子各个线圈的电压，测得结果如表1所示。

测得Ⅱ极2#线圈电压不平衡度达到75.2%，超出DL/T 1525—2016标准规定的3%标准。
采用RSO法进一步验证3号发电机转子是否存在匝间短路，试验波形如图2所示。

试验波形显示，RSO试验仪检测到的两组反射波形未发生重合，两组波形的差值不是一条平直线，进一步验证了存在转子匝间短路故障现象。由图可见波形不重合部位波幅较大，可见短路故障现象较为明显。
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结语
大型发电机转子绕组匝间短路现象由于频繁发生、影响大、诊断难等原因，已成为影响发电厂机组安全运行的巨大隐患。要对其进行准确诊断，只依靠一种诊断方法或单一的监测手段具有较大难度，本文详细研究分析了匝间短路故障5种不同的检测方法，并对测试过程和要点展开深入研究，对分析判断大型机组转子绕组匝间短路故障具有较大的借鉴意义。在此基础上，采用不同方法对某电厂1 000 MW发电机转子绕组匝间短路故障进行了检测、分析和判断，并得出了可靠的结论，方法的实用性和可靠性得到了较好的印证和利用。