錢和平，李中玉，董建洋

（1.浙能蘭溪發(fā)電有限公司，浙江 蘭溪 321100；2.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

發(fā)電機(jī)靜態(tài)匝間短路故障分析與診斷技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完善，但對(duì)動(dòng)態(tài)匝間短路的判斷與故障點(diǎn)定位仍無(wú)法作出準(zhǔn)確判斷。以某發(fā)電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)匝間短路故障診斷處理為例進(jìn)行分析，指出氣隙磁場(chǎng)波形分析是判斷動(dòng)態(tài)匝間短路的有效方法。

1 故障分析過(guò)程

1.1 機(jī)組軸振與無(wú)功輸出變化的相關(guān)性

3號(hào)發(fā)電機(jī)系東方電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-600-2-22C型電機(jī)，于2006年12月投運(yùn)。在2007年5月運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)機(jī)組7，8號(hào)瓦軸振動(dòng)隨勵(lì)磁電流與無(wú)功功率的增大而增大的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為∶振動(dòng)量有突變，當(dāng)機(jī)組有功在450 MW穩(wěn)定運(yùn)行，若無(wú)功由50 Mvar增至250 Mvar，7，8號(hào)瓦軸振要增加35～40 μm，軸振動(dòng)變化滯后無(wú)功變化30 min左右；滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)絕對(duì)值很大，當(dāng)機(jī)組有功在600 MW時(shí)，若無(wú)功達(dá)到200 Mvar，7號(hào)瓦X向軸振動(dòng)高達(dá)130 μm，8號(hào)瓦X向軸振動(dòng)高達(dá)103 μm。在首次觀察到機(jī)組振動(dòng)隨發(fā)電機(jī)無(wú)功變化影響之后，又發(fā)現(xiàn)這種變化關(guān)系并不是穩(wěn)定的，初期只是偶爾出現(xiàn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)隨無(wú)功變化的情況，6個(gè)月之后，振動(dòng)隨無(wú)功變化的關(guān)系逐漸穩(wěn)固。

1.2 發(fā)電機(jī)變無(wú)功試驗(yàn)

為確認(rèn)觀測(cè)結(jié)果，進(jìn)行了發(fā)電機(jī)變無(wú)功試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

發(fā)電機(jī)有功穩(wěn)定在600 MW，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和無(wú)功。當(dāng)勵(lì)磁電流與無(wú)功較小時(shí)，7，8號(hào)瓦軸振較小；增大勵(lì)磁電流和無(wú)功，7，8號(hào)瓦軸振動(dòng)隨之緩慢上升；當(dāng)勵(lì)磁電流增大到4 252 A時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子7，8號(hào)瓦軸振動(dòng)急劇增大，最大達(dá)147 μm，迅速降勵(lì)磁電流后，振動(dòng)仍在130 μm左右，比試驗(yàn)前振動(dòng)有明顯偏大。試驗(yàn)證實(shí)：3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增大而增大；轉(zhuǎn)子的振動(dòng)增加與減小均滯后勵(lì)磁電流變化0.5 h左右。

圖1 發(fā)電機(jī)變無(wú)功試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

電氣專業(yè)分析認(rèn)為，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在匝間短路的可能性較大。由于轉(zhuǎn)子繞組絕緣損壞造成轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，破壞了轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)均勻性，造成轉(zhuǎn)子受力不均，使機(jī)組振動(dòng)增大。匝間短路很好地解釋了振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增加而增加的現(xiàn)象，但無(wú)法解釋振動(dòng)變化滯后勵(lì)磁電流變化的現(xiàn)象。

汽機(jī)專業(yè)給出了不同觀點(diǎn)，并引用學(xué)術(shù)論文與故障經(jīng)驗(yàn)作為論據(jù)。3號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)隨著勵(lì)磁電流的增加有明顯上升且有滯后現(xiàn)象，是轉(zhuǎn)子散熱結(jié)構(gòu)損壞，如局部風(fēng)道堵塞，造成熱變形從而引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)的典型特征[1]。熱變形很好地解釋了振動(dòng)變化滯后勵(lì)磁電流變化的現(xiàn)象。

由于不同故障的維修方法差異極大，因而有必要在大修前確定故障原因，作為制訂修理方案的基礎(chǔ)。

1.3 傳統(tǒng)匝間短路檢測(cè)試驗(yàn)

1.3.1 初步檢測(cè)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)臨時(shí)停機(jī)，在盤車狀態(tài)下測(cè)量轉(zhuǎn)子交流阻抗，測(cè)得的數(shù)據(jù)與交接試驗(yàn)相比無(wú)明顯偏差，盤車狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)子無(wú)明顯匝間短路特征。這一試驗(yàn)結(jié)果干擾了對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障原因的判斷，為確認(rèn)故障原因，必須獲取更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子交流阻抗

測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子交流阻抗，經(jīng)反復(fù)多次進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了多組數(shù)據(jù)如表1，大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)子交流阻抗變化在允許范圍以內(nèi)，但也有與歷史值偏差較大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中1組數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min以后，試驗(yàn)值與交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差別開(kāi)始增大。

表1 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子交流阻抗數(shù)據(jù)與歷史值比較

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min以后，與交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比交流阻抗明顯變小，損耗明顯增大，說(shuō)明存在匝間短路。另外，在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速上升至2 800 r/min時(shí)，電流出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，在43 A→39.0 A→43 A之間晃動(dòng)；轉(zhuǎn)速下降至2 720 r/min時(shí)，電流也在39 A→43 A間晃動(dòng)，之后電流恢復(fù)正常，該現(xiàn)象說(shuō)明匝間短路現(xiàn)象不穩(wěn)定。

1.3.3 額定轉(zhuǎn)速空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2：表中U為發(fā)電機(jī)定子線電壓二次值，Uf勵(lì)磁電壓，If1交接試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁電流，If2本次試驗(yàn)時(shí)勵(lì)磁電流。

表2 額定轉(zhuǎn)速下空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，在相同的試驗(yàn)條件下試驗(yàn)勵(lì)磁電流值與交接試驗(yàn)時(shí)相比有增大現(xiàn)象，約增長(zhǎng)1%～2%，空載曲線與以前比有向右偏移現(xiàn)象。

由以上試驗(yàn)可以說(shuō)明該轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速大于500 r/min后出現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路缺陷，但匝間短路狀態(tài)有時(shí)不穩(wěn)定。

1.4 發(fā)電機(jī)三相短路狀態(tài)下氣隙磁場(chǎng)波形錄取

由于轉(zhuǎn)子的匝間短路屬于動(dòng)態(tài)匝間短路，轉(zhuǎn)子靜止后短路現(xiàn)象可能消失，無(wú)法通過(guò)電氣試驗(yàn)來(lái)查找故障點(diǎn)，將給處理缺陷帶來(lái)困難，影響檢修工期和效果，所以考慮錄取氣隙磁場(chǎng)波形確定故障點(diǎn)位置。

在3號(hào)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子氣隙間已安裝轉(zhuǎn)子匝間短路探測(cè)線圈，將探測(cè)線圈信號(hào)線接至錄波器，可錄下感應(yīng)電勢(shì)波形，由于探測(cè)線圈的感應(yīng)電勢(shì)正比于轉(zhuǎn)子各槽dB/dt，槽中有短路線匝時(shí)，相應(yīng)的dB/dt幅值銳減。由鍵相信號(hào)確定出缺陷極，由感應(yīng)電勢(shì)波形圖確定槽數(shù)，可將短路缺陷范圍縮小至1個(gè)繞組（2匝）之內(nèi)。

在短路狀態(tài)下,探測(cè)線圈感應(yīng)電勢(shì)波形較平滑規(guī)則，易分辨短路匝及其所在槽位。所以在大修前安排發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)進(jìn)行氣隙磁場(chǎng)錄波，如圖2所示。3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子N，S極分別有16槽，每槽有11層線圈。從圖2中可看出在轉(zhuǎn)子線圈中有1處明顯的短路點(diǎn)。匝間短路故障位置為鍵相信號(hào)對(duì)應(yīng)側(cè)第5匝，已大大縮小了故障范圍。

圖2 發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)波形

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，確認(rèn)3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍵相信號(hào)對(duì)應(yīng)側(cè)第5匝存在動(dòng)態(tài)匝間短路故障，但短路點(diǎn)并不是穩(wěn)定存在著的，且短路線匝較少，在勵(lì)磁電流較小的情況下，磁場(chǎng)崎變較小，勵(lì)磁電流大于4 252 A后出現(xiàn)繞組熱變形引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)增大。

2 動(dòng)態(tài)匝間短路點(diǎn)的確認(rèn)

3號(hào)發(fā)電機(jī)大修期間，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢查處理。由于轉(zhuǎn)子繞組在勵(lì)側(cè)進(jìn)行焊接，歷史經(jīng)驗(yàn)又表明勵(lì)側(cè)出現(xiàn)故障概率大，所以先拔出勵(lì)側(cè)大護(hù)環(huán)，很快就在第5匝2～3層線圈間發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)，如圖3所示。故障點(diǎn)位置與事先判斷結(jié)果完全一致。

圖3 動(dòng)態(tài)匝間短路的短路點(diǎn)

由于制造廠加工工藝的控制不嚴(yán)，匝間絕緣上留有焊渣，在機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后焊渣受振動(dòng)影響磨壞絕緣材料造成短路，短路電流燒毀焊渣同時(shí)使絕緣材料局部受熱燒損，在絕緣層上形成1個(gè)孔洞，破壞了轉(zhuǎn)子匝間絕緣。

在勵(lì)磁電流較小，轉(zhuǎn)子溫度較低時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組匝間的擠壓力較小，絕緣層燒穿后的微小間隙仍然存在，短路點(diǎn)的短路現(xiàn)象不明顯，從而使得轉(zhuǎn)子在低勵(lì)磁電流、低無(wú)功運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)無(wú)異常；在高轉(zhuǎn)速的離心力與熱膨脹等因素作用下，絕緣損壞處的間隙縮小將會(huì)出現(xiàn)短路。電流越大，溫度越高則短路點(diǎn)越穩(wěn)固，匝間短路現(xiàn)象越明顯，從而形成了不穩(wěn)定匝間短路，此時(shí)獲得的試驗(yàn)值與交接值有顯著差異。而在低轉(zhuǎn)速下測(cè)交流阻抗，轉(zhuǎn)子線圈離心力小，所以轉(zhuǎn)子交流阻抗與功率損耗顯示正常。

短路點(diǎn)進(jìn)行處理后，轉(zhuǎn)子交流阻抗及損耗值、發(fā)電機(jī)空載特性數(shù)據(jù)已恢復(fù)正常。3號(hào)發(fā)電機(jī)投運(yùn)后，7，8號(hào)瓦軸振動(dòng)大幅下降，且滿負(fù)荷時(shí)振動(dòng)值在70 μm以下。

3 結(jié)論

分析認(rèn)為，在轉(zhuǎn)子的各種匝間短路故障形式中，若能選用有效的故障檢測(cè)手段，則能迅速分析出故障真實(shí)原因，從而及時(shí)消除設(shè)備缺陷。各種試驗(yàn)方法在確認(rèn)匝間短路故障中的作用如表3所示。

表3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路試驗(yàn)方法在確認(rèn)故障中的作用

顯然，傳統(tǒng)的匝間短路檢測(cè)試驗(yàn)方法在診斷發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)匝間短路時(shí)有很大的局限性，難以給出明確的判斷。

氣隙磁場(chǎng)波形分析方法由于檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)工況與發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)非常接近，并能排除故障判斷中的干擾因素，是判斷發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)匝間短路的有效方法。

[1]張麗娟，楊新華，馬呈霞，等.轉(zhuǎn)子熱彎曲引起發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的診斷與處理[J].大電機(jī)技術(shù)，2009（8）∶13-16.

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