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1、大型汽轮发电机转子匝间短路故障分析技术经验交流 广东电网公司电力科学研究院：张征平报告提纲：一 广东省电厂发电机运行的基本情况二 发电机转子匝短故障的分析和检测步骤三 转子运行中的匝短故障分析四 转子停运后匝短故障的分析五 匝短故障点的定位分析六 各种分析方法的适用性比较七 两点期望一 广东省内近年来的发电机运行情况概述广东省内的各类发电企业有100余家，其中，200MW-400MW的发电机有近60余台，600MW等级的发电机有30台，还有一些已投运的、或正在建的1000MW等级的发电机16台。根据2010年4月23日的统计，到2010年末,广东省总装机容量将达7206万千瓦，是全国装机容量最
2、大省份。（2010年3月21日统计，山东省总装机容量达到 6078 万千瓦，居全国第二）近几年来，发电机出故障的事件比较多，从300MW的中小型发电机，到600MW、1000MW的大型发电机，都有各种不同的故障出现，有的故障还是非常特殊的故障现象。这个情况可能跟这些年来机组的负荷迅猛增长有关系，也跟国内前几年新建发电机组数量的爆发性增长有关系，还跟发电机生产厂家的制造工艺有关。这些故障分布在发电机定子、转子、以及发电机外围附属设备等各个方面。不论是在定子线棒、绕组端部，还是在定子铁心，或是在转子绕组方面，我们都积累了比较丰富的故障分析方面的经验。限于时间关系，我们这里先就转子绕组匝间短路故障分
3、析方面的技术和经验跟大家做一个交流。为了叙述简便，文中将“匝间短路”简称为“匝短”。广东省近几年来，大型发电机发生故障的一个很显著的特征，就是转子匝短故障频频发生。从2007年至今，已有9台大型发电机先后出现了匝短故障，其中有7台是600MW等级以上的大型发电机，两台是400MW等级的发电机。尤其是在2009年，一年之内就发生了3起；在2010年，一年之内就发生了5起，这在以往是从来没有过的。这些大型发电机发生转子匝短故障，给发电厂的电力生产带来了很大的压力，严重影响了发电任务的顺利完成，也造成了巨大的经济损失。二 发电机转子匝短故障的分析和检测步骤在转子匝短故障分析、诊断和处理的过程中，一般
4、都需要经过以下几个过程：1 转子运行中出现异常振动，需要通过异常振动现象来分析转子绕组是否存在匝短故障；2 转子停运后，要对仍在发电机定子膛内的转子进行有关的电气试验，以判断是否存在匝短故障；3 将转子抽出来放置于发电机定子膛外后，可对匝短故障点进行定位分析；4 对确实存在匝短故障的转子绕组进行返厂解体处理，找出故障点，并进行故障发生原因分析，以便有针对性地进行处理。三 转子运行中的匝短故障分析正常运行中的发电机，其转子的振动水平一般保持在较低的振动水平（GB7064-2008隐极同步发电机技术要求中，要求不大于80m）。当转子出现异常振动后，首先要对引起转子异常振动的原因进行分析。总的说来，
5、不外乎两类因素，即非电气因素和电气因素两大类。非电气因素造成的转子振动属于汽机专业的范畴，这里不予讨论，而造成转子异常振动的电气因素通常就是转子匝短故障。当转子出现匝短故障后，定子气隙中的电磁场发生畸变，转子因受到了不平衡电磁力而发生振动，且一般随着励磁电流的增大，不平衡力加剧，转子的振动也相应的增大。因此，其典型特征是：转子的振动与励磁电流之间存在着明显的正相关性。根据这一特征，就可以对运行中的转子是否存在匝短故障得到一个比较明确的结论。换句话说，当转子出现振动异常增大，且与励磁电流之间存在着比较明显的正相关性关系时，就应当怀疑转子内部可能出现了匝短故障。 图1 正常发电机转子的振动曲线与励
6、磁电流之间的关系 图2 存在匝短故障的转子的振动曲线与励磁电流之间的关系（HY电厂） 图3 存在匝短故障的转子的振动曲线与负荷之间的关系（SW电厂）四 转子停运后（仍在发电机定子膛内）匝短故障的分析虽然我们可以通过上述转子的振动曲线与励磁电流之间的相关性来分析转子是否存在匝短故障，但毕竟还没有针对转子绕组做过任何的电气试验进行检查，因此，还缺少最直接的判断依据。机组解列后，当转子仍在发电机膛内时，可以进行以下电气试验来判断转子是否存在匝短故障。1 空载试验；2 直流电阻测量；3 交流阻抗和损耗试验；4 两极电压平衡试验；5 RSO（Repetitive Surge Oscilloscope ）
7、试验；6 转子绕组电压分布试验；7 三相短路状态下的动态匝间短波形试验。下面我们对于上述各种试验方法的特点做一个简要的分析。1空载试验这种方法是通过测量空载状态下发电机转子的励磁电流，将其与历史值进行比较，分析其变化的程度来判断转子绕组是否存在匝短故障。存在匝短故障的转子绕组，其空载电流将比历史值要有所增大。不过，当短路匝数较少时，空载下励磁电流的增长不会很明显，因此，空载试验只能作为判断匝短故障的一种参考。2直流电阻测量法它是通过测量转子直流电阻的降低来检测转子匝短故障。理论上，当出现匝短故障时，转子绕组的直流电阻值当然会变小。因此，通过测量其直阻值的下降，可以判断转子存在匝短故障。但是，当
8、发生匝短的匝数很少时（例如只在两匝之间发生了匝短，那么转子直阻下降很小，而且这种下降量的变化可能比直阻测量仪器的测量误差还要小，因此，就很难准确地判断转子是否存在匝短故障。不过，当短路的匝数较多时，这种测量直阻的方法还是十分简单有效的。例如HL电厂的2#发电机转子曾经有五处发生了匝短故障，其直阻下降了7.1%，很显然，该转子存在匝短故障。3交流阻抗和损耗试验判断转子是否存在匝短故障最常用的一种方法，就是测量转子的交流阻抗和功率损耗。由于有现成的仪器进行测量，且操作起来比较简单，无论转子在发电机膛内或是膛外，均可方便地进行测量。因此，这种方法在转子匝短故障的检测中得到了广泛的应用。不过，从现有的
9、试验标准来看，根据其试验结果来判断转子有无匝短故障的判据比较模糊。在GB/T50150-2006电气装置安装工程 电气设备交接试验标准中，只是规定了试验时的转子状态以及试验时所施加的试验电压值；在DL/T596-2005电力设备预防性试验规程中，除上述规定外，要求“阻抗和功率损耗值自行规定，在相同试验条件下与历年数值比较，不应有显著变化”。那么，如何自行规定才是正确的？变化到什么程度才叫“显著变化”？都没有一个具体的说明，因此，这就让操作者难以把握了。在JB/T8446-2005隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法中，也没有对静止状态下转子的交流阻抗及功率损耗值的允许变化量做出一个具体规定。由
10、于这些原因，在转子匝短故障诊断中就造成了这样一种奇怪的局面：一方面，交流阻抗和损耗试验方法应用得非常普遍，另一方面，却很少直接采用它作为一种有力的判据来判断转子是否存在匝短故障。实际经验表明，交流阻抗和功率损耗这两个参数在诊断转子匝短故障时，相比较而言，功率损耗要比交流阻抗敏感得多。对于转子的交流阻抗来说，其阻抗下降10%的变化，往往并不能说明转子绕组存在匝短故障。但功率损耗值上升10%左右以上的变化，往往说明转子绕组很可能已存在匝短故障。不过，这里不包含交接时的采用松打槽楔工艺的新转子在首次超速前后的阻抗和损耗值的变化。因为采用松打槽楔工艺的新转子在首次超速试验后，由于槽楔松紧度的显著变化，
11、往往会造成转子交流阻抗和损耗值的较大变化。4两极电压平衡试验在判断转子匝短故障时，两极电压平衡法也是经常用到的一种诊断方法。其原理是通过测量两极绕组上的电压降，比较两者之间的电压差异。当这种差异小于某个限定值时（根据JB/T8446-2005隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法中的规定，“两极线圈间的电压差不得大于最大值的3%”），可认为转子不存在匝短故障，而当这种差异超过该限定值时，则判断转子出现了匝短故障。通常情况下，这种方法还是比较准确的，但有时也会出现误判。例如，在做JW电厂4#发电机（600MW）转子的两极电压平衡试验时，经多次核证，均发现两极之间的电压差超过5V，该值已超过上述JB
12、/T8446-2005中的限定值，但后来确认该转子并没有发生匝短故障。而HL电厂2#发电机（600MW）转子，动态匝间短路波形试验已证明该转子至少有5处发生了匝短故障，而在两极电压平衡试验中，测量其两极电压之间的电压差，却只有4.2V。因此，两极电压平衡试验也有其局限性。另外，如果发生某种特例，例如两极绕组各自都存在匝短故障点，且故障点恰好处于对称的位置，此时，两极电压平衡试验就无法检测出来了。5重复脉冲波形（RSO）法RSO方法目前在检测发电机转子匝间短路故障中有了越来越多的应用。无论当转子在定子膛内还是在定子膛外时，都可对转子施以RSO方法进行转子匝短故障的检测。RSO方法基于转子绕组的对
13、称结构，分别从转子的正、负两极向转子注入高频脉冲信号，将高频脉冲的响应波形进行180度的换相重叠，通过比较对称性，验证转子是否存在匝间短路。正常情况下，两条响应曲线应当十分吻合。当两条曲线非吻合度达到一定的程度时，即判断转子存在匝间短路故障。这种检测方法比较方便，不过有时也有误判的报道。另外，它也存在着暂时没有相关标准作为判断依据、有时需要依据操作者的个人经验进行故障点定位等缺陷。不过，在进行转子匝短故障检测时，这并不妨碍将其作为一种有益的参考判据。图4是应用RSO方法检测ZH电厂2#发电机（700MW）转子匝间短路故障时的测量波形。从图4中可见，黄色、蓝色两条曲线在红色圆周的中部明显不相吻合
14、，差异显著。分析认为“该转子在3#线圈上存在一匝金属性短路”，该结论与转子解体后的检查结果是一致的。不过，该结论中并未指明是转子的哪一极绕组的3#槽线圈、以及3#槽线圈中具体哪两匝之间发生了匝短故障。另外，其判断3#槽的依据也欠明确。 图4 存在匝短故障的转子的RSO检测波形（ZH电厂）6. 转子绕组电压分布试验广东电网公司电力科学研究院近年来开创性地提出了一种简单易行、准确可靠的转子匝间短路诊断方法，并称之为“转子绕组电压分布试验”。采用这一方法，只需要用一块普通的万用表，即可准确地检测出转子是否存在匝短故障，甚至准确地检测出具体是在哪两匝之间发生了匝间短路故障。为了便于说明，这里先给出转子
15、护环内侧的转子绕组结构实况图，如图5所示。 图5 转子护环内侧的转子绕组结构在图5中所看到的是转子绕组在护环内侧的两极绕组各槽线圈的底匝线棒，不同类型的发电机，该部位的结构会有所不同。空间大的，测量起来会比较容易，空间狭窄的，测量起来就会困难一些。不过，一般说来，都能够实施转子绕组的电压分布试验。转子绕组电压分布试验的具体做法，是在静止的滑环上施加较低的安全电压（例如50V左右的交流电压，便于使用万用表读数即可），然后测量各个底匝的电压，进而可以计算出相邻两底匝之间的电压差。无匝短故障的转子，其两极绕组的各个相对应部位的电压或电压差都具有良好的对称性。但是当出现匝短故障时，原有的对称性被破坏，各个部位的电压值都会发生变化。但对于两槽线圈底匝之间的电压差而言，如果不存在匝短故障，则电压差值基本不变，如果存在匝短故障，则电压差值就会发生显著的变化。图6中，工作人员正在该部位测量转子绕组的电压分布数据。 图6 正在测量转子绕组的分布电压需要进一步指出的是，由于转子绕组绕制方向的
