大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障研究

引言

在過(guò)去的20多年中,我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展十分迅速,許多超超臨界大型發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,隨著電力市場(chǎng)需求側(cè)增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩,大型發(fā)電機(jī)組也開(kāi)始參與深度調(diào)峰,在此過(guò)程中,發(fā)電機(jī)負(fù)荷頻繁大幅變化。因勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流也隨著負(fù)荷發(fā)生變化,且轉(zhuǎn)子又存在匝間絕緣強(qiáng)度冗余小等因素,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障現(xiàn)象頻發(fā)。

發(fā)電機(jī)即使只發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障,也會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率下降、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分布失衡、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流大幅上升,進(jìn)一步使發(fā)電機(jī)振動(dòng)明顯加大。掌握大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的不同分析判斷方法,深入研究分析匝間短路故障發(fā)生的根本原因,對(duì)判斷及預(yù)防轉(zhuǎn)子匝間短路故障意義重大。

1轉(zhuǎn)子匝間短路故障檢測(cè)方法

1.1轉(zhuǎn)子功率損耗和交流阻抗測(cè)試法

1.1.1靜態(tài)測(cè)試

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在停止?fàn)顟B(tài),分別測(cè)量在膛內(nèi)和膛外時(shí)的數(shù)據(jù)。

1.1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試

在機(jī)組啟動(dòng)期間,對(duì)照出廠記錄轉(zhuǎn)速,測(cè)量轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下繞組的交流阻抗、絕緣電阻和功率損耗。

1.1.3判別原則

(1)與出廠或歷史測(cè)試記錄相比,損耗值上升大于10%,或交流阻抗值下降大于10%。

(2)與出廠或歷史測(cè)試記錄相比,在損耗值下降大于8%的同時(shí),交流阻抗值上升大于8%。

(3)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升或下降的過(guò)程中,同一電壓作用下?lián)p耗或交流阻抗值出現(xiàn)超過(guò)5%的變化。

1.1.4注意事項(xiàng)

(1)為避免諧波分量對(duì)試驗(yàn)的干擾,應(yīng)采用線電壓作為試驗(yàn)電壓。

(2)試驗(yàn)峰值電壓不能大于轉(zhuǎn)子額定電壓值,動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)應(yīng)將發(fā)電機(jī)直流封母與勵(lì)磁系統(tǒng)的連接完全斷開(kāi)。

(3)當(dāng)轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機(jī)定子膛內(nèi)時(shí),為避免定子線圈感應(yīng)電壓的影響,試驗(yàn)時(shí)應(yīng)解開(kāi)定子繞組出線全部軟連接。

(4)在對(duì)水內(nèi)冷轉(zhuǎn)子測(cè)量或轉(zhuǎn)子存在一點(diǎn)接地時(shí),試驗(yàn)電源不應(yīng)接地,否則應(yīng)接隔離變加壓,并將轉(zhuǎn)子大軸接地,以保障測(cè)試安全。

1.2極間電壓法

在正常情況下,轉(zhuǎn)子兩極繞組有較好的對(duì)稱(chēng)性,在轉(zhuǎn)子繞組通入勵(lì)磁電流后,定子繞組中才會(huì)產(chǎn)生均勻的電磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子繞組因平衡電磁力的作用而保持平穩(wěn)運(yùn)行,且保持較小振動(dòng)值。因兩極有較好的對(duì)稱(chēng)性,故轉(zhuǎn)子繞組中點(diǎn)相較于正、負(fù)極兩端的電壓降基本一致[2]。在轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路故障時(shí),兩極對(duì)稱(chēng)性被破壞,有效的勵(lì)磁繞組數(shù)量也不同,致使兩極繞組的中點(diǎn)相對(duì)正、負(fù)極的電位差發(fā)生偏移,轉(zhuǎn)子繞組匝間短路點(diǎn)的數(shù)量、嚴(yán)重程度和具體位置決定偏移量的大小。

測(cè)試方法:

(1)在轉(zhuǎn)子滑環(huán)或?qū)щ娐菟ㄌ幫ㄟ^(guò)調(diào)壓器給繞組施加工頻交流電壓,測(cè)試電壓幅值一般不小于220%。

(2)使用包好絕緣的探針探入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)下測(cè)量極間電壓,并分別記錄下兩極電壓大小。

極間電壓測(cè)試結(jié)果分析:計(jì)算測(cè)得極間電壓不平衡度,根據(jù)DL/T1525一2016《隱極同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷導(dǎo)則》規(guī)定,極間電壓的差值不大于3%,當(dāng)不平衡度超出3%,判定為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。

1.3轉(zhuǎn)子繞組分布電壓法

本方法主要是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子兩極各線圈的分布電壓,根據(jù)電壓的對(duì)稱(chēng)性判斷是否存在匝間短路。如兩極各線圈對(duì)應(yīng)位置的電壓對(duì)稱(chēng)性都比較好,則可判定轉(zhuǎn)子不存在匝間短路故障:如對(duì)稱(chēng)性較差,則應(yīng)懷疑發(fā)生了匝間短路故障。通過(guò)測(cè)量和記錄轉(zhuǎn)子繞組兩極各線圈的電壓值,根據(jù)測(cè)量記錄結(jié)果,對(duì)兩極對(duì)應(yīng)線圈、同極相鄰線圈之間的電壓進(jìn)行比對(duì),能夠準(zhǔn)確分辨出電壓值異常的線圈,并確定發(fā)生匝間短路故障的線圈編號(hào)。

測(cè)試方法:

(1)在轉(zhuǎn)子滑環(huán)或?qū)щ娐菟ㄌ幫ㄟ^(guò)調(diào)壓器給繞組施加工頻交流電壓,測(cè)試電壓幅值一般不小于220V。

(2)使用包好絕緣的探針探入每極各個(gè)繞組測(cè)量位于護(hù)環(huán)下的底匝線圈和位于勵(lì)端緊靠護(hù)環(huán)的通風(fēng)孔頂匝線圈之間的電壓。

1.4動(dòng)態(tài)氣隙磁場(chǎng)線圈波形法

1.4.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)

忽略定、轉(zhuǎn)子槽的影響,發(fā)電機(jī)主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高、氣隙均勻。氣隙磁場(chǎng)中較接定、轉(zhuǎn)子的磁通為基波主磁通。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由汽輪機(jī)帶至同步轉(zhuǎn)速,沿著氣隙圓周,該磁場(chǎng)的磁密波形接近正弦分布。除基波主磁通之外的諧波漏磁場(chǎng)及僅與轉(zhuǎn)子繞組較接的磁通,因兩者均未參與能量轉(zhuǎn)換,統(tǒng)稱(chēng)漏磁通。

漏磁場(chǎng)是采用線圈波形法判斷繞組匝間短路故障的依據(jù),在只和各槽本身較接的槽漏磁場(chǎng)中具有更好的判斷作用。槽漏磁場(chǎng)正比于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各槽的安匝數(shù),其可形成轉(zhuǎn)子的齒諧波。如轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路,會(huì)使該匝磁極的磁動(dòng)勢(shì)發(fā)生局部減弱,磁動(dòng)勢(shì)的平均值和峰值減小。

1.4.2匝間短路測(cè)試?yán)@組安裝

匝間短路測(cè)試探頭用電磁線繞制的小空心線圈,測(cè)試?yán)@組為徑向布置,必須保證測(cè)試?yán)@組的軸線與轉(zhuǎn)子徑向重合,固定安裝在發(fā)電機(jī)定子鐵芯膛內(nèi)氣隙中距轉(zhuǎn)子本體表面適當(dāng)距離,一般為氣隙的1/3,用于測(cè)量槽漏磁通密度。

1.4.3判別方法

測(cè)量?jī)x器最大垂直靈敏度應(yīng)小于5mV,頻域帶寬高于20MHz,阻抗值不小于10M0。

發(fā)電機(jī)在帶載運(yùn)行或短路試驗(yàn)時(shí),因轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn),其槽漏磁場(chǎng)不斷切割測(cè)試?yán)@組,測(cè)試儀器的測(cè)試?yán)@組上檢測(cè)到的電壓波形和槽漏磁場(chǎng)相關(guān)。如轉(zhuǎn)子未發(fā)生匝間短路故障,根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的組裝結(jié)構(gòu),能夠測(cè)得有對(duì)應(yīng)規(guī)律的一組電壓波形。當(dāng)轉(zhuǎn)子某一繞組發(fā)生匝間短路,因有效的工作線圈變少,其形成的磁場(chǎng)變?nèi)?對(duì)應(yīng)測(cè)試?yán)@組的電壓波形幅值也隨之變低。

通過(guò)深入研究觀察該變化,即可判斷轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生了匝間短路故障,圖例如圖1所示。

從圖1(a)可以清晰地看出,波形1和波形2關(guān)于大齒成負(fù)對(duì)稱(chēng)的關(guān)系,波形1和波形2均同時(shí)含有磁極1和磁極2各自一半的波形。此外,無(wú)匝間短路故障的轉(zhuǎn)子,波形中各個(gè)波頭的包絡(luò)分布總體呈現(xiàn)圓弧狀,各個(gè)波頭之間排列有序,且存在負(fù)對(duì)稱(chēng)性。

從圖1(b)可知,與3、4號(hào)線圈相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波頭出現(xiàn)異常下陷,說(shuō)明3、4號(hào)線圈發(fā)生匝間短路故障。

1.5重復(fù)脈沖(5RS)法

重復(fù)脈沖法是基于行波技術(shù),根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組兩側(cè)的對(duì)稱(chēng)位置注入兩路前沿陡峭的相同沖擊脈沖信號(hào),并采集和分析其反射波信號(hào),從而判斷轉(zhuǎn)子是否存在匝間絕緣缺陷或短路故障。

RSO試驗(yàn)儀測(cè)試波形中,脈沖上升沿的波峰點(diǎn)為有效波段起點(diǎn),最低波谷點(diǎn)為其終點(diǎn)。

按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子每一極繞組中各線圈的總長(zhǎng)度占該極全部線圈總長(zhǎng)度的比例,將RSO試驗(yàn)儀檢測(cè)波形的有效段劃分為N個(gè)區(qū)域(N為轉(zhuǎn)子每一極繞組中的線圈數(shù))。從左至右,與時(shí)間軸第1個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的波形段即為該極1號(hào)線圈所處的部位,時(shí)間軸第2個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的波形段即為該極2號(hào)線圈所處的部位,依次類(lèi)推,確定好每極繞組全部線圈在檢測(cè)波形上所處的部位。

可將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈比作一條傳導(dǎo)導(dǎo)線,其絕緣性能和外形結(jié)構(gòu)決定傳播沖擊波的特性。在轉(zhuǎn)子滑環(huán)的一側(cè)加入沖擊波時(shí),繞組波阻抗與沖擊波發(fā)生器內(nèi)阻共同決定沖擊波的幅值。沖擊波在繞組滑環(huán)兩側(cè)傳播的時(shí)間決定于其在繞組內(nèi)的傳遞速率和繞組的長(zhǎng)度。

如轉(zhuǎn)子繞組無(wú)匝間短路故障,RSO測(cè)試儀采集檢測(cè)到的兩組反射波形完全重合,兩組波形的差值應(yīng)是一條平直線:如轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障,在信號(hào)的傳輸途經(jīng)上故障點(diǎn)將成為阻抗突變點(diǎn),出現(xiàn)折射與反射現(xiàn)象,RSO測(cè)試儀采集檢測(cè)到的兩組反射波形不重合,匝間短路故障點(diǎn)就是不重合部位,且故障嚴(yán)重程度可由不重合部位波幅度的大小表示。

2匝間短路故障案例分析

2022年2月,廣東某電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)子檢修,采用極間電壓法對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行極間電壓試驗(yàn)時(shí),在206V試驗(yàn)電壓下,測(cè)得I極極間電壓為107.8V,Ⅱ極極間電壓為98.2V,極間電壓不平衡度達(dá)到了8.91%。根據(jù)DL/T1525一2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)極間電壓不平衡度超出3%時(shí),可判定為轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障。

為準(zhǔn)確判斷匝間短路故障點(diǎn)具體線圈位置,需進(jìn)一步采用轉(zhuǎn)子繞組分布電壓法分別測(cè)量轉(zhuǎn)子各個(gè)線圈的電壓,測(cè)得結(jié)果如表1所示。

測(cè)得I極2#線圈電壓不平衡度達(dá)到75.2%,超出DL/T1525一2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3%標(biāo)準(zhǔn)。

采用RSO法進(jìn)一步驗(yàn)證3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路,試驗(yàn)波形如圖2所示。

試驗(yàn)波形顯示,RSO試驗(yàn)儀檢測(cè)到的兩組反射波形未發(fā)生重合,兩組波形的差值不是一條平直線,進(jìn)一步驗(yàn)證了存在轉(zhuǎn)子匝間短路故障現(xiàn)象。由圖可見(jiàn)波形不重合部位波幅較大,可見(jiàn)短路故障現(xiàn)象較為明顯。

3結(jié)語(yǔ)

大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路現(xiàn)象由于頻繁發(fā)生、影響大、診斷難等原因,已成為影響發(fā)電廠機(jī)組安全運(yùn)行的巨大隱患。要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確診斷,只依靠一種診斷方法或單一的監(jiān)測(cè)手段具有較大難度,本文詳細(xì)研究分析了匝間短路故障5種不同的檢測(cè)方法,并對(duì)測(cè)試過(guò)程和要點(diǎn)展開(kāi)深入研究,對(duì)分析判斷大型機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障具有較大的借鑒意義。在此基礎(chǔ)上,采用不同方法對(duì)某電廠1000IM發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障進(jìn)行了檢測(cè)、分析和判斷,并得出了可靠的結(jié)論,方法的實(shí)用性和可靠性得到了較好的印證和利用。