660MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理.pdf

46电工电气 (2023 No.7)作者简介：冯宇哲(1978)，男，工程师，硕士，从事电力设备状态检测评价和技术监督工作。冯宇哲，李卫军，杨立川(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014)摘 要：转子匝间短路故障是发电机的常见故障之一。某台 660 MW 汽轮发电机在运行状态下的升负荷过程中出现轴振爬升的情况，根据轴振与励磁电流相关性、轴振相位变化、轴振升高时间、密封瓦油温变化、重复脉冲法及转子极间电压法分析，综合判断转子绕组已存在匝间短路故障。经转子返厂解体后，发现 4 号线圈端部拐角处匝间绝缘发生移位现象，采用转子匝间绝缘双层化方式修复后，机组重新投入正常运行。关键词：发电机；转子绕组；匝间短路；重复脉冲法中图分类号：TM311 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2023)07-0046-05 Abstract:The rotor inter-turn short circuit fault is one of the common faults occurring to the generator.The bearing vibration climbing happened to a 660 MW turbo-generator in working state during the process of load increase,so according to the correlation between bearing vibration and excitation current,the phase change and rise time of bearing vibration and the oil temperature change of sealing pads,the paper employed repetitive surge oscilloscope and rotor inter-pole voltage method to judge that the rotor winding has inter-turn short circuit faults.After disassembling the rotor,it found that inter-turn insulation at the corner of the end of the No.4 coil was displaced.Therefore,double-lay-ered the rotor inter-turn insulation was adopted to make the unit put into normal operation again.Key words:generator;rotor winding;inter-turn short circuit;repetitive surge oscilloscopeFENG Yu-zhe,LI Wei-jun,YANG Li-chuan（Zhejiang Electric Power Research Institute,Hangzhou 310014,China）Detection and Treatment on a Rotor Winding Inter-Turn ShortCircuit Fault of a 660 MW Generator660 MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理0 引言近年来，伴随特高压直流输电的快速发展，电力系统对动态无功的需求日益增长，加装于换流站的 300 Mvar 大容量调相机组的并网数量快速增加；同时，新能源发电的大规模并网消纳，对电网惯性、短路容量和母线电压的稳定性均提出了更高的要求，10 50 Mvar 分布式调相机组的并网规模也随之快速提升。其中，特高压送端换流站调相机组和用于支撑新能源消纳的分布式调相机组，其冷却方式均为全空气冷却，其转子结构与气体冷却的发电机组类似，转子的匝间绝缘均为非连续的拼接结构，存在匝间绝缘移位，造成转子绕组匝间短路故障发生的可能性。转子绕组匝间短路故障是大型发电机组的常见故障之一1-5，故障发生时，发电机内部空间的磁动势分布发生畸变，转子运行状态中将受到不平衡力的作用，造成转子轴振的升高；严重的转子绕组匝间短路故障若处理不及时，可能进一步发展形成转子绕组对地绝缘劣化、转子大轴磁化等隐患6-9。当转子处于膛内静止状态下，重复脉冲法(RSO)目前被认为是转子匝间短路故障的最佳检测方法10，常规试验如直流电阻、交流阻抗和功率损耗试验等灵敏度较低。当转子置于膛外静止放置时，可以通过极间电压法和线圈电压法，准确地判断转子绕组是否存在金属性匝间短路故障11，但其试验操作相对繁琐，且难以在转子膛内状态下开展。机组运行状态下，可以通过气隙探测线圈波形，判断转子匝间绝缘状态，但需增加成本投入，且受负荷电流的波动及去电枢磁势的作用，特征波形往往无法达到最理想的状态12。660 MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理47 电工电气 (2023 No.7)本文将介绍一台 660 MW 汽轮发电机在运行状态下的升负荷过程中发生的轴振爬升案例，在轴振与励磁电流相关性、RSO、转子极间电压法的基础上，增加了轴振相位变化、轴振升高时间和密封瓦油温变化的分析，判断转子存在匝间短路故障，经返厂解体检查验证，对故障进行修复，并开展了匝间绝缘改造。1 轴振异常分析1.1 机组概况本台汽轮发电机的型号为 QFSN2-660-2，冷却方式为水-氢-氢，采用自并励静止励磁方式，集电环和电刷采用空气冷却，发电机的主要技术参数如表 1 所示。1.2 轴振情况2017 年 2 月 21 日，发电机启动，空载状态下，#6 瓦、#7 瓦处的合成轴振在 50m 左右，升负荷至 660 MW 的过程中，#6 瓦、#7 瓦处的合成轴振信号相对稳定。2 月 23 日 07 时至 10 时，发电机在运行状态下升负荷，在有功功率从 450 MW 提升到 600 MW 的过程中，#6 瓦、#7 瓦处发生轴振爬升的现象，合成轴振从 50m 左右爬升至 80m 左右，而相邻的#5 瓦、#8 瓦处的合成轴振变化量较小，可以初步判断转子轴振异常上升的原因在于发电机而非原动机。#6 瓦、#7 瓦处的合成轴振情况如表 2 所示，其中，工况一 07 时 20 分至工况二 10 时 10 分过程中，转子励磁电流上升；工况二 10 时 10 分至工况四 14 时 50 分过程中，转子励磁电流下降。1.2.1 轴振与励磁电流相关性通过表 2 可知，在工况一至工况二的过程中，#6 瓦、#7 瓦处的转子轴振随励磁电流的增加而同步上升；在工况二至工况四的过程中，当励磁电流下降时，#6 瓦、#7 瓦处的转子轴振随之降低。依据 DL/T 15252016隐极同步发电机转子匝间短路故障诊断导则，当转子振动值与励磁电流值存在明显的正相关性时，应分析转子存在匝间短路故障的可能性。发电机转子轴振爬升的原因，除转子绕组匝间短路故障外，还有转子热不平衡、转子质量不平衡、密封瓦碰磨等，其中转子热不平衡故障也会呈现出转子轴振与励磁电流存在正相关性的现象。为进一步在发电机运行状态，分析轴振爬升的原因，开展本台发电机转子轴振相位变化、轴振升高时间、密封瓦油温变化的联合诊断工作。1.2.2 轴振相位变化2 月 23 日，#6 瓦、#7 瓦处的轴振相位变化情况如表 3 所示。通过表 3 数据，并结合表 2 中的合成轴振数据可知，在转子轴振爬升现象的发展过程中，即工况一至工况二的过程，#6 瓦、#7 瓦处X和Y方向的轴振相位均发生改变；在工况二至工况四的过程中，#6 瓦、#7 瓦处的转子合成轴振整体保持稳定，且依然明显高于工况一，同时随励磁电流的下降而降低，此时#6 瓦、#7 瓦处X和Y方向的轴振相位变化量极小，其中#7 瓦处各方向的轴振相位均基本保持不变。从轴振相位角度分析，引发转子轴振爬升的原因可能在于发电机本体的#7 瓦一侧，即发电机转子本体的励磁侧而非原动机侧。1.2.3 轴振增长时间当转子振动与励磁电流存在明显相关性且轴振已显著爬升时，在非停机状态下，有效区分转子动态匝间短路和转子热不平衡，对合理确定机组的运检策略，保障设备安全具有实际意义。转子热不平衡故障发生的主要原因可分为转子表1 故障发电机主要技术参数参数数值有功功率/MW660额定电压/kV20额定功率因数0.9额定转速/(r/min)3 000额定励磁电压/V445额定励磁电流/A4 534表2 2月23日#6瓦、#7瓦合成轴振爬升情况工况时间有功功率/MW#6瓦合成轴振/m#7瓦合成轴振/m无功功率/Mvar一07:20450594226二10:106008381259三13:156008077223四14:506007772180表3 2月23日#6瓦、#7瓦轴振相位变化情况工况有功功率/MW#6瓦X方向轴振相位/()#6瓦Y方向轴振相位/()#7瓦X方向轴振相位/()#7瓦Y方向轴振相位/()一450211333213346二600169290174317三600172293174316四600175296175318660 MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理48电工电气 (2023 No.7)线圈膨胀受阻、转子不对称冷却等，目前转子材质引发的锻件各向异性化问题已基本解决。其中转子线圈热膨胀受阻的具体原因又可分为转子滑移层损坏、转子槽楔松紧程度严重不均匀、楔下垫条厚度严重不均匀等；转子不对称冷却，对于气体冷却转子，其主要原因为转子通风孔堵塞，对于水冷转子，其主要原因为转子线圈水堵故障，在运行状态下对于严重的转子不对称冷却故障，均可通过改变冷却介质温度以对比判断，并通过检修试验加以确认。励磁电流增幅检测法可以有效预警转子匝间短路故障，但受发电机运行工况影响，其最适合于机组空载或短路试验时开展5，11，本案例中，660 MW汽轮发电机在启机过程中振动无异常，且本台发电机未安装气隙探测线圈。分析轴振升高时长，通过表 2 可知，轴振爬升时间接近 3 h，对应工况一至工况二，期间#6 瓦、#7 瓦处的合成轴振分别由 59m 和 42m 爬升至 83m 和 81m，转子轴振升高为非突变现象；工况二后，转子励磁电流不再增加，在持续 600 MW的高负荷状态下，轴振停止爬升保持整体稳定，未出现转子轴振在机组高负荷状态下持续升高的现象，未发生轴振相位不变幅值持续上升的情况。轴振爬升时间长，可排除部件脱落等突发性故障；轴振与励磁电流的相关性明显高于机组负荷，转子振动爬升的原因应为转子动态匝间短路。1.2.4 密封瓦油温变化机组运行状态下，判断密封瓦是否存在明显的碰磨故障，对机组的运维人员具有重要意义。提高机组密封瓦油温，可以降低密封油的黏度，是缓解密封瓦碰磨故障最常见的运行措施之一。2 月 23 日运行过程中，密封瓦油温未发生明显波动。2 月 24 日，降低机组负荷至 330 MW，开展密封瓦油温变化试验，将密封瓦油温由 32 提高到 50，稳定 1 h，同步记录#6、#7 瓦处的合成轴振数据，如表 4 所示。通过表 4 可以看出，升高密封油温度，#6 瓦、#7 瓦处的合成轴振基本不变，可以大致确定不存在严重的密封瓦碰磨故障。2 试验分析本案例中，虽存在轴振爬升且与励磁电流正相关的现象，但转子轴振数据仍明显小于合格阈值，满足机组运行要求，加强#6、#7 瓦处轴振监测，等待机组停机，通过电气试验，最终确定转子绕组匝间绝缘状态。2.1 RSO试验RSO 试验通过转子两极滑环，向转子绕组注入重复脉冲，获取特征曲线，利用转子绕组的对称性，对特征曲线开展分析，以判定转子绕组是否存在匝间短路故障11-13。当转子绕组发生匝间短路故障时，转子绕组分布参数也将发生变化，如故障点未处于两极绕组中点时，转子线圈的对称性将发生改变。依据 T/CSEE 00412017隐极同步发电机转子重复脉冲(RSO)试验导则，两条检测曲线在分叉处的最大电压偏差值与正常反射波最大电压正峰值的比率为偏差率，当 8%时，可以判断转子存在匝间短路故障。机组停机后，开展转子膛内静止状态下的多角度 RSO 试验，以面向转子滑环站立的顺时针方向为正向，试验数据情况如表 5 所示，其中最大偏差率已超过 10%。可以发现，转子已存在多角度下的静态匝间短路故障特征，转子线圈应已形成明显的金属性匝间短路，决定将转子抽出膛外，开展进一步试验，以验证上述结论。2.2 极间电压试验极间电压试验又可以称为两极电平衡试验，在转子处于膛外状态下进行，通过转子两极滑环或导电螺钉，向转子绕组注入工频交流电压，通过试验探针分别测量转子正、负极与两极绕组中点的电压差，通过两极电压的差值和最大电压的比值，计算电压偏差率如超过 3%，则可以判定转子绕组存在匝间短路故障。转子抽出膛外后，在不同试验电压条件下，开展极间电压试验，试验数据情况如表 6 所示，其中，表4 2月24日密封瓦油温变化试验情况时间#6瓦合成轴振/m#7瓦合成轴振/m密封瓦油温/13:35735449.113:50735350.314:00745340.314:15735150.214:25725250.3表5 转子多角度RSO试验情况角度/()090180270/%8888660 MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理49 电工电气 (2023 No.7)不同试验电压下的最大偏差率已超过 10%，与此前RSO 试验结论相一致。根据 RSO 试验和极间电压试验的结果，转子需返厂，针对匝间绝缘故障进行修理，电气试验的结果与此前的转子轴振的分析结论相一致。3 解体检修发电机转子返厂检修处理，通过线圈电压试验9初步判断故障位置，拔出转子两端护环，确定放电位置为励侧 4 号线圈的端部拐角处，已形成了明显的短路点，进一步检查发现匝间绝缘的拼接处存在明显移位现象，如图 1、图 2 所示。转子绕组匝间短路故障位置位于励磁侧，即#7 瓦一侧，与前文转子轴振分析中的内容相一致。观察转子端部绕组的固定方式，如图 3 所示，可以发现转子线圈的轴向和径向垫条，在长度和厚度方面均满足使用需求，无明显的松动和损坏等现象，端部线圈不存在严重变形的情况。拆除部分线圈垫条，可以发现端部拐角处的绝缘移位情况普遍存在，并非仅发生于形成故障的4号线圈，且部分移位的匝间绝缘已发生边缘挤压变形，可靠的端部线圈固定无法彻底消除匝间绝缘的移位现象。转子绕组在运行状态下受电动力、热应力、重力和离心力的共同作用，由于材质不同的原因，转子线圈的热膨胀程度与匝间绝缘必然存在差异，即使端部线圈的直线段在可靠固定的前提下，运行过程中转子线圈也会与匝间绝缘形成相对位移，尤其是在端部线圈的拐角处。气体冷却型转子(氢气或空气冷却)的匝间绝缘均为非连续的拼接结构，如受到转子线圈和垫条的共同不平衡力作用，则会发生位置改变，即形成转子绕组匝间绝缘的移位现象，线圈相邻匝间力的作用将加剧位置变化的趋势并对匝间绝缘的边缘形成挤压，最终匝间绝缘进一步移位或边缘受到破坏，造成匝间绝缘失效，形成转子绕组的金属性匝间短路故障。目前，特高压输电的快速发展和大规模的新能源并网，促使电力结构发生调整，发电机组深度调峰、频繁启停等特殊工况日益增多，转子绕组的电流、温度等状态量大范围改变，转子匝间绝缘移位现象发生的概率大幅提升。同时，本次故障机组的转子匝间绝缘为单层结构，其在拼接位置存在一条不足 1 mm 的缝隙，即使匝间绝缘不发生移位现象，也有可能由于异物积累等原因破坏匝间绝缘。为解决上述问题，降低转子绕组发生匝间短路故障的概率，对转子匝间绝缘开展双层化改造，将匝间绝缘重新粘贴并优化为无缝拼接结构，即直线段转子铜排粘贴端头分叉的匝间绝缘，并与端部拐角处长度不同的双层匝间绝缘配合使用，示意图如图 4 所示。改造后，转子匝间绝缘在直线段通过分叉端头表6 不同电压下的极间电压试验情况试验电压/V100200电压偏差率/%33图1 转子绕组匝间短路位置图2 放电位置位于端部拐角处图3 转子绕组端部线圈的固定方式图4 改进后的转子绕组端部匝间绝缘结构XYZ660 MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理50电工电气 (2023 No.7)实现接缝处的台阶式提升，达到端部拐角部分匝间绝缘双层化和无缝拼接的目的，匝间绝缘移位和异物积累的可能性大幅降低。转子相关出厂试验结果合格后，重新出厂，现场回穿，目前机组正常运行。4 结语1)当转子轴振爬升，且与励磁电流正相关时，开展转子轴振的相位变化、升高时间、密封瓦油温变化分析，有助于轴振爬升原因的分析。2)对于具有动态匝间短路故障特征的机组，应在停机后，立刻开展 RSO 试验，确定转子绕组匝间绝缘状态。3)转子绕组匝间绝缘的双层化改造，可有效降低匝间短路故障的发生概率。4)对匝间绝缘移位等缺陷的有效辨识，可以提高转子匝间短路故障的预警效率。参考文献 1 薛信春.600 MW 发电机转子匝间短路的分析与处理 J.华东电力，2001(8)：28-29.2 杨素华.丹江口电厂发电机转子匝间短路的诊断与处理 J.云南水利水电，2007，23(3)：95-973 郗常骥.汽轮发电机故障实例与分析 M.北京：中国电力出版社，2002.4 关建军.大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断研究 J.大电机技术，2003(2)：18-22.5 冯宇哲，罗统领，金泱，等.一起 RSO 检测无效的大型隐极同步电机转子动态匝间短路故障检测与处理 J.大电机技术，2023(2)：30-34.6 李永刚，李和明，赵华.汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断新判据 J.中国电机工程学报，2003，23(6)：112-116.7 李晓明，刘东明.大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的测试与分析 J.大电机技术，2003(3)：7-11.8 凌霜寒，黄立军，米贤才，等.基于重复脉冲法的转子绕组匝间短路故障诊断 J.浙江电力，2016，35(8)：42-45.9 金泱，王展宏，吕嘉琛，等.重复脉冲法在发电机转子绕组一点接地故障中的应用 J.浙江电力，2018，37(8)：102-106.10 ALBRIGHT D R.Interturn Short-Circuit Detector for Turbine Generator Rotor WindingsJ.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1971，PAS-90(2)：478-483.11 中国电力企业联合会.隐极同步发电机转子匝间短路故障诊断导则：DL/T 15252016S.北京：中国电力出版社，2016：4-6.12 中国机械工业联合会.隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法：JB/T 84462013S.北京：机械工业出版社，2013：3-8.13 中国电机工程学会.隐极同步发电机转子重复脉冲(RSO)试验导则：T/CSEE 00412017S.北京：中国电力出版社，2017：3-5.收稿日期：2023-03-24660 MW发电机转子绕组匝间短路故障检测与处理环流的影响 J.变压器，2010，47(10)：65-68.3 李小娣，柴斌，雷站斐.一起换流变压器分接开关档位不一致原因分析及改进措施 J.电气技术，2021，22(8)：69-72.4 戴盛.110 kV 变电站主变压器并列运行环流分析J.价值工程，2014，33(35)：53-54.5 廖之旭.不同参数变压器并列运行可行性研究 J.电工技术，2021(9)：112-113.6 刘恒，吴琼，吴文斌，等.参数不同有载调压变压器并列运行分析 J.华电技术，2013，35(1)：42-45.7 岳景桐，赵国梁，祝滨.大型有载调压变压器并列运行无功分配异常原因的分析 J.中国电力，1998，31(3)：65-66.8 刘忠勇，邝剑昆，蔡峻.变压器环流的计算及应用分析 J.中国电力教育，2012(15)：143-144.9 许辉.三相变压器并列运行仿真研究 D.郑州：郑州大学，2015.10 李公波，徐刚，沈杨，等.变压器循环电流对无功自动补偿装置测量的影响 J.电力电容器与无功补偿，2012，33(6)：30-32.11 阳丽.变压器并列运行无功异常原因分析及解决措施 J.电工技术，2019(10)：43-45.12 计军.110 kV 系统空载环流分析 J.石油化工技术与经济，2013，29(4)：39-43.修稿日期：2023-02-24(上接第32页)