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发电机转子匝间短路故障原因及检测方法

来源:电力技术 作者:立禾电力(择编) 发布时间:2019-09-26 21:24 次浏览 分享到:  

对发电机转子匝间短路故障产生原因进行分析,并对匝间短路故障进行分类,按照发电机停运状态和在线状态列举常用的发电机匝间短路故障检测方法,对各种检测方法的特点进行了说明。

    近年来,电力工业快速发展,高参数、大容量发电机机组投产越来越多。在大型发电机高速旋转状态下,转子绕组将承受较大的离心力和热应力。由于转子结构复杂、匝间绝缘薄弱,再加上设计、工艺和制造过程中的问题,以及运行中电磁、机械、热力等的综合作用,使得转子绕组发生移动、摩擦、绝缘下降,从而造成匝间短路。
    在发电机转子匝间短路初期,故障表现不明显,对发电机的正常运行影响较小,故一般较容易忽视发电机转子匝间短路问题。但随着故障的继续发展,匝间短路严重时将造成发电机大轴、轴瓦磁化。若磁化严重需进行退磁处理,则负序磁场可能损伤转子,造成转子一点甚至两点接地、烧毁护环等恶性事故的发生,给机组稳定运行产生较大影响。
    1 故障原因
    引起发电机转子绕组匝间短路故障的原因总体上可分为以下两方面。
    (1)设计不够合理。发电机转子端部弧线转弯处的曲率半径偏小,致使外弧翘起,运行中在离心力的作用下,匝间绝缘被压断,造成了匝间短路。
    (2)制造质量不良。
    ①转子端部绕组固定不牢,垫块松动。对于发电机运行中由铜铁温差引起的绕组相对位移,设计上未采取相应的有效措施。
    ②选用的匝同绝缘材料材质不良,含有金属性硬刺,或绕组铜导线加工成形后不严格的倒角与去毛刺,运行中在离心力的作用下刺穿了匝间绝缘,造戒匝间短路。
    ③端部拐角整形不好和局部遗留褶皱或凸凹不平;匝间绝缘垫片垫偏、漏垫或堵孔(直接冷却的绕组通风孔);绕组导线的焊接头和相邻两套绕组间的连接线焊口整形不良;制造工艺粗糙留下的工艺性损伤;转子护环内残存加工后的金属切屑等异物。
    ④转子线匝局部未铣风孔扎或风量不合格造成严重过热,从而引起匝间短路。
    2 故障分类
    转子绕组匝间短路按照短路是否随着转子的转动状态和运行工况而变化,可分为稳定性匝间短路和不稳定性匝间短路(或称为动态匝间短路),其中动态匝间短路占多数。
    就故障发展的过程来分,转子绕组匝间短路可以分为萌芽期、发展期和故障期三个阶段。在萌芽期,转子绕组匝间出现初始异常征兆,机组运行还未受到影响,发电机组振动、励磁电流、机组无功及轴电压等均符合正常运行工况,故障表现为局部过热、匝间以稳定的高阻短路或匝间绝缘间存在油污、漆片等污染物。在发展期,机组运行已经出现异常,匝间短路基本或已经具备稳定特征,此时发电机在运行状态下振动增大、机组励磁和无功受到影响,但运行工况限制尚未突破。在故障期,绕组匝间绝缘已经出现明显的严重短路征兆,发电机组振动超标、无功严重降低(励磁电流超过额定要求)、转于温度高等异常运行工况,已危及发电机组的安全运行,甚至发生转子接地等故障,这种状态下要求机组立即停机,进行故障处理和全面检修。
    发电机转子绕组匝间短路故障诊断的目的是尽可能在故障的萌芽期和发展期准确地诊断出稳定性匝间短路和动态匝间短路,分析故障发生的原因,并确定故障发生的部位和严重程度。
    3 检测方法
    发电机转子绕组发生匝间短路时将导致转子励磁回路部分绕组短路,在机组运行时主要表现为转子电流上升但无功功率相对减小、气隙磁通畸变导致机组振动加剧,且振动变化趋势与励磁电流变化同步、定子绕组电势和电流中出现各次谐波成分、在转子的轴上感应出轴电压等现象。
    在实际工作中,发电厂及研究机构提出了多种发电机转子绕组匝间短路故障检测的方法,主要有以下几种。
    (1)空载试验法。通过测量空载状态下发电机转子的励磁电流,将其与历史测量值进行比较,根据励磁电流变化的程度来判断转子绕组是否存在匝间短路故障。存在匝间短路故障的转子绕组,其空载电流将比历史值有所增大。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间短路故障的参考。
    (2)单开口变压器法。由于在转子绕组中通入交流电后,转子槽齿将产生交变磁通,因此可用一只开口变压器和槽齿构成闭合磁路,测量转子各槽上漏磁通引起的感应电压,再根据线圈上所感应的电势大小和与电源电压之间的夹角来判断转子绕组是否发生匝间短路。当短路点发生在线槽上部时,得到的结果比较明显;而短路点靠近槽底或槽的中部时,开口变压器中测得的感应电势的数值明显降低。相关试验结果表明,当磁性槽楔下的线圈发生匝间短路时,此方法反应不灵敏。
    (3)双开口变压器法。双开口变压器法是基于电磁感应的原理,将两个开口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽齿上;对其中一个变压器施加励磁电源,当槽内线圈有匝间短路时,由于部分磁通要经另一变压器闭合,因此会在此变压器上感应出电势;此时再测量另一个变压器的感应电势,若发现感应电势相比无匝间短路时成倍增加,则说明转子线圈存在匝间短路故障。
    (4)直流电阻测量法。通过测量转子直流电阻的降低来检测转子匝间短路故障。理论上,出现匝间短路故障时,转子绕组的直流电阻值会变小,因此通过测量其直阻值的下降,可判断转子存在匝间短路故障。但是,当发生匝间短路的匝数很少时,此方法就很难准确判断转子绕组是否存在匝间短路故障。
    (5)交流阻抗和损耗试验。通过测量转子在不同转速下的交流阻抗和功率损耗,并与以往同条件下的交流阻抗及功率损耗相比较来判断转子绕组是否存在匝间短路故障。一般情况下,若阻抗下降较多,功率损耗增加较多则可判断为匝间短路。但根据其试验结果来判断转子有无匝间短路故障的判据比较模糊。相比较而言,功率损耗要比交流阻抗敏感得多,但依然不能准确判定是否存在匝间短路。
    (6)两极电压平衡试验。通过测量两极绕组上的电压降,比较两者之间的电压差异来判断转子绕组是否存在匝间短路故障。当这种差异小于某个限定值(JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》规定两极线圈间的电压差不得大于最大值的3%)时,可认为转子绕组不存在匝间短路故障;而当这种差异超过该限定值时,则判断转子绕组出现了匝间短路故障。
    (7)重复脉冲波形(RSO)法。RSO方法基于行波理论,通过双脉冲信号发生器,对转子两极同时施加前沿陡峭的高频冲击脉冲波,通过比较对称性,验证转子绕组是否存在匝间短路。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,即判断转子绕组存在匝间短路故障。
    上述方法只能在发电机停运状态下进行,无法在运行工况下检测转子绕组是否存在匝间短路故障,而且除了单开口变压器法和RSO法外,其它检测方法都难以实现故障的准确定位,同时上述方法也不能对动态匝间短路故障进行检测。目前,发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测方法主要有以下几种。
    (1)探测线圈法。目前,在线诊断发电机转子匝间短路的常用方法是探测线圈法,该方法通过一个安装在发电机气隙中的探测线圈来测量发电机励磁电流产生的漏磁量。正常时,每个槽的漏磁量与该槽励磁电流大小成正比;当转子绕组发生短路时,该槽漏磁量将减少,探测线圈即可根据测得的漏磁量变化情况判断出转子匝间短路所在槽。由于漏磁通量相对于主磁通量非常小,测量较为困难,在发电机带实际负荷运行时影响较大,探测线圈检测到的波形畸变较严重,因此不便用于匝间短路故障的诊断。通常的做法是将解列后的发电机三相出线短接,然后进行励磁,待定子绕组中的电流升至一定程度时,通过在线检测装置来获取气隙磁场中的转子动态匝间短路波形。
    (2)励磁电流和振动的变化法。根据相关文献记录,在发电机转子发生轻微匝间短路时,发电机振动与励磁电流变化成正相关性是最有效的识别转子匝间短路的方法。当转子绕组出现了匝间短路故障后,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,不平衡力将加剧,转子的振动也相应增大。但该方法只能确定发电机转子存在匝间短路的可能性较大,无法判别匝间短路的发生位置。
    4 结束语
    发电机运行中出现仅与无功有关的振动,检修中转子交流阻抗明显下降,振动曲线与励磁电流曲线相比滞后,发电机空载特性曲线下降,轴电压升高,转子绕组分担电压偏差超过3%,气隙探测波形幅值降低,转子电流增大而无功功率却相对减小等现象都是转子匝间短路的特征表现,应尽快予以验证并处理。同时,大型发电机应安装转子匝间短路探测线圈,方便检测及查找转子绕组匝间短路。

 

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