大型汽輪發(fā)電機組轉子繞組匝間短路故障的診斷與評價

大型汽輪發(fā)電機組轉子繞組匝間短路故障的診斷與評價

技術部RCA組關建軍

5/21/202411.轉子繞組匝間短路特點

2.匝間短路故障的檢測方法及特點

3.對轉子匝間短路故障診斷方法的評價

4.轉子匝間短路故障診斷實例

5.轉子繞組匝間短路的故障定位

6.如何提高匝間短路故障診斷的有效性

7．結論

目錄5/21/202421）匝間短路故障在轉子電氣絕緣事故中占較大比例?！_80%2）轉子匝間短路故障的危害：絕緣燒損接地線棒變形或燒熔燒壞護環(huán)大軸磁化燒傷軸頸和軸瓦轉子本體燒損（毀）1.轉子繞組匝間短路特點5/21/202433）匝間短路的表現：轉子電流顯著增加發(fā)電機組無功出力降低繞組溫度升高電壓波形畸變發(fā)電機組軸系振動增大軸電壓升高4）匝間短路通常分為兩類：與運行（轉速和溫度）相關的非穩(wěn)定性匝間短路與運行無關的穩(wěn)定性匝間短路——這些現象是轉子匝間短路已明顯出現時的特征——現代檢測技術更注重于匝間短路故障的早期診斷。1.轉子繞組匝間短路特點（續(xù)）5/21/202442.匝間短路故障的檢測方法及特點1）按照檢測方式分類：機組停運狀態(tài)下的靜態(tài)檢測（離線檢測）機組運行狀態(tài)下的動態(tài)檢測（在線檢測）2）檢測方法：

——離線檢測交流阻抗法和功率損耗法極平衡檢查法直流阻抗法開口變壓器法交流或直流匝間壓降法RSO重復脈沖法（沖擊脈沖法）5/21/202452.匝間短路故障的檢測方法及特點(續(xù)）——在線檢測對動態(tài)匝間短路的檢測采用有不同轉速下的交流阻抗測量法極平衡電壓法探測線圈波形法勵磁電流相對變化率識別法軸接地電流診斷法3）應用情況：探測線圈波形法在300MW及以上的發(fā)電機中已廣泛使用而對RSO試驗(沖擊脈沖法)目前國內應用較少。

5/21/202462.匝間短路故障的檢測方法及特點(續(xù)）RSO試驗（沖擊脈沖法）應用的是波過程理論（行波技術），當信號發(fā)生器發(fā)出的低壓脈沖信號（行波）沿繞組傳播到阻抗突變點時，會導致反射波和透射波的出現，由此會在檢測點測得與正?；芈窡o阻抗突變時不同的響應特性曲線。此方法是基于繞組沿線波阻抗的變化來進行檢測。匝間短路的程度通過故障點處的波阻抗變化大小來反映，顯示在示波圖上可以用兩個響應特性曲線合成的平展程度來判定，有突起的地方說明匝間存在異常，并且突起的波幅大小就表明短路故障的嚴重程度。因此，即使繞組出現一匝短路故障，應用RSO技術對故障的甄別也有很高的靈敏度。5/21/202472.匝間短路故障的檢測方法及特點(續(xù)）氣隙波形檢測技術是基于發(fā)電機轉子勵磁電流所產生的主磁通和槽中的漏磁通密度的測量，探測線圈測得的電壓尖脈沖是槽內有效匝數的槽漏磁和氣隙磁通密度波形畸變的合成。當探測線圈距轉子表面距離越小，則測量到的感應電壓就越高（靈敏度就越高）。因此，氣隙探測線圈實際的安裝距離對檢測結果及分析影響很大。而氣隙磁通密度波形的畸變因數在氣隙磁通密度過零處是最小的。當發(fā)電機開路時氣隙磁通密度是在正交軸線處過零，隨著負荷的增加過零從正交軸線逐漸超前于磁極，其現象與功角隨負荷移動類似。因此，在發(fā)電機負荷大小使氣隙波形過零點對應在繞組短路的匝位時，采用氣隙波形檢測的匝間短路才有最大的靈敏度。

5/21/202482.匝間短路故障的檢測方法及特點(續(xù)）5/21/202492.匝間短路故障的檢測方法及特點(續(xù)）轉子匝間短路的診斷技術涉及到兩個方面的問題:一是轉子匝間短路的早期發(fā)現；二是匝間短路的故障定位。

能夠較早地發(fā)現轉子匝間短路的方法就是RSO重復脈沖法（RepetitiveSurgeOscillograph）和氣隙探測線圈波形測量法。這兩種方法理論上可以檢測幾匝范圍內的匝間故障甚至可測到某一匝繞組的短路故障。因此，能夠較準確的確定在轉子繞組匝間短路的具體線圈或具體槽位。其它方法適用于較嚴重的匝間故障檢測或匝間故障點的定位。5/21/2024103.對匝間短路故障診斷方法的評價1）匝間短路故障狀態(tài)模式：對匝間短路故障的診斷技術的特性進行比較和評價，將轉子繞組匝間短路故障狀態(tài)模式定義為三個階段：萌芽期發(fā)展期故障期。5/21/2024113.對匝間短路故障診斷方法的評價（續(xù)）萌芽期（Embryonicstage）：轉子繞組匝間出現初始異常征兆，但傳統(tǒng)的檢測方法并不能發(fā)現這種異常。機組運行也未受到影（發(fā)電機組振動、勵磁電流、機組無功及軸電壓等均符合正常運行工況）。匝間的故障可以表現為局部過熱、匝間以穩(wěn)定的高阻短路、或匝間絕緣間存在油污、漆片等污染物。這種狀況可以保持相對較長的時期，如3年、5年或更長的時間。在這種模式下機組可以在滿發(fā)的狀態(tài)下保持連續(xù)運行。這種故障征兆會由于污染物的脫落而減輕，有不穩(wěn)定的特征。通過大修吹掃或采用特殊的材料（干冰）清洗有可能消除或減輕這種匝間異?，F象。5/21/202412發(fā)展期(Developingstage）：發(fā)展期指得是匝間短路已經可以通過一些傳統(tǒng)的方法鑒別。這種狀態(tài)下機組運行已經出現異常，匝間短路基本或已經具備穩(wěn)定特征。發(fā)電機運行狀況下出現振動增大、機組勵磁和無功受到影響等，但運行工況限制尚未突破，在限制負荷和有效監(jiān)督等保護措施下來控制機組的運行狀態(tài)，可維持機組在短期內（幾個月至一年）為電站經濟效益和大修的統(tǒng)籌而帶病運行。如某600MW發(fā)電機組，運行中發(fā)現轉子繞組發(fā)生匝間短路，運行表現為振動大、無功降低等，在維持機組運行達6個月后，機組進入年度大修，解體轉子繞組發(fā)現存在大范圍的匝間短路。3.對匝間短路故障診斷方法的評價（續(xù)）5/21/202413故障期(Failurestage）：繞組匝間絕緣已經出現明顯的嚴重短路征兆，發(fā)電機組振動超標、無功嚴重降低（勵磁電流超過額定要求）、轉子溫度高等異常運行工況已經危機發(fā)電機組的安全運行，甚至包括已經促發(fā)轉子接地等故障的發(fā)生。這種情況下隨時會導致設備嚴重損壞并出現事故的擴大。因此，這種狀態(tài)下要求機組立即停機進行故障處理和全面檢修。3.對匝間短路故障診斷方法的評價（續(xù)）5/21/2024143.對匝間短路故障診斷方法的評價（續(xù)）序號

檢測方法

對故障狀態(tài)模式檢測效果

特點與評價

萌芽期發(fā)展期故障期

1RSO試驗有效

有效

有效

靜態(tài)檢測，試驗方法簡單，靈敏度高，定位到槽。

2氣隙波形檢測法

不明顯

有效

有效

動態(tài)檢測，依賴數據處理技術和專家可診斷萌芽期故障模式。在15%-30%匝間短路狀態(tài)有足夠的靈敏度。

3匝間壓降法（交流或直流）

不明顯

有效

有效

靜態(tài)檢測，試驗較復雜，靈敏度很高?？啥ㄎ弧?/p>

4交流阻抗及損耗法

無效

有效

有效

靜態(tài)、動態(tài)檢測，變化超過5%以上能檢測。不能定位。

5單開口變壓器法

不明顯

有效

有效

靜態(tài)檢測，準確度較高，可定位到槽。

6雙開口變壓器法

不明顯

不明顯有效靜態(tài)檢測，比方法5簡單，準確度較高，可定位到槽。

7直流電阻法

無效

有效

有效靜態(tài)檢測，對萌芽期、發(fā)展期檢測效果差，不能定位。

8發(fā)電機空載或三相穩(wěn)定短路法

無效

有效

有效動態(tài)專項試驗，靈敏度差，不能定位。

5/21/2024152號機組從1999年12月第六次大修RSO試驗中發(fā)現匝間絕緣存在異常。分析在Z極8號線圈的第1至2匝的位置可能存在匝間短路。隨后對Opp.Z極第8號線圈上兩匝進行模擬短路試驗，觀察Opp.Z極波形變化，發(fā)現它與Z極波形幾乎完全重合。期間對轉子繞組進行交流阻抗試驗（膛內、外），試驗結果正常。這也表明阻抗法對大型發(fā)電機轉子的匝間短路檢測是不敏感的。到機組2001年第八次大修匝間短路發(fā)生前缺陷發(fā)展緩慢，與最初的異常波形相比變化不是很明顯。4.轉子匝間短路故障診斷實例5/21/2024162002年3月12日2號發(fā)電機出口發(fā)生兩相短路，故障沖擊加速了匝間短路的發(fā)展。2號機組故障前后啟停期間的氣隙波形發(fā)現有較明顯的匝間短路現象，RSO試驗也發(fā)現明顯的匝間短路現象。故障后的轉子RSO波形（見圖1所示）與第八次大修結果相比響應特性曲線已有所變化。到3月27日發(fā)電機啟動后出現接地故障，停機檢測RSO波形，如圖2所示，發(fā)現繞組第7和第8匝已明顯存在匝間短路現象（解體檢查證實匝間短路發(fā)生）。根據電站轉子匝間短路故障檢測的歷史經驗總結，可認為RSO試驗可以覆蓋匝間故障發(fā)展三個階段的過程檢測，氣隙波形檢測則可以有效的檢測后兩個階段的故障，而作為其它傳統(tǒng)的檢測方法僅用于在短路故障發(fā)展期后期以及故障期時有比較好的效果。4.轉子匝間短路故障診斷實例（續(xù)）5/21/2024174.轉子匝間短路故障診斷實例（續(xù)）5/21/202418始端末端

7、8槽4.轉子匝間短路故障診斷實例（續(xù)）始端末端2槽第2槽始端末端5/21/2024194.轉子匝間短路故障診斷實例（續(xù)）圖1.01年12月出口故障前徑向探測線圈波形圖2.02年3月出口故障后徑向探測線圈波形

5/21/2024204.轉子匝間短路故障診斷實例（續(xù)）1#generator

5/21/2024215.轉子繞組匝間短路的故障定位當發(fā)電機轉子繞組出現匝間短路故障并經分析確認需要解體修復時，對短路故障點位置的精確定位就顯得極為重要。除了RSO試驗和氣隙波形檢測可以判斷故障點在那一槽外，兩極電壓平衡檢查、單開口變壓器法、雙開口變壓器法和直流或交流壓降法均可在不同程度對故障位置進行鑒別。采用交流或直流壓降法能夠很有效的實現短路點的定位。特別是在轉子繞組存在多點匝間短路故障的情況下采用電壓降法更為方便和準確。5/21/2024225.轉子繞組匝間短路的故障定位Z極第7號線圈Opp.Z極第7號線圈勵端A點勵端B點汽端C點汽端D點勵端A點勵端B點汽端C點汽端D點1-2匝164.5172.4169.1169.260.869.266.0266.62-3匝174.5179.5177.1177.145.940.053.553.63-4匝186.0187.1187.8187.718.244.234.233.64-5匝186.0184.0184.0185.020.316.23.34.55-6匝186.0124.0183.0184.043.221.135.034.86-7匝183.0163.0178.0178.055.243.349.649.87-8匝173.0152.0167.0168.060.154.458.857.85/21/2024235.轉子繞組匝間短路的故障定位對匝間故障短路點的定位，采用交流壓降法和采用直流壓降法都能夠比較準確的實現故障定位。國內一般普遍的做法是采用直流壓降法進行查找故障點。對于現在的大型汽輪發(fā)電機組，只要借助于特別的檢測工具完全可以在不拔轉子護環(huán)的條件下對轉子繞組進行電壓降測量。通過壓降法檢測的數據可以按照繞組線圈的長度計算短路點的具體位置，對于存在多處匝間短路的故障，也可以通過上面例子中的電壓降的差別進行判斷。5/21/2024246.提高匝間短路故障診斷的有效性存在的問題：發(fā)電機氣隙波形檢測給出的是一定負荷下的磁通密度的合成，目前對檢測波形的處理和分析方法上國內外尚未形成統(tǒng)一的標準。由于負荷的條件不同其磁場畸變因數的影響也不相同，從而容易造成誤判斷。目前國內外有均有軟件實現對氣隙波形的定量化分析。

5/21/2024256.提高匝間短路故障診斷的有效性（續(xù)）采用在線檢測技術：為提高發(fā)電機氣隙波形檢測的有效性，宜采用在線檢測技術，即使用計算機系統(tǒng)對信號進行實時采集和數據處理，通過相應的分析軟件對檢測結果進行分析和計算，依靠專業(yè)人員的要求指令來進行評定和判斷。采用這種定量分析技術可以實現轉子繞組具體某匝的短路判定。采用實時在線的檢測將能夠更有效的發(fā)現繞組出現的故障。也可以節(jié)省人力和物力，提高工作的安全性。

5/21/2024266.提高匝間短路故障診斷的有效性（續(xù)）發(fā)展新的檢測技術：RSO試驗對繞組匝間故障的程度反映靈敏，能夠較準確發(fā)現匝間短路故障。但目前成熟的應用是在轉子靜態(tài)下的測量，作為匝間檢測技術的創(chuàng)新——動態(tài)RSO試驗（沖擊脈沖法）的研究開發(fā)會更有助于故障早期診斷。其它新技術的應用。提高故障診斷的識別能力：

無論采用那種技術，對檢測結果的分析和判斷都需要具有豐富現場