大电机技术 一起汽轮发电机转子匝间短路缺陷的查找与分析 吴宇辉’，席斌 ，余学文 ，曾 芳 ，方浩 ，白 恺。 （１．华北电力科学研究院有限责任公司，北京１０００４５； ２．福建大唐国际宁德发电有限责任公司，福建福安３５２１００； ３．大唐国际发电股份有限公司，北京１０００３３） ［摘要］ 汽轮发电机转子绕组匝问短路故障是汽轮发电机转子最常见的故障之一，本文详细介绍了一台 ＱＦＳＮ．６６０－２．２２型６６０ＭＷ发电机转子绕组匝问短路诊断、确认和故障定位的方法和过程，特别是ＲＳＯ试验 数据情况，能够为类似故障分析和处理提供参考。 ［关键词］ 汽轮发电机；转子；匝间短路；ＲＳＯ故障定位 ［中图分类号］ＴＭ３０３．１ ［文献标识码］Ｂ 【文章编号】１０００．３９８３（２０１２）０１－０００１．０４ ＡＨａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ Ｓｈｏｒｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆａｕｌｔ ｏｆ Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｒｏｔｏｒ Ｗｉｎｄｉｎｇ ＷＵ Ｙｕｈｕｉ‘，ＸＩ Ｂｉｎ ，ＹＵ Ｘｕｅｗｅｎ ，ＺＥＮＧ Ｆａｎｇ’，ＦＡＮＧ Ｈａｏ‘，ＢＡＩ Ｋａｉ‘ （１．Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｉｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００４５。Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆｕｊｉａｎ Ｄａｔａｎｇ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｎｉｎｇｄｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｆｕａｎ，３５２１００，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｄａｔａｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｉＳ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｍｍｏｎ ｆａｕｌｔ ｆｏｒ ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒｏｔｏｒｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｓｏｍｅ ｄｉｉｆｅｒｅｎｔ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｆｉｎｄ．ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ａｎｄ ｌｏｃａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ ｆａｕｌｔ．ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｂｙ ＲＳＯ． Ｉｔ ｃａｌｌ ｂｅ ａ ｈｅｌｐｆｕｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｓｕｃｈ ｆａｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｇｄｉｎｇ；ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ；ＲＳＯ；ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ １ 汽轮发电机转子绕组匝间短路的原因和危 发生机座及大轴磁化并进而烧伤轴瓦和大轴的严重后 害 果。 大型汽轮发电机的转子绕组经常南于加工工艺的 ２ 汽轮发电机转子绕组匝问短路早期诊断方 不良和运行中各类机电作用的影响导致匝间短路或高 法 阻接地等缺陷，是发电机运行中比较常见的缺陷，也 目前，国内发电厂对转子匝间绝缘进行预防性试 是影响安全运行的主要原因之一。 验和诊断的主要手段是采用交流阻抗和功率损耗法。 由于轻微的转子匝间短路故障和高阻接地对机 正常情况下，当转子旋转时，槽内线匝在离心力的作 组正常运行的影响不大而且故障特征并不明显，所以 用下压向槽楔，既减少了线匝的槽内有效高度，又使 运行中此类故障经常被忽略。但是如果不对称的匝间 槽楔与转子槽齿接触紧密，增强阻尼效应，使得阻抗 短路长期运行下去，会引起转子剧烈振动，转子本体 随着转速升高而有规律的下降。发生匝间短路时，对 严重磁化，严重的会导致转子线圈一点甚至两点接地 于同一台机组相同状态下，阻抗值会发生突变，而功 的故障，引起大轴烧损；而且发电机长期运行在故障 率损耗则相对升高。 状态会使发电机转子电流显著增加，绕组温度升高， 该方法虽然具有简便、实用和较为灵敏的优点， 对其寿命产生影响，导致恶性事故的发生，更严重的 也可以在静态和动态下测量，但是其测试结果受外部 情况是一旦出现转子匝间短路，电机中便会出现气隙 条件影响因素较多，除了受到转子槽楔材料及槽楔接 磁通波形的畸变，引起定子侧电压的不平衡，并在发 触的紧密程度的影响之外，还受到转动状态下的定子 电机的定子两条并联支路间产生高次谐波环流，增加 附加损耗、转子本体剩磁、试验时施加电压的高低、 线罔的发热，影响发电机的无功出力，引起机组振动 试验电源频率、波形的谐波分量等多种因素的影响。 等机械故障，最终导致轴电压升高，灼伤转子护环、 目前规程中对转子交流阻抗注意值的规定是：在相同 ２ 一起汽轮发电机转子匝间短路缺陷的查找与分析 试验条件下，与历年数值比较，不应有显著变化，相 差１０％应该引起注意。 因此，交流阻抗和功率损耗法对判定匝间短路故 障，特别是轻微匝间绝缘缺陷不能获得直接结论，特 折射波。用双通道录波器录得两组响应特性曲线，将 这两组响应特性曲线作差，只有当两响应曲线相同时， 其差值才为一条直线，表明匝间无短路现象存在；否 则，将说明匝间存在异常或短路。匝间短路程度可以 别是在测试数据接近注意值１０％时，往往无法明确给 出是否存在匝间短路、短路程度如何的结论，使得现 场很难决策是否应采取抽转子、拔护环等措施扩大检 修以进一步检查和处理。 直流电阻法、空载及短路特性试验法、开口变压 器法以及在线监测的微分线圈法理论上都可以应用于 转子绕组匝间短路早期缺陷诊断，但都因存在各种局 限性实际应用较少。 通过故障处的波阻抗变化大小来体现，反映到波形图 上即可以用差值波形的平展程度来判定。差值波形不 但能表明绕组匝间是否存在异常，而且波幅的大小可 以表明短路故障的严重程度，波突起位置可以表明短 路点的大概位置。 目前国外多家大制造商（如ＧＥ、三菱、ＡＬＳＴ０Ｎ） 将此项试验作为出厂标准试验，国内生产厂家、科研 院所等单位也已将该技术引进用于出厂试验和现场故 障诊断检验手段。 反射法（ＲＳＯ）是近几年来发展出的新的转子绕组 匝间短路早期检测方法，理论上是一种理想的检测匝 间短路缺陷的试验方法。ＲＳＯ测试方法是由英国专家 Ｊ．Ｗ．Ｗｏｏｄ在上世纪末提出来。试验应用的是行波过程 理论，其试验基本原理是：采用双脉冲信号发生器对 发电机转子两极同时施加一个前沿陡峭的冲击波，当 脉冲波传播到阻抗突变点位置时会产生一个反射波和 ３转子绕组匝间绝缘缺陷查找实例 ２０１１年６月，某电厂２号发电机转子抽出后对转 子进行了转子交流阻抗和功率损耗试验，结果见表ｌ。 表１ ２号发电机机转子交流阻抗试验数据比较 经交流阻抗、功率损耗试验数据分析，转子交流 阻抗最大变化接近ｌ１％，功率损耗也有明显增加，虽 然在２００Ｖ电压下，其交流阻抗和功率损耗，均未超过 ｌ０％（规程规定超过ｌ０％变化，应该引起注意），仍判 断发电机很可能存在轻微匝间短路。随后逐步展开多 ２处轻微匝间短路迹象。 外环极 －＿－－ － ０ …’－’Ｔ跨极线 、－－●＿ 一 内环极 外 滑 环 内 滑 环 种试验方法来确认故障和查找故障位置。 ／一 、 ／一 、 图２两极电压法试验示意图 转子绕组 从转子在盘车时不同位置的测试图来看，有两处 轻微匝间短路现象。 第二步：进行两极电压试验，确定缺陷点在内环 极还是在外环极 图１交流阻抗和功率测试图 转子抽出后通人ｌ０ＯＶ、２ｏｏＶ交流电压，测量外 环极、内环极分别对跨极线的电压。试验方法示意图 见图２。通１００Ｖ时内环极比外环极小６Ｖ，通２００Ｖ时 第一步：用ＲＳＯ重复脉冲法进行缺陷确认 转子盘车状态下ＲＳＯ试验：转子转动一周，出现 大电机技术 内环极比外环极小１２Ｖ，因此确定了转子内环绕组存 号线包电压比对应线包电压明显偏小，确定故障存在 在匝间短路。 于内极８号线圈处。 第四步：进行匝间直流压降，确定短路点的具体 位置 ３ 该试验具体方法是：从两极集电环通人１ ００Ａ左右 ２ 的直流电流，在有匝间故障的那个线包上，按图５所 示，测量ｇ－ｇ拐弯处Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四处相邻匝上的电 言１ 压降的分布。 ０ ・１ ．２ ｔ／ｌＯｇｓ 图３转子冷态盘车位置一ＲＳＯ图 （注：曲线１、曲线２分别为外环极和内环极响应 特性曲线，两者之差为故障特征曲线３，下同） ３ 图５匝间直流压降试验示意图和测试数据 ２ ｌ６。 言１ ｌ４。 Ｏ １２。 １０Ｏ ．１ 量８。 ７００ ７１０ ７２０ ７３０ ７４０ ７５０ ７６０ ｔ／ｌＯｇｓ ６。 图４转子冷态盘车位置二ＲＳＯ图 加 第三步：进行转子分包压降试验，确定故障线包 ２０ 该试验具体方法是：对有通风孔的转子，从集电 ｌ０ｏＯ ２Ｏ０ｏ ３０００ ４０００ 肌ｍ 环通人一定交流电压，利用电压表两个探针，一端从 转子励端端部通风孔处插入，可探到线圈表层匝线另 图６匝间直流压降法故障定位坐标图 一端从护环下伸人可探到该号线圈的底层匝线，测量 出的电压值为该线包上的压降，由于匝间短路故障位 具体试验数据已标注在图５上，可见第２至第３ 置，短路匝电流有明显去磁作用，所以故障匝所在线 匝间电压明显比其他匝间电压低，因此进一步判断匝 间短路点就在内环极第８号线圈的第２至第３匝之间。 包，电压会有明显降低，具体试验数据见表２。 缺陷沿绕组长度方向的具体位置，可由测试分布 表２ ２号发电机转子分包压降试验数据 电位与转子线圈长度的坐标图来进一步定位。例如，２ １包 ２包 ３包４包 ５包 ６包 ７包 ８包 号发电机转子绕组第８号线圈直线段长约７１０ｃｍ，端 约３１２ｃｍ，如图６所示，以Ｄ点为原点，标出故 障点两侧的测试数据，然后用最小二乘法拟合，最后 定位故障点在转子励侧护环下内环极第８包２．３匝之 间。 通过此方法的测量和对测量数据的分析，内极８ 第五步：用ＲＳＯ重复脉冲法进行热态下缺陷检查 ４ 一起汽轮发电机转子匝问短路缺陷的查找与分析 图６是在护环拔下过程中，加热后的ＲＳＯ测试曲 线，显示出明显的故障特征，根据故障特征图谱，判 断存在两个故障点，分别为内环第８包和外环第ｌ包， 故障程度均为１匝左右。 ４ ３ ２ ｌ Ｏ －１ ．２ ７００ ７１０ ７２０ ７３０ ７４０ ７５０ ７６０ ｔ／ｌＯｇｓ 图７护环加热后ＲＳＯ试验曲线 ３ ２ 言。 ０ 一ｌ ７１０ ７２０ ７３０ ７４０ ７５０ ｔ／ｌＯｇ 图８故障处理完后ＲＳＯ曲线 第六步：故障处理及ＲＳＯ确认缺陷消除 护环拔下后，在内环第８包故障处，发现此处面 积约一元硬币大小的匝间绝缘已经碳化发黑。故障处 经打磨并加垫一层匝间绝缘。内环第ｌ包处，对护环 下相关部位加垫绝缘，故障消失。图８为故障处理后 的ＲＳＯ曲线。 ４转子匝间短路查找过程中故障特征不稳定 现象分析 在２号机转子拔护环前，曾出现交流阻抗、两极 电压试验数据从异常又恢复正常的情况，给故障查找 带来很大困难。这种情况一般有两种可能：其一，转 子某处存在毛刺导致匝间短路，但在查找过程中因通 电流定位时，毛刺被灼烧、消失，匝间短路特征 消失；其二，转子处于冷态静止时，匝间紧力比运行 时高温和高离心力条件下低很多，如果只是高阻匝间 短路，在静态时的常规试验方法通常无法发现。 转子护环经过加温处理拔掉后，通过ＲＳＯ重复脉 冲法和常规方法查找，确认短路点。隔日处理前，再 次测量两极电压和交流阻抗试验的数据又恢复正常。 通过以上情况说明２号机转子匝间短路故障现象不是 很明显，有很大的隐蔽陛。分析原因认为护环加热后 线圈温度升高，受热膨胀，匝间紧力增加，在绝缘破 损处形成明显匝间短路，故障现象明显。待降温后， 线圈收缩，未接触匝间绝缘导致故障现象不明显。 另外，转子短路点的状态与转子支撑位置有一定 关系，交流阻抗、两极电压试验很难测量到这种差别， 而ＲＳＯ波形可以在转子盘车或低速旋转过程中进行连 续测量，因此，ＲＳＯ能检测出常规试验方法不能检测 出的不稳定匝间短路故障。 ５ 结论 根据本次转子绕组轻微匝间短路的诊断和处理情 况，分析此间进行的多种试验方法，可以得到以下结 论： （１）转子交流阻抗和功率损耗试验是简单易行的 现场测试手段，能一定程度上反应转子绕组匝间短路 情况。当测试数值的变化程度接近规程规定的ｌ ０％时， 要结合历史数据及其他试验来综合判定是否存在匝间 短路。 （２）转子膛外时，分包压降和两极电压法能反应 匝间短路缺陷，并能初步定位到故障包，但对高阻匝 间短路不敏感。 （３）ＲＳＯ试验方法简单，无论转子在膛内和在膛 外、动态和静态下均能连续测量，对轻微匝间短路也 有比较高的灵敏度，可应用于对发电机转子进行早期 预防性诊断，也可用于发现故障的确认、定位以及修 复后的复测，对运行监督和现场检修都有直接的指导 作用，值得推广。 （４）直流压降测试法能精确定位匝间短路故障 点，尤其是未拔护环情况下，通过测试数据可以决定 拔下哪侧护环，大大减少检修工作量、缩短检修周期， 对现场处理故障有重要指导作用。 （５）轻微的转子匝间短路会随着转子状态的变化 发生变化，稍有疏忽就不一定能发现问题，所以在诊 断判断转子绕组是否有匝间短路时，应结合实际情况， 选择多种测量方法进行测量，互相引证，综合判断， 一旦发现问题，不要轻易否定。因此，发电机转子匝 （下转第９页） 大电机技术 ９ 功率迅速增加，导致介质损耗因数增量大幅增加。 Ｉ ▲ Ⅱ ▲ ▲５结论 ＾ ▲ ▲ ▲▲▲ 砉 著 ， ▲ ７ 、 ＾ （１）“正接法’铡量介质损耗因数值小，“反接法” 测量介质损耗因数值偏大。 （２）两种测试方法的比较分析表明：与“反接法” 相比，“正接法”测试可以有效的减少防晕层表面电阻 ／ ， ▲ ｆ ／ ／ ＾ 对介质损耗因数测试值的影响。若线棒可与地分离， ０ ２００ ４Ｏ０ 现场试验应尽量采用“正接法”的测试方式。 沿面距离／ｍｍ （３）为保证线棒的完整性，并考核包含中、高阻 （ａ） 防晕层区域的介质损耗因数，推荐采用“正接法、测量 接 Ｇ Ｒ４ 电极包至高阻末端’的测试方式。 ［参考文献］ 【ｌ】Ｆ Ｅｍｅｒｙ．Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ Ｆａｃｔｏｒ， ａｎｄ Ｃｏｒｏｎａ Ａｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ ｖ０ｌｔａｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｔａｔｏｒ Ｂａｒｓ ａｎｄ肋，ｄｉｎｇｓ［Ｊ］ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏ１１ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ｎａｄ Ｅｌｅｃｌｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，２００５，ｆ２）． （ｂ） 【２】Ｆ Ｔ Ｅｍｅｒｙ．Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｔｏｒ Ｂａｒｓ＆Ｓｔａｔｏｒ Ｗｉｎｄｉｎｇｓ［Ｃ］．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ 图８‘‘反接法、断开低阻’，，示意图、电位分布图及 Ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ２００２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ 防晕层区域的等效电路 Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉ０ｎ．Ｂｏｓｔｏｎ．ＭＡ ＵＳＡ，２００２（４）７￣１ Ｏ 由式（４）可知，除损耗电阻引起的有功功率外， 【收稿日期１ ２０１１．５．２５ 电流流过Ｒ∑导致有功功率增加；Ｒ 的阻值范围约为 ［作者简介］ ｌ０ Ｑ， ３的阻值范围约为ｌ０ ｌ０ ，因此，飓比Ｒ３小 很多，电位差却相差不大，与“测量电极包至高阻末端、 反接法’相比，有功电流及有功功率更大，因此，介质 损耗因数的初始值是４种情况（两种接法）中最大的； 随着外施电压的升高， 急速下降，有功电流及有功 ■ 陈阳（１９８１．），２００４年毕业于哈尔滨理工大 学电气与电子工程学院，现从事高压电机的 绝缘试验工作，工程师。 审稿人：满字光 （上接第４页） ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．１９８６（３）：ｌ８１．１８９． 间短路处理过程中应结合应用多种匝间短路试验方法 【５】 向成，刘志强．大型发电机转子绕组ＲＳＯ试验分 来诊断、定位和确认修复结果。 析和探讨【Ｊ１．大电机技术，２００８（１）：１６．２２． ［参考文献］ 【６】 纪璇，李永刚，董延昌．重复脉冲法检测发电机 转子绕组匝问短路故障的研究【Ｊ】＿实验室科学， 【ｌ】赵永浩．发电机分包压降法判断标准探讨【Ｊ】．华 ２０１０（３）：８８．８９． 北电力技术，２００２（１ １）：１－２． ［２】 冯复生．不拔护环诊断大型汽轮发电机转子线圈 匝问短路位置的新方法【Ｊ１．华北电力技术， ２０００（３）：ｌ－５． 【３】谢勇，廖放．汽轮发电机转子不拔护环精确检测 匝间短路方法探索【Ｊ１琼方电机，２００５（０１）：６５－６８． 【４】Ｊ．Ｗ．Ｗｏｏｄ，Ｐｈ．Ｄ．，Ｃ．Ｅｎｇ．，Ｍ．Ｉ．Ｅ．Ｅ．，ａｎｄ Ｒ．Ｔ．Ｈｉｎ－ ＿ 【吴电能宇机源辉技系术电（１机研９７及究４－其工），控作［１制９，者专高６简年业级介工７，］月现程收 毕从稿师业事日。 期于发】浙２电０１江机－大和１０－学新２０ Ｄｍａｒｃｈ．Ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｈｏｒｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥ 审稿八：沈粲伟
