发电机转子匝间故障处理方法探讨论文_李浩

国家电投集团珠海横琴热电有限公司

一、前言

发电机转子绕组匝间短路故障在转子电气绝缘事故中占较大比例。如果对转子匝间短路故障不能及时发现及处理,则这类故障会产生很大的危害,短路点局部过热会导致绝缘烧损接地、线棒过热会导致变形或烧熔,故障的进一步发展会造成烧坏护环、大轴磁化,或烧伤轴颈和轴瓦等,甚至会造成转子烧损事故。

某公司#3发电机是哈尔滨电机厂生产的250MW级QFN-252-2型燃汽轮发电机,日常运行时,#3发电机的无功负荷一般并不高。2015年8月25日,励磁AVC系统投入,#3发电机开始带较高的无功负荷运行。在无功负荷增长的过程中,发现#3发电机的转子振动也随着上升,甚至一度超过了报警值为确保机组运行安全,本厂技术人员对该问题展开了分析及处理。

二、故障的确认及风险分析

(一)故障确认

通过查阅DCS系统中#3发电机转子运行参数的历史曲线,得出2015年8月25日--9月1日#3发电机的振动曲线,并将有功、无功等电气参数与转子汽、励两端各自X、Y方向的轴振曲线放在同一图上,如图1所示。

从图1中可见,无论是汽端还是励端,转子的四个轴振(即"汽端X、汽端Y、励端X、励端Y")均与无功之间存在着明显的正相关性。也就是说,当无功发生增大或减小的变化时,汽端及励端的轴振也随即发生相同趋势的变化。仔细观察图1中的曲线,可以发现这种正相关性(或者称为随动性)在图1中的各个时间段上,都表现得十分明显。通常而言,这是转子存在匝间短路故障的显著特征。它表明3#发电机定子膛内的电磁场分布不均匀,转子运行在这种电磁场环境中,受到了不均匀电磁力的作用。因此,转子的振动才会呈现这样一种与无功之间存在正相关性的现象。大量的经验数据表明,运行中具有这种振动特征的转子,其内部通常均存在着匝间短路故障。另外,而#3发电机的AVC投入后,其转子振动随着发电机所带无功负荷的增大而显著爬升,并超过了转子振动的报警值,这也是转子内部存在缺陷的另一个明显的信号。

(二)发电机转子带匝间短路缺陷运行的风险分析

本厂同期处于发电高峰期,而对转子绕组进行处理工序复杂、耗时较长。但是,在转子存在匝间短路故障的情况下,发电机继续运行将可能引起以下问题:

(1)转子振动可能继续恶化,长期运行下去会使电厂方面产生巨额的电量损失;

(2)轴瓦可能因转子异常振动而磨损或损坏;

(3)转子轴颈可能磁化,加剧转子的异常振动;

(4)匝间短路故障部位产生高温过热,导致该线圈中更多的匝间绝缘损坏,进而可能造成转子接地故障;

(5)若匝间短路部位贴近转子护环,则短路处的高温可能会造成护环的烧损。

三、发电机转子绕组故障检测及处理

发电机转子匝间短路通常分为与运行(转速和温度) 相关的非稳定性匝间短路和与运行无关的稳定性匝间短路两类。具体的检测方法有交流阻抗法和功率损耗法、极平衡检查法、开口变压器法、线圈分布压降法、RSO 重复脉冲法等。

为进一步对转子故障进行定性定位,在#3发电机停机过程中,进行了动态RSO试验。

(一)RSO 重复脉冲法检测

RSO 重复脉冲法的基本原理为:基于转子绕组的对称结构,分别从转子的正、负两极向转子注入高频脉冲信号,将高频脉冲的响应波形进行180度的换相重叠,通过比较对称性,验证转子是否存在匝间短路。

发电机转子内部不存在匝间短路故障时,其RSO试验结果中的正、负滑环(即正、负极)两条反射行波曲线是完全吻合重叠在一起的。如果转子存在匝间绝缘缺陷,则两条反射行波曲线将在绝缘缺陷处出现不重合现象。当两条曲线非吻合度达到一定的程度时,即判断转子存在匝间短路故障。

在转子从额定转速(3000r/min)开始降速惰走的过程中,对其进行动态RSO试验,获得了不同转速下的检测波形。这里选取几个不同转速下的典型检测波形,分别如图4~图7所示。

图2是转子在转速保持为3000r/min时的RSO检测波形。从图2中可以看到,正负极蓝、黄两条反射曲线在#1区域出存在明显的不吻合现象,在#2区域则存在着轻微的不吻合现象。红色曲线作为蓝、黄两条曲线的差值曲线,则在与#1不吻合区域相对应的部位发生了明显的下凹现象。而在与#2不吻合区域相对应的部位,由于蓝、黄两条曲线的不吻合情况比较轻微,红色曲线仅发生了不明显的、轻微的上凸现象。

转子在降速惰走的整个过程中,检测持续进行,#1不吻合区域一直存在,且波形未见明显变化。因此,可判断该转子在该部位存在着稳定的匝间短路故障。

在转子降速惰走的整个过程中,#2不吻合区域也一直存在。但不吻合现象要比图2中的情况更为明显。也就是说,#2不吻合区域的检测波形会发生轻微的变化。因此,可判断转子在该部位可能存在着轻微的、不稳定的匝间绝缘缺陷。

转子降速至盘车状态下,转速仅为4~5r/min。对转子在该状态下进行重复脉冲(RSO)的检测波形,通常与在静态下的RSO检测波形是一致的。该状态下的RSO试验检测波形中,蓝、黄两条曲线仍然在1#和2#区域存在不吻合现象,且与图2中的情况基本相同。

由于#3发电机转子每极有6个线圈,因此,从图2中#1和#2不吻合区域在RSO检测波形上的分布位置来看,#1不吻合区域位于#2线圈,#2不吻合区域位于#4线圈。 也就是说,#2线圈存在稳定的匝间短路故障,而4#线圈则可能存在不稳定的匝间绝缘缺陷。

(二)转子两极压降及电压线圈分布电压检测

由于电压检测所用设备多为常规试验仪器,在发电机转子抽出后,我们采取了转子两极压降及线圈分布电压检测法进行同步验证。

两极压降的测试方法为:通过测量两极绕组上的电压降,比较两者之间的电压差异。根据机械工业部标准《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》JB/T8446-2005中的规定,如果两极线圈间的电压差不大于最大值的3%,可认为转子不存在匝短故障,而当这种差异超过该限定值时,则判断转子出现了匝短故障。

线圈分布电压试验的原理为:无匝间短路故障的转子,其两极绕组的各个相对应部位的电压或电压差都具有良好的对称性。匝间短路故障时,原有的对称性被破坏,但对于两槽线圈底匝之间的电压差,如果不存在匝间短路故障,则电压差值基本不变,如果存在匝短故障,则电压差值就会发生显著的变化。

具体测试方法为:在静止的滑环上施加电压,然后测量各个底匝的电压,进而计算出相邻两底匝之间的电压差。测试结果如表1所示(两极压降数据参考内、外环电压):

从以上两种检测方法的结论来看,本厂#3发电机转子绕组参数良好,可判断为无匝间短路故障。但是这又与发电机实际运行表现出来的振动情况相矛盾。仔细分析两种测试方法的原理,可以发现当故障点处于对称位置、或则是故障点正好位于正负极线圈中间时,电压上可能无法反映,并且参照标准过于宽松,对于轻微的匝间故障或许无法得到准确的认证。为此,我们决定对转子线圈做进一步的处理。

(三)转子线圈处理

结合RSO试验结论中的故障线圈定位,现场使用中频焊机打开线圈焊口,将转子正、负极#2、#4线圈整体抬出进行了清理。

从处理结果可以看到,#4线圈的匝间绝缘发生了位移,产生了不稳定短路。而转子#2线圈因表面平整度、清洁度不够,匝间摩擦导致了绝缘击穿,产生了稳定的金属性短路。值得一提的是,此结果与RSO脉冲测试的结论基本一致。

转子线圈处理完成后,回装发电机转子再次进行了RSO脉冲测试。检测波形可见正负极反射线完全重合。发电机带负载运转后振动参数正常,至此可确认转子绕组故障已完全处理。

四、结束语

本文通过横琴热电#3发电机转子故障的发现及处理过程,阐明了转子匝间短路的特征及危害,特别是对几种转子绕组故障的测试方法进行了详细说明及对比。其中,通过电压法得出的试验结论可能无法反映出转子匝间的轻微故障,而RSO重复脉冲法的在灵敏性上则存在很大的优势,同时其对故障点的准确定位也有助于技术人员提升工作效率,有的放矢。但本人认为,无论采用以上何种方法,如果故障点发生在转子正负极完全对称的位置,可能都无法得出准确的结论。因此,我们还必须结合转子交流阻抗的前后期数值对比,以及发电机在实际运行中表现出来的温度、振动等多方面的参数进行综合比对分析,不断总结经验,才能更好的进行故障诊断,保障电力设备安全运行。

参考文献

(1 ]高景德等. 电机过渡过程的基本理论及分析方法(上册) [M] . 北京:科学出版社,2012.

(2 ]胡雪松. 无灭磁电阻的无刷同步电动机起动过渡过程及其性能的研究[D] . 2007.

(3 ]葛强等. 基于MATLAB 的泵站同步电机起动过程数字仿真[J ] . 扬州大学学报,2011 (2) .

(4 ]陈世坤. 电机设计[M] . 北京:机械工业出版社,2017.

论文作者:李浩

论文发表刊物:《科技尚品》2019年第3期

论文发表时间:2019/7/18

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