600MW机组发电机转子匝间短路分析与处理

600MW机组发电机转子匝间短路分析与处理

李超

内蒙古京能盛乐热电 内蒙古呼和浩特  011518

摘要：600MW级火力发电机组由于发电机容量大，转速高，如果在设计和制造上存在不足，或者运行检修工艺不当，则转子出现问题几率就比较大。转子绕组出现的问题主要有接地、开路和匝间短路等故障，其中转子绕组的匝间短路故障占有非常大比例。轻微的转子匝间短路故障在开始阶段对发电机运行影响不大，但如果发展成严重的匝间短路后，会使励磁电流增大，线棒过热会导致变形，限制发电机无功功率，电压波形畸变，有时还会增加机组的振动幅值，甚至被迫停机，故障的进一步发展会造成短路点局部过热会使绝缘烧毁接地、护环烧坏、大轴磁化，甚至造成转子烧损事故。因此完善优化设计、改进制造和检修工艺尽可能避免在非正常工况下长期运行，就成为保障大型发电机组安全可靠运行的前提。近几年国家大力推进风电、光伏等新能源发电，电网对火力发电企业设备的可靠性、灵活性提出更高要求，频繁调频、调峰对大型火力发电机组安全运行的影响愈发明显。由东方电气制造的QFSN-1000-2-27型发电机目前在我国火力发电机组建设当中得到了广泛的应用，因此通过对QFSN-1000-2-27型发电机的转子匝间短路故障进行总结分析将对同型号发电机在的安全运行具有十分重要的意义。

关键词：600MW机组;发电机转子;匝间短路;判断处理

1. 发电机概述

QFSN-1000-2-27型汽轮发电机为汽轮机直接拖动的隐极式、二机、三相同步发电机。发电机采用水氢氢冷却方式，配有一套氢油水控制系统，采用静止可控硅，基端变自励方式励磁，并采用端盖式轴承支撑。转子绕组采用具有良好的导电性能、机械性能和抗蠕变性能的含银铜线制成。发电机转子绕组共有32槽，分为Ⅰ、Ⅱ两极共计16组绕组，转子每槽线匝数为4x1+7x7。每匝铜排尺寸为46.4x7.9mm，转子匝间绝缘厚度为0.33mm。匝与匝之间采用了复合绝缘材料进行隔离。

2. 故障发生过程

某公司1000MW该型号汽轮发电机在投运一个月后，转子出现动态匝间短路现象，就地匝间短路在线监测装置发出短路报警信号。同时发现发电机9号轴承Y向轴振严重超标（最高达到182μm）且振动值与发电机励磁电流存在正相关性，当励磁电流越大，振动值也越大。当机组维持进相运行时机组振动有明显降低。电科院在其启机过程中开展了转子绕组匝间短路诊断试验，主要项目为转子不同转速的交流阻抗试验和转子RSO试验。通过试验，发现发电机3000r/min时交流阻抗与交接数据相差7%左右，0~3000r/min之间交流阻抗存在变化趋势异常的情况，而3000r/min时的RSO试验数据也表明存在匝间短路的可能。在机组有功900MW、无功50Mvar工况下观察了机组配置的转子匝间短路在线监测装置，装置显示4槽、5槽存在短路情况，在这过程中，机组振动达到200um。为进一步确认该发电机是否确实存在匝间短路故障，又安排进行了转子短路试验（汽隙波形测试），经检查后确认Ⅱ极5号线圈存在明显短路点。转子汽隙波形见图1。

图1转子修前汽隙波形测试

3. 故障运行数据分析

在确认转子匝间短路故障后，该公司通过：在运行过程中密切监视发电机负荷、振动、励磁电流等，注意负荷、励磁电流不能过快上升或下降；加强对发电机在线监测装置的巡查，每天巡查一次，并记录发电机有功功率、无功功率、励磁电流、9Y轴振、转子线圈短路特征值等指标，对比每天数据进行分析；制定转子匝间短路故障恶化应急预案等措施有效地保证了发电机的安全稳定运行。在近8个月的带故障运行过程中，不间断对各项运行数据进行实时监测及每两周进行一次人工气隙磁场试验，和实时监测数据（见图2）进行比对分析，未发现转子匝间短路故障有明显劣化趋势。5号线圈的短路特征值一直稳定在9左右，发电机9号轴承Y向轴振动值在相同励磁电流下比对未见明显升高。由此可判断该发电机转子匝间短路故障未明显劣化，仍处于发展期，匝间短路基本或已经具备稳定特征。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。

图2发电机日常运行参数监测

4. 故障检查处理

经过长达9个月的连续运行后，该公司按计划停运1号发电机，抽出发电机转子后交由东方电气集团专业检修队伍在就地对其进行解体检修。在抽出发电机转子后，对转子进行了交流阻抗测试和分担电压试验，试验数据合格（见表1）。依据试验结果可初步判定此次匝间短路故障为动态故障。

表1交流阻抗测试

待检修人员拔除转子护环，拆除转子槽楔，抬出Ⅱ极5号线圈后，检查转子匝间短路点，发现匝间短路点位于5号线圈励端端部第1-2匝铜线左内R侧。经分析为该部线圈在运行过程中因受到离心力及电磁力的共同作用发生了位移，致使匝间绝缘材料破损，从而导致了匝间短路故障。为消除此故障点，检修人员消除了铜线内R处高点，更新了端部匝间绝缘。为进一步检查并消除转子匝间其它可能存在的匝间短路故隐患，检修人员又拉起了全部转子线圈，清理了转子铜线并检查转子匝间绝缘，对可能影响匝间绝缘的匝间垫条进行全部更换，并更换了全部槽衬。

回装完转子后，对转子进行了交流耐压测试、分担点压测试以及RSO波形测试，试验数据均合格。由此基本判定本次转子匝间短路故障修复成功，最后回装发电机，起机冲转后对发电机转子进行交流阻抗测试及短路气隙波形测试（见图3），各项试验数据均合格，可确定转子匝间短路点已消除。待发电机正常运行带满1006MW负荷时，监测发电机各轴瓦振动恢复正常，在0.06mm以内，发电机励磁电流为3847A（额定值：5041A）。由此确定转子匝间短路故障已完全修复。

图3转子修后气隙波形

结 语：

近期大型发电机转子匝间短路故障率明显上升，本文针对某厂600MW发电机转子匝间非金属性短路故障进行分析判断，根据故障情况，给出处理方案，确保发电机安全运行、故障处理两不误。

参考文献：

[1]王瀚，周海峰，刘天熙，等．MATLAB/Simulink仿真在电力系统短路故障中的应用［J］．应用能源技术，2020，271(7):1－8．

[2]张宏波，李贵波，何刚．基于660MW汽轮发电机定子绝缘低的试验研究［J］．流体测量与控制，2021，7(6):6－9．