大型汽轮发电机转子匝间短路故障分析技术经验交流

大型汽轮发电机转子匝间短路故障分析技术经验交流
广东电网公司电力科学研究院：张征平
报告提纲：
一．广东省电厂发电机运行的基本情况
二．发电机转子匝短故障的分析和检测步骤
三．转子运行中的匝短故障分析
四．转子停运后匝短故障的分析
五．匝短故障点的定位分析
六．各种分析方法的适用性比较
七．两点期望
一．广东省内近年来的发电机运行情况概述
广东省内的各类发电企业有100余家，其中，200MW-400MW的发电机有近60余台，600MW等级的发电机有30台，还有一些已投运的、或正在建的1000MW等级的发电机16台。

根据2010年4月23日的统计，到2010年末,广东省总装机容量将达7206万千瓦，是全国装机容量最大省份。

（2010年3月21日统计，山东省总装机容量达到 6078 万千瓦，居全国第二）
近几年来，发电机出故障的事件比较多，从300MW的中小型发电机，到600MW、1000MW的大型发电机，都有各种不同的故障出现，有的故障还是非常特殊的故障现象。

这个情况可能跟这些年来机组的负荷迅猛增长有关系，也跟国内前几年新建发电机组数量的爆发性增长有关系，还跟发电机生产厂家的制造工艺有关。

这些故障分布在发电机定子、转子、以及发电机外围附属设备等各个方面。

不论是在定子线棒、绕组端部，还是在定子铁心，或是在转子绕组方面，我们都积累了比较丰富的故障分析方面的经验。

限于时间关系，我们这里先就转子绕组匝间短路故障分析方面的技术和经验跟大家做一个交流。

为了叙述简便，文中将“匝间短路”简称为“匝短”。

广东省近几年来，大型发电机发生故障的一个很显著的特征，就是转子匝短故障频频发生。

从2007年至今，已有9台大型发电机先后出现了匝短故障，其中有1台1000MW的，7台600MW等级以上的，3台是400MW等级的发电机，另有1台600MW的、1台700MW的，两年之内连续发生了两次匝间短路故障。

尤其是在2009年，一年之内就发生了3起；在2010年，一年之内就发生了5起，2011年从1月至3月，已有3台发电机转子返厂因匝间短路故障返厂修理，2台在现场处理，故障发展势头十分严峻，这在以往是从来没有过的。

这些大型发电机转子发生匝短故障，给发电厂的电力生产带来了很大的压力，严重影响了发电任务的顺利完成，也造成了巨大的经济损失。

二．发电机转子匝短故障的分析和检测步骤
在转子匝短故障分析、诊断和处理过程中，一般都需要经过以下几个过程：1．转子运行中出现异常振动，需要通过异常振动现象来分析转子绕组是否存在匝短故障；
2．转子停运后，要对仍在发电机定子膛内的转子进行有关的电气试验，以判断是否存在匝短故障；
3．将转子抽出来放置于发电机定子膛外后，可对匝短故障点进行定位分析；
4．对确实存在匝短故障的转子绕组进行返厂（或现场）解体处理，找出故障点，并进行故障发生原因分析，以便有针对性地进行处理。

三．转子运行中的匝短故障分析
正常运行中的发电机，其转子的振动水平一般保持在较低的振动水平（《GB7064-2008隐极同步发电机技术要求》中，要求不大于80μm）。

当转子出现异常振动后，首先要对引起转子异常振动的原因进行分析。

总的说来，不外乎两类因素，即非电气因素和电气因素两大类。

非电气因素造成的转子振动属于汽机专业的范畴，这里不予讨论，而造成转子异常振动的电气因素通常就是转子匝短故障。

当转子出现匝短故障后，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，不平衡力加剧，转子的振动也相应的增大。

因此，其典型特征是：转子的振动与励磁电流之间存在着明显的正相关性。

根据这一特征，就可以对运行中的转子是否存在匝短故障得到一个比较明确的结论。

换句话说，当转子出现振动异常增大，且与励磁电流之间存在着比较明显的正相关性关系时，就应当怀疑转子内部可能出现了匝短故障。

图1 正常发电机转子的振动曲线与励磁电流之间的关系
图2 存在匝短故障的转子的振动曲线与励磁电流之间的关系（HY电厂）
图3 存在匝短故障的转子的振动曲线与负荷之间的关系（SW电厂）
四．转子停运后（仍在发电机定子膛内）匝短故障的分析虽然我们可以通过上述转子的振动曲线与励磁电流之间的相关性来分析转子是否存在匝短故障，但毕竟还没有针对转子绕组做过任何的电气试验进行检查，因此，还缺少最直接的判断依据。

机组解列后，当转子仍在发电机膛内时，可以进行以下电气试验来判断转子是否存在匝短故障。

1．空载试验；
2．直流电阻测量；
3．交流阻抗和损耗试验；
4．两极电压平衡试验；
5．RSO（Repetitive Surge Oscilloscope ）试验；
6．转子绕组电压分布试验；
7．三相短路状态下的动态匝间短波形试验；
8. 红外成像检测。

下面我们对于上述各种试验方法的特点做一个简要的分析。

1．空载试验
这种方法是通过测量空载状态下发电机转子的励磁电流，将其与历史值进行比较，分析其变化的程度来判断转子绕组是否存在匝短故障。

存在匝短故障的转子绕组，其空载电流将比历史值要有所增大。

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短故障的一种参考。

2．直流电阻测量法
它是通过测量转子直流电阻的降低来检测转子匝短故障。

理论上，当出现匝短故障时，转子绕组的直流电阻值当然会变小。

因此，通过测量其直阻值的下降，可以判断转子存在匝短故障。

但是，当发生匝短的匝数很少时（例如只在两匝之间发生了匝短，那么转子直阻下降很小，而且这种下降量的变化可能比直阻测量仪器的测量误差还要小，因此，就很难准确地判断转子是否存在匝短故障。

不过，当短路的匝数较多时，这种测量直阻的方法还是十分简单有效的。

例如HL电厂的2#发电机转子曾经有五处发生了匝短故障，其直阻下降了7.1%，很显然，该
转子存在匝短故障。

3．交流阻抗和损耗试验
判断转子是否存在匝短故障最常用的一种方法，就是测量转子的交流阻抗和功率损耗。

由于有现成的仪器进行测量，且操作起来比较简单，无论转子在发电机膛内或是膛外，均可方便地进行测量。

因此，这种方法在转子匝短故障的检测中得到了广泛的应用。

不过，从现有的试验标准来看，根据其试验结果来判断转子有无匝短故障的判据比较模糊。

在GB/T50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中，只是规定了试验时的转子状态以及试验时所施加的试验电压值；在DL/T596-2005《电力设备预防性试验规程》中，除上述规定外，要求“阻抗和功率损耗值自行规定，在相同试验条件下与历年数值比较，不应有显著变化”。

那么，如何自行规定才是正确的？变化到什么程度才叫“显著变化”？都没有一个具体的说明，因此，这就让操作者难以把握了。

在JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》中，也没有对静止状态下转子的交流阻抗及功率损耗值的允许变化量做出一个具体规定。

由于这些原因，在转子匝短故障诊断中就造成了这样一种奇怪的局面：一方面，交流阻抗和损耗试验方法应用得非常普遍，另一方面，却很少直接采用它作为一种有力的判据来判断转子是否存在匝短故障。

实际经验表明，交流阻抗和功率损耗这两个参数在诊断转子匝短故障时，相比较而言，功率损耗要比交流阻抗敏感得多。

对于转子的交流阻抗来说，其阻抗下降10%的变化，往往并不能说明转子绕组存在匝短故障。

但功率损耗值上升10%左右以上的变化，往往说明转子绕组很可能已存在匝短故障。

不过，这里不包含交接时的采用松打槽楔工艺的新转子在首次超速前后的阻抗和损耗值的变化。

因为采用松打槽楔工艺的新转子在首次超速试验后，由于槽楔松紧度的显著变化，往往会造成转子交流阻抗和损耗值的较大变化。

4．两极电压平衡试验
在判断转子匝短故障时，两极电压平衡法也是经常用到的一种诊断方法。

其原理是通过测量两极绕组上的电压降，比较两者之间的电压差异。

当这种差异小于某个限定值时（根据JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方
法》中的规定，“两极线圈间的电压差不得大于最大值的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。

通常情况下，这种方法还是比较准确的，但有时也会出现误判。

例如，在做JW电厂4#发电机（600MW）转子的两极电压平衡试验时，经多次核证，均发现两极之间的电压差超过5V，该值已超过上述JB/T8446-2005中的限定值，但后来确认该转子并没有发生匝短故障。

而HL电厂2#发电机（600MW）转子，动态匝间短路波形试验已证明该转子至少有5处发生了匝短故障，而在两极电压平衡试验中，测量其两极电压之间的电压差，却只有 4.2V。

因此，两极电压平衡试验也有其局限性。

另外，如果发生某种特例，例如两极绕组各自都存在匝短故障点，且故障点恰好处于对称的位置，此时，两极电压平衡试验就无法检测出来了。

5．重复脉冲波形（RSO）法
RSO方法目前在检测发电机转子匝间短路故障中有了越来越多的应用。

无论当转子在定子膛内还是在定子膛外时，都可对转子施以RSO方法进行转子匝短故障的检测。

RSO方法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。

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，即判断转子存在匝间短路故障。

这种检测方法比较方便，不过有时也有误判的报道。

另外，它也存在着暂时没有相关标准作为判断依据、有时需要依据操作者的个人经验进行故障点定位等缺陷。

不过，在进行转子匝短故障检测时，这并不妨碍将其作为一种有益的参考判据。

图4是应用RSO方法检测ZH电厂2#发电机（700MW）转子匝间短路故障时的测量波形。

从图4中可见，黄色、蓝色两条曲线在红色圆周的中部明显不相吻合，差异显著。

分析认为“该转子在3#线圈上存在一匝金属性短路”，该结论与转子解体后的检查结果是一致的。

不过，该结论中并未指明是转子的哪一极绕组的3#槽线圈、以及3#槽线圈中具体哪两匝之间发生了匝短故障。

另外，其判断3#槽的依据也欠明确。

图4 存在匝短故障的转子的RSO检测波形（ZH电厂）该转子修复后第二年，又再次发生了匝短故障，但这次是在不同的部位、发生的是非金尾性的匝短故障。

RSO检测波形如下：
根据上述检测波形，RSO试验人员判断转子极2的#7线圈与#8线圈的过桥
线偏#8线圈处可能存在金属性的绝缘损坏故障。

但通过我们进行转子绕组电压分布试验、模拟短路试验，均发现故障点可能位于8#线圈的中部。

解体后，最终发现故障点位于极2的8#线圈励端护环下拐弯处3-4匝间，如下图所示。

故障原因：绕组直线部分和弧线部分的匝间绝缘垫条交接处的缝隙过大，有污物，造成匝间绝缘电阻降低，造成非金属性匝间短路。

故障点污物化验结果发现，污物的主要成分为CuO（占72.41%）。

6. 转子绕组电压分布试验
广东电网公司电力科学研究院近年来提出了一种简单易行、准确可靠的转子匝间短路诊断方法，并称之为“转子绕组电压分布试验”。

采用这一方法，只需要用一块普通的万用表，即可准确地检测出转子是否存在匝短故障，甚至准确地检测出具体是在哪两匝之间发生了匝间短路故障。

为了便于说明，这里先给出转子护环内侧的转子绕组结构实况图，如图5所示。

图5 转子护环内侧的转子绕组结构
在图5中所看到的是转子绕组在护环内侧的两极绕组各槽线圈的底匝线棒，不同类型的发电机，该部位的结构会有所不同。

空间大的，测量起来会比较容易，空间狭窄的，测量起来就会困难一些。

不过，一般说来，都能够实施转子绕组的电压分布试验。

转子绕组电压分布试验的具体做法，是在静止的滑环上施加较低的安全电压（例如50V左右的交流电压，便于使用万用表读数即可），然后测量各个底匝的电压，进而可以计算出相邻两底匝之间的电压差。

无匝短故障的转子，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。

但是当出现匝短故障时，原有的对称性被破坏，各个部位的电压值都会发生变化。

但对于两槽线圈底匝之间的电压差而言，如果不存在匝短故障，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。

图6中，工作人员正在该部位测量转子绕组的电压分布数据。

图6 正在测量转子绕组的分布电压
需要进一步指出的是，由于转子绕组绕制方向的特殊性，正常情况下，两相邻底匝之间的电压差有两种情形。

一种是差值几乎为零，因为两个底匝之间其实只相差了一匝线圈，因此电压差很小；另一种情形则是电压差约两倍于单槽线圈所承受的电压，这是因为两底匝之间包含了两个槽的线圈。

ZH电厂2#发电机转子出现匝短故障后，对其进行转子绕组分布电压试验，施加交流电压48.6V，各个线圈底匝线棒的电压测量结果如表1所示。

表1：各个线圈底匝线棒的电压分布（试验电压：48.6V）极1（外滑环）极2（内滑环）
线圈编号电压值（V）电压差（V）线圈编号电压值（V）电压差（V）
1 0.11 ----- 1 48.20 -----
2 4.90 U21=4.79 2 43.10 U21=5.10
3 5.46 U32=0.56 3 42.50 U32=0.60
4 8.76 U43=3.30 4 36.96 U43=5.54
5 9.3
6 U54=0.60 5 36.31 U54=0.65
6 15.48 U65=6.12 6 30.10 U65=6.21
7 16.15 U76=0.67 7 29.42 U76=0.68
8 22.44 U87=6.29 8 23.10 U87=6.32 注：表中的Uij表示Uj与Ui之间的电压差的绝对值，即Uij=∣Ui-Uj∣
比较表1中极1和极2相同位置的电压差，除极1中4#与3#线圈底匝线棒的电压差U43的值突然下降、出现明显异常外，其它各点的电压差都十分接近，具有良好的对称性。

极1中U43的异常下降说明在极1绕组的3#或4#线圈内，存在匝间短路故障。

由于部分匝数被短路掉，造成3#或4#线圈的阻抗下降，从而引起U43的异常下降。

由于U43同时包含了3#线圈和4#线圈的电压降，因此还无法确定匝间短路点具体是在3#线圈还是在4#线圈上。

为便于更直观地看出极1绕组上U43的异常变化，可以将表1中极1和极2的电压差数据以曲线的形式绘出，如图7所示。

从图7中可以看到，除极1的U43发生异常下降外，曲线的其它部分都具有很好的一致性。

图7 极1和极2的各线圈底匝电压差对比曲线图（试验电压：48.6V）虽然底匝线棒之间的电压差测量起来很方便，结果也很清晰，但其缺陷在于不能确定匝间短路具体存在于哪一个线圈上。

为了解决这个问题，需要进一步测量这两个线圈各匝线棒的电压分布。

值得指出的是，从图5和图6中护环内侧的转子绕组结构图可见，由于每槽线圈之间有足够的间隙，那么就可以通过探针测量的方式，将探针伸入间隙内，逐匝逐匝地测量出3#线圈和4#线圈上各匝的电压，通过各匝电压的变化情况，就可以准确地知道具体是在哪个线圈的哪两匝线棒之间存在匝间短路故障了。

要测量线圈内部各匝线棒的电压，可以对转子绕组施加交流电压，也可施加
直流电流进行测量。

上述ZH电厂2#发电机转子匝短故障案例中，就是施加了直流电流进行试验。

考虑到极1和极2绕组的对称性，为便于比较，对极1绕组和极2绕组各自的3#线圈都进行了测量，测量结果如表2所示。

表2 极1和极2绕组的3#线圈各匝线棒的直流电压分布（试验电流：直流58.9A）
从表2中可见，极1的U45=0.003V是最小值，远低于其它匝间电压。

很明显，极1绕组3#线圈的4#~5#匝线棒之间发生了匝短故障。

若用图形方式来看上述数据的变化情况，就会更明显。

先将极1和极2绕组各自3#线圈的各匝电压数据绘出，其图形如图8所示。

图8 极1和极2绕组各自的3#线圈各匝电压曲线图
从图8中的曲线变化趋势来看，其反映匝短故障的特征不明显。

现在把相邻
两匝之间的电压差变化情况绘出来，效果就完全不同，如图9所示。

图9 极1和极2绕组各自的3#线圈相邻两匝电压差曲线图从图9可以非常明显发现，U45即4#~5#匝之间的电压骤降，因此，匝短故障就发生在这两匝之间。

至此，采用转子绕组电压分布试验方法，就简单易行但却准确、可靠地诊断了转子匝短故障的存在，并且可以将故障部位准确地定位到具体的某槽线圈中的某两匝之间。

7．三相短路状态下的动态匝间短路波形试验
动态匝间短路波形试验是判断转子有无匝间短路的最重要的一项试验。

JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》中6.3条就明确规定，“当阻抗法与波形法测量结果有矛盾时，以波形法为准”。

只有当转子还处于运行工况下的发电机定子膛内，且定子气隙内安装有气隙磁场在线监测装置的发电机，才能进行波形法试验。

经验表明，在发电机带实际负荷运行的工况下进行在线波形法监测，则可能由于受到各种因素的影响，其检测到的波形畸变较严重，因此往往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起来，然后进行励磁，使定子绕组中的电流升至一定程度时，通过在线监测装置，获取气隙磁场中的转子动态匝间短路波形。

无匝短故障的转子，其动态匝间短路波形一般如图10所示。

图10 无匝短故障转子的动态匝间短路波形
从图10可以看出，对于无匝短故障的转子，其动态匝间短路波形中，各个波头的包络总体分布呈下凹的圆弧状，各个波头之间的排列比较有序，并且具有对称性。

而存在匝短故障的转子，上述包络特征将发生畸变。

图11是HL电厂1#发电机转子的发生匝短故障后监测到的动态匝间短路波形。

从图11可见，与3#线圈和4#线圈相对应的两个波头均异常下陷，表明在这两个线圈上存在着匝短故障。

解体后的检查结果表明，3#和4#线圈上各有一处发生了匝间短路故障。

图11 HL电厂1#发电机转子的动态匝间短路波形
图12是匝短故障点的分布示意图。

其中，解体后的3#线圈上的匝短故障点（图12中的B点）匝间绝缘损坏情况如图13所示。

图12 转子匝间短路故障点分布示意图
图13 3#线圈匝短处的匝间绝缘纸板烧损实况图
不幸的是，该台转子修复投入运行后仅一年，又再次发生了匝间短路故障。

图2是2007年10月1#发电机转子第一次匝间短路时的匝间短路波形，当时是在极2的3#和4#线圈上发生匝间短路故障，但极2的2#线圈（左侧的那个）当时是正常的，从图2中也可以看出，它与极1的2#线圈（右侧的那个）在幅值上是十分接近的。

再来看图3中的2008年11月1#发电机转子的动态匝间短路波形试验结果。

为了更加明显地看出极2线圈中2#线圈的幅值的变化，我们用
虚线勾画出了正常情况下整个动态匝间短路波形的包络。

很明显，极2的2#线圈的波形发生了明显的畸变，其幅值已大大低于极1的2#线圈的幅值，与图1中相比较，也证明极2的2#线圈的幅值已经发生了显著的变化。

因此，我方认为，其实早在2008年11月份之前，1#发电机转子就已经在极2的2#线圈上发生了不稳定的匝间短路故障。

图2 2007年10月1#发电机转子第一次匝间短路时的匝间短路波形
图3 2008年11月1#发电机转子的动态匝间短路波形
图4 2011年1月8日上午的1#发电机转子的动态匝间短路波形1月9日上午10点钟左右，1#发电机转子完成了短路状态下的动态匝间短路波形试验，试验结果如图4所示。

从图4中可见，极2的6#线圈的波形也有明显的短齿现象，说明该转子绕组出现了另一个新的匝间短路故障点，这就是该转子在2010年期间振动持续增大的根本原因。

由此可见，HL电厂1#发电机转子绕组至少存在着两处匝间短路故障，分别位于极2的2#线圈和6#线圈。

其中，2#线圈的匝间短路故障早在2008年就已出现，它是当时转子出现短暂的异常振动的根本原因；6#线圈的匝间短路故障是在2010年小修期间出现的，它与2#线圈的匝间短路故障点的共同作用，使得1#发电机运行中发生了异常振动。

五．转子抽出来置于发电机定子膛外后，匝短故障点的定位分析
2.金属性匝短故障点定位分析的计算方法
转子抽出来置于发电机定子膛外的检修现场后，除了可以施行前面所讲的直流电阻测量、交流阻抗和功率损耗试验、两极电压平衡试验、RSO试验、转子绕组电压分布试验外，还可以进行一项很有意义的试验，那就是对转子匝短故障点进行定位分析。

有人可能会纳闷：反正要对转子进行解体处理了，解体后不就什么都清楚了，还要对匝短故障点进行定位分析有意义吗？的确，很多时候其意义并不是很大。

实际上，以前对于转子匝短故障的诊断，往往就仅限于定性地判断转子是否存在匝短故障即可，然后就是返厂解体后进行处理，而不像现在这样还要进一步对匝短故障点的具体部位进行定位分析。

不过，在某些情况下，如果事先能确定故障点的具体部位，就有可能以很小的成本处理好匝短故障，从而节省大量的人力、物力和财力，挽回巨大的经济损失。

另外，匝短故障发生在转子的不同部位，其处理方案和处理成本就可能会有很大的差异。

如果能事先确定故障点的部位，就可以使电厂能科学合理地、有针对性地制定后续的工作方案。

例如，ZH电厂的2#发电机转子，由于其转子结构的特殊性，如果匝短点位于转子励端，那么处理起来就是一个“小手术”，如果处于转子汽端，那么处理起来就会是一个“大手术”，其解体工序、所需备件等都会相当麻烦，整个处理工期几乎两倍于匝短点位于励端的情形。

此时，事先掌握其匝短点的具体位置就显得尤为重要。

当转子抽出来置于发电机检修现场后，就可以方便地对匝短点的部位进行准确的定位。

为了能准确定位匝短故障点，需要利用两极绕组的对称性，并对转子绕组进行直流试验。

以ZH电厂的2#发电机转子为例，已知其极1绕组的3#槽线圈存在匝短故障。

通过转子的两个滑环注入一恒定的直流电流（I=59.4A），极1的3#线圈和极2的3#线圈的直流分布如图14所示。

图14 极1和极2绕组的3#线圈在相同电气部位的直流电压分布图14中，“O1”和“O2”分别是极1和极2的3#线圈电压测量参考点。

对于极1的3#线圈，电流是从左侧的6#匝流入的，而对于极2的3#线圈，电流则正好相反，它是从右侧的6#匝流出的。

因此，在正常情况下，相对于各自的电压参考点而言，两者在相对称的部位，应具有绝对值相同、但符号相反的电压分。