发电机转子匝间短路故障分析处理

发电机转子匝间短路故障分析及处理摘要: 某电厂2号汽轮发电机组运行中7#瓦轴振突然增大，经全面分析原因，通过直流电阻和交流阻抗试验，判断为发电机转子匝间短路引起振动。

解体检查发现，转子端部固定薄弱，引起部分转子匝间垫条、线圈发生位移，绝缘磨损导致匝间短路，处理后转子试验数据合格，机组投运正常，振动消失。

关键词：发电机；转子；匝间短路。

analysis and treatment of vibration of turbo generator unitinduced bv turn—to—turn short circuit of rotor windings han shirong(guangdong red bay generation co., ltd. shanwei guangdong516623)abstract: a sudden severe vibration fault occurred in no．7 bearing of no．2 turbo generation unit． the dc resistance and ac impedance test showed that the turn—to—turn short circuit of rotor winding brought about the vibration of no ．2 generation．disintegration inspection discovery, rotor nose fixed weak, causes the partial rotor circle the pad strip, the coil has the displacement, the insulation attrition causes the turn-to-turn short circuit, after processing the rotor tentative data to be qualified, the unit throwstransports normally, vibration vanishing.key words: turbo generator，rotor windings，turn—to—turn short circuit1 引言某电厂#2发电机是东方电机股份有限公司生产的qfsn-655-2-22a型汽轮发电机，2005年12月出厂，2008年2月通过168后，正式投入商业运行。

2009年3月，2#发电机大修后投入运行后不久，7#轴瓦振动值由正常运行时的60μm突然增大到130μm，超过报警值（125μm），最高上升至144μm，随后一直稳定在135μm运行。

#2发电机的转子存在如下特性：转子振动与负荷之间都存在着明显的相关性：各轴承瓦振随负荷、励磁电流增加而增大。

对电气设备进行外部检查，未发现异常。

经对机组运行工况及相关操作进行全面分析，基本排除机械原因引起的振动，初步认定2号发电机转子匝间短路导致机组发生振动。

停机对转子做直流电阻和交流阻抗试验，判断发电机转子发生匝间短路。

2 故障分析引起汽轮发电机组突发振动主要有机械和电气两方面的原因。

机械方面主要有断叶片、动静部件摩擦、汽流激振、转子突然受到外界大的扰动冲击、油膜振荡等；电气方面通常是转子在制造、运行过程中发生了匝间短路故障。

由于励磁电流减小时振动会减弱；励磁电流为零时振动会消失，基本判定为转子绕组匝间短路引起的振动。

发电机转子结构复杂，匝间绝缘薄弱，因制造、安装、运行、维修等原因，常发生绕组匝间短路故障．导致发电机转子电流增大、机组振动增加。

判断转子绕组匝间短路常用方法有：测量转子绕组直流电阻，比较发电机短路和空载特性曲线，测量转子绕组交流阻抗和功率损耗，测量单开口变压器的感应电势和相角，双开口变压器感应法，功率表相量投影法，直流压降计算法等，以及励磁电流判别法，定子环流判别法．rso重复脉冲检测法．小波分析等新方法。

从方法的简便、可靠、灵敏程度来看，现场多采用测量转子绕组交流阻抗和功率损耗法，并结合直流电阻法测量结果进行综合分析，即可判断转子绕组是否存在匝问短路。

为了获取该转子存在匝间短路的数据资料，安排了停机前的相关试验，其中发电机出口三相短路状态下的匝间录波波形见图1。

图1：#2发电机转子的动态匝间短路波形（定子绕组三相短路状态）通过匝间录波波形分析，确认＃2发电机转子确存匝间短路。

由于图2中的波形与以往发电机三相短路状态下所做匝间短路检测波形不一致，且图2中左右两个波形还不对称，波形也有较大差异，因此，分析认为图2中的波形在检测过程中，可能受到了某种因素的影响，使检测到的波形的准确性有所欠缺，因此有必要进行转子绕组分布电压试验，以便确定匝间短路故障具体发生在哪个或哪些线圈上。

2010年6月14日，#2发电机转子从发电机膛内抽出来置于平板大货车上，准备返厂处理。

为掌握转子绕组静态下的故障情况，在转子封装启程前，对该转子进行了静态下的电气试验，主要进行了转子绕组的绝缘电阻测量和绕组分布电压测量。

首先，测量了转子绕组的绝缘情况，测量数据如表1所示。

表1：转子绕组对本体的绝缘电阻测量值试验仪器及试验电压转子绕组对本体的绝缘电阻（ω）数字兆欧表，dc：1000v 0.0数字兆欧表，dc：500v 0.0数字兆欧表，dc：250v 0.0用fluke万用表测量0.0表1中的绝缘电阻测量值说明，2#发电机转子绕组存在着接地故障。

其次，进行了转子绕组的分布电压测量，测量结果如表2所示。

表2：两极各个线圈上的电压值（试验电压：50.7v）极1（外环）的各个线圈极2（内环）的各个线圈#1线圈 1.457 #1线圈 1.387#2线圈 3.204 #2线圈 3.201#3线圈 3.450 #3线圈 3.402#4线圈 3.655 #4线圈 3.486#5线圈 3.773 #5线圈0.837#6线圈 3.90 #6线圈 3.68#7线圈 3.91 #7线圈 3.271#8线圈 3.93 #8线圈 3.880由表2可绘出两极各个线圈上的电压分布曲线，如图2所示。

图2 两极各个线圈上的电压分布曲线正常情况下，极1和极2的各个对应线圈上的电压是十分接近的。

但从表2中的数据和图2中的曲线情况来看，汕尾电厂2#发电机转子两极线圈的电压分布差异很大。

其中，极1（外环）曲线良好，未见有异常现象，而极2（内环）的5#线圈上的电压骤降，说明该5#线圈存在着匝间短路故障。

另外，7#线圈上的电压也有明显下降，说明该线圈的匝间绝缘也可能存在着某种隐患。

为便于比较，这里还给出了同类型发电机转子于2010年3月14日在东电修复后，现场测量得到的绕组分布电压曲线，如图3所示。

由图3可见，对于一台内部无故障、无隐患的转子，其两极绕组的分布电压曲线是非常吻合的。

图3 同类型发电机转子两极各个线圈上的电压分布曲线3 解体情况在对#2发电机转子绕组进行逐个绕圈拆出的过程中，发现转子绕组存在以下几类缺陷。

第一类缺陷：转子绕组在极2的5#线圈上发生了匝间短路故障，匝间短路点位于励侧端部左侧，发生在2#~3#匝之间的拐弯处，如图4~图5所示。

图42#匝与3#匝线棒表面的短路烧伤点图5 匝间短路点在转子极2绕组（共有8个线圈）上的位置第二类缺陷：匝间绝缘垫条产生了大幅度的位移，如图7所示。

匝间绝缘垫条如此大幅度的位移，显然大大增加了发生匝间短路故障的可能性。

当匝间绝缘垫条移出后，上下两匝线棒之间失去匝间绝缘的部分就可能处于若即若离的短路状态，这也很可能是图3曲线上极2的7#线圈电压下降的原因。

第三类缺陷：转子绕组的某些线圈在汽、励两侧端部均发生了严重的位移，不少的匝间绝缘垫条边缘因此受到挤压而变形上翘。

如图6所示。

图6 端部绕组发生明显位移的情况从检查的情况来看，估计不用多长时间，变形上翘的绝缘层都可能在挤压、扭折处发生破损，从而导致更多处发生匝间短路故障。

从图6中可以清晰地看到，某些转子绕组线圈上下匝之间在拐角处发生了严重的位移。

实际检查中发现，无论是在励端还是在汽端，线圈端部绕组发生位移的现象相当普遍，并且有一定的规律。

小号线圈（如1#、2#线圈）的位移比较小，大号线圈（如7#、8#线圈）的位移量就比较大。

而且线圈越在下面的匝，其拐角处的位移量就越小，越在上面的匝，相互之间的位移量就越大。

因此，8#线圈最上面一匝的位移量最大，7#线圈次之，依次类推。

经粗略测量，发现上下两匝之间最大的位移量竟达到7mm。

如此大幅度的位移，必然使得上下两匝之间的绝缘层很容易受挤压变形、或发生磨损，并最终将造成匝间短路。

第四类缺陷：转子绕组端部的固定十分薄弱，强度远远不够，这是导致上述各类缺陷的根源。

各个线圈的圆弧段之间仅靠单个的、宽度只有约10cm的绝缘隔板支撑，而在拐角处及其周围大范围区域内无任何绝缘板支撑。

实际运行中，转子以3000转/分钟的速度高速运转，转子绕组各个线圈不仅要承受着巨大的离心力的作用，还要承受着4000多安培大电流的热应力。

巨大的热应力显然会作用于绕组上，使线棒发生位移。

本来适当的位移是允许的，但必须保证线圈上下各匝之间稳定的位置关系。

由于各线圈在拐角处没有绝缘板支撑，当这个部位的各匝受热应力的作用产生位移时，就不受任何部件的约束。

随着时间的推移，上下各匝之间的位置关系必然发生改变。

由于机组运行时的负荷不断调整，各匝线棒之间的相对位置不断地发生变化，因此使得绝缘垫条不断地受到挤压，要么使之变形，要么使之移位。

加上线棒表面总是会有一定的凹凸不平整度，当上下匝之间受离心力的作用而紧紧地贴在一起，又受到热应力的作用相互之间发生位移时，就必然会对匝间绝缘产生磨损，并最终磨穿绝缘垫条，导致匝间短路故障的发生。

4 故障处理根据解体检查情况，发电机厂家技术人员对该转子部分部件进行了更换。

更换槽口块和端部垫块，端部垫块采用新的设计方案。

更换护环扇形绝缘，契下垫条和槽底垫条，槽衬，匝间绝缘等。

回装后对发电机定子绕组做泄漏电流和直流耐压试验均正常；转子配重、机组启动后对发电机做短路和空载试验，二者的特性曲线均与交接试验曲线相符，证明发电机绝缘处理正常，测量各瓦振动值也恢复正常。

5 结论根据上述分析，只要不改变端部的这种固定结构方式，匝间短路故障就必然会再次发生，而且会频繁地发生。

即使没有杂质进入，由于上下匝之间不断地磨损匝间绝缘，也会很快地导致转子匝间短路故障。

#2发电机转子在处理过程中，转子绕组端部有固定结构的缺陷，务必采用具有足够支撑强度的端部绕组固定结构，才能从根本上解决当前转子绕组匝间短路的问题。

注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看。