水布垭电厂发电机磁极绕组匝间短路故障分析与处理

张佳文，廖海威

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江水布垭电厂位于湖北省恩施土家族自治州巴东县水布垭镇，地下厂房安装4台单机容量460 MW总装机容量1 860 MW水轮发电机。其中，1、2号机组由东方电机厂制造，3、4号机组由哈尔滨电机厂制造。

1 磁极匝间短路发现过程

在水布垭电厂1号发电机一次例行C修中，检修人员对定子绕组进行了绝缘电阻、吸收比及极化指数、泄漏电流及直流耐压进行了测量，试验数据均符合DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》[1]的要求；对发电机转子绕组进行了绝缘电阻、直流电阻测量和转子交流阻抗测试，所有试验结果合格。转子绕组具体试验数据见表1。

表1 发电机预防性试验记录表

对吊出机坑的19、20号磁极进行常规外观检查，未发现异常；在随后进行的19、20号磁极预防性试验检查中，发现19号磁极交流阻抗数值偏小。19、20号磁极试验数据见表2、表3。

表2 19、20号磁极绝缘、直阻试验记录表 mΩ

表3 19、20号磁极交流阻抗试验记录表

试验人员对数据进行初步分析，发现19号磁极与20号磁极相比，绝缘电阻、直流电阻均合格，在相同试验电流下，19号磁极交流阻抗偏小50%以上。在发现异常数据后，检修人员再次对19号磁极外表进行清扫，清除磁极表面油污、粉尘，并重点检查磁极绕组散热边无焊渣、金属杂质。排除外部因素后，换用多套设备再次测量，试验数据无变化，可以排除试验设备故障的可能。试验人员将19号磁极的交流阻抗数值与历年来1号机组单台磁极在相同条件下测量的数值进行横向比较，确认试验数据异常是由于磁极绕组缺陷引起，疑似为匝间短路故障。

2 磁极绕组匝间短路分析与处理

2.1 磁极绕组匝间短路危害

磁极绕组匝间短路是发电机较为常见的一种设备缺陷。轻微的匝间短路不影响设备运行，短路点可能会表现出局部过热；如果不能及时发现并处理，故障会进一步恶化，导致机组励磁电流增大，无功输出减小，转子电磁力不平衡，致使发电机振幅增大[2]；短路点的局部过热可能会破坏磁极绕组绝缘，造成转子一点或两点接地，进而导致铁芯磁化、转子大轴磁化，严重威胁机组的安全运行。

2.2 磁极绕组匝间短路常见判断方法

判断磁极绕组是否存在匝间短路故障，常见的试验方法有直流电阻法、交流阻抗法和匝间冲击耐压试验。直流电阻法，就是对磁极测量直流电阻，并与相同温度下其他磁极直阻进行对比，若直阻明显偏低，则说明被测量磁极存在匝间短路故障。交流阻抗法可以检查磁极绕组匝间绝缘是否良好、磁路是否正常。在磁极绕组发生匝间短路时，短路绕组电流大于正常电流，具有强烈的去磁效应，即使短路匝数少效果也很明显。如果该磁极的交流阻抗明显小于其他磁极或小于转子绕组交流阻抗平均值，并且功率损耗增大，此时应对磁极绕组进行表面清洁。清除污秽过后试验数据仍没有变化的，可以确认磁极存在匝间短路现象[3]。如果条件允许，还可以对磁极在定子膛内、膛外分别测量，以提高试验准确性。匝间冲击耐压试验就是使用匝间冲击仪对转子绕组进行匝间耐压试验，在相同的测试绕组上交替施加规定峰值和波前时间的冲击电压波，检测冲击电流在正常绕组和短路绕组中引起的衰减震荡波形的差异，用来确定转子绕组是否存在匝间短路故障[4]。

2.3 本次匝间短路故障分析与处理

本次1号发电机检修属于常规检修，随机抽取1对磁极吊出检查。在吊出磁极之前，转子绕组整体直流电阻、交流阻抗试验均合格。为准确判断19号磁极绕组的设备状态，需要进一步试验确认。

考虑到19、20号磁极直流电阻均合格，使用直流电阻法已无法提供判断依据，结合现场试验条件(19、20号磁极均已吊出，所有试验只能在膛外进行，不具备膛内试验条件)，本次试验使用交流阻抗法进一步确认。具体试验步骤：①在大电流下测量19、20号磁极绕组交流阻抗数值。相比初步试验通入的最大25 A的试验电流，后续试验可以将试验电流加大到50 A甚至70 A。大电流下数据更准确，还可以进一步降低外界磁场对试验的干扰。②对19号磁极人为设置匝间短路，测量19号磁极交流阻抗数值。检修人员打磨掉磁极绕组散热边的绝缘漆后，利用自制的短接铜片，在磁极任意位置设置短路点，随后测量磁极的交流阻抗数值。如果设置的短路点绕组匝间绝缘正常，相当于该磁极增加了1匝短路线圈，去磁作用更加明显，反映到试验数据就是数值变小；如果设置的短路点本来就存在匝间短路，则试验数据变化不大。

试验步骤1得到的大电流下交流阻抗数值见表4。

表4 大电流下测量交流阻抗数值表

与表3相比，19、20号磁极在大电流下测量的交流阻抗数值，与小电流下得到的数值无明显差别，19号磁极数值依旧偏小50%以上，且偏小比例不变。这次试验进一步证明19号磁极存在匝间短路故障。

在试验过程中还反复出现如下现象：短1～2匝时，通75 A大电流短接线不冒烟，去掉短接线阻抗值不变化；短其他匝时，通60 A电流短接线发红冒烟。

结合表5数据及上述现象，可得出结论：19号磁极确实存在匝间短路故障，且短路点较大可能在1～2匝之间。在1～2匝之间人为设置短路故障时，因此处还有其他短路点，所以短接线分流较小，在75 A大电流下不冒烟；并且没有改变磁极有1匝线圈短路的状态，所以在取消短接线后交流阻抗数值无变化。在其他匝间设置人为短路故障时，该磁极由1匝短路变为2匝短路，交流阻抗数值进一步减小，且短接线分流较大，在60 A电流时就已经发红冒烟。

表5 19号磁极人为设置匝间短路测量交流阻抗数值表

此次检修最终确认19号磁极存在匝间短路故障，执行更换备品磁极程序。在核对备品磁极与19号磁极极性相同、重量相近，符合GB 8564-2003《水轮发电机安装技术规范》[5]的要求，各项试验合格后，将备品磁极安装到位，整个转子磁极恢复正常。

3 结 语

从本次磁极绕组匝间短路故障处理过程来看，使用交流阻抗试验判断设备故障仍具有很大的局限性，尤其是轻微的匝间短路故障。本次发电机在正常运行中，保护装置未发出任何报警，励磁系统也未发现异常。在机组检修过程中，转子绕组整体的交流阻抗试验合格，如果不是恰好吊出19号磁极进行交流阻抗试验，是无法发现19号磁极的设备缺陷的。因此，今后如何采用更加先进的在线监测技术，更早的发现、定位转子绕组的匝间短路故障，并提供高效的处理方案，需要设备生产厂家、检修维护部门共同研究，为技术的发展奠定基础。