1080MW汽轮发电机转子内部短路故障分析（附发电机转子匝间短路故障诊断与预防措施+发电机转子匝间短路故障的判断及分析）.docx

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1、转子接地短路故障是发电机常见故障之一，对设备本体以及电网安全造成严 重威胁。以一台1080MW汽轮发电机转子内部短路故障为案例，详述故障的过 程、诊断及后续处理。通过现场检查、交流阻抗试验、重复脉冲(RSO)试验和 小电流开环试验等检测方法确定短路点位于转子导电杆，并在故障部件解体后确 定故障由导电杆内部两极间短路造成。大容量发电机组安全运行对电网稳定性至关重要。转子短路故障是汽轮发电 机常见故障之一，故障较严重时，可能造成大轴磁化、设备烧损等情况。发生短路故障的原因主要有两点：由于运行过程中的机械力、电磁力导致 绝缘变形或局部损坏；由于制造工艺不足造成的绝缘损坏。查找转子接地故障 常用的检测

2、方法有交流阻抗与功率损耗试验、重复脉冲(recurrent surge oscillograph, RSO)试验、绕组电压试验和极电压平衡试验等。本文以某电厂1080MW发电机转子短路故障为例，论述采用相关试验等方 法进行故障诊断和分析的过程；并对比故障前后的试验结果，说明试验分析与故 障判定结果正确，确保缺陷消除后发电机状态正常。1转子接地故障过程与记录某厂一台1080MW汽轮发电机组在168h试运期间发生灭磁开关跳闸动作致 使机组解列，随即针对故障开展诊断分析工作。发电机额定参数、故障前运行参 数见表1。1.1发变组保护动作记录检查发变组保护装置，相关电气保护动作过程见表2。其中，发电机转

3、子接 地保护由励磁系统的转子接地保护装置提供，转子接地I段定值10k动作于报 警，II段定值5k动作于跳闸；励磁系统故障跳闸设有0.5s延时动作，转子接地 n段跳闸设有5s延时动作。参数额定故障前功率/MW1 080.001 012.47定子电压/kV27.0027.73定子电流/kA25.6621.24励磁电压/V481.00344.15励磁电流/A5 327.004 095.58表1发电机额定及故障前运行参数turbogenerator, and quickly determines the position of the turn-to-turn short circuit fault

4、through the analysis and detection of the turn-to-turn short circuit fault of the generator rotor. The purpose of this paper is to provide a reasonable basis for the formulation of the follow-up treatment scheme.Keywords： rotor winding; turn-to-turn short circuit; fault近年来，随着用电量的增加发电机组数量、容量也跟随着增加，从2

5、00MW 的中小型发电机，到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。此种情况可能跟近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，还有就是与发电机 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，还是在定子铁芯，或是在 转子绕组方面，一旦出现故障将会造成经济上重大的损失。在这里对转子绕组匝 间短路故障分析、处理方面的技术和经验跟大家进行交流。1发电机转子绕组匝间短路故障原因分析和检测对发电机转子绕组匝间短路故障现象、分析、诊断和处理过程中，需经

6、过以 下几个过程：(1)运行中发电机转子振动异常，通过异常振动现象来分析转子绕组是否 存在匝间短路故障。(2)发电机转子盘车停运后，要对转子进行定子膛内相关的电气试验，以 判断是否存在匝间短路故障。(3)将转子抽出发电机定子膛外后，进行转子绕组匝间短路故障点定位分 析。(4)确定故障点后进行现场处理或返厂处理，并进行故障发生原因进行分 析，以便有针对性地进行处理。2针对上述的检测方法具体分析如下2.1 转子运行中的匝间短路故障分析GB7064-2008隐极同步发电机技术要求中，正常运行中的发电机，其转 子一般保持在不大于80|im的振动水平。当转子出现异常振动后，首先要对转子 异常振动的原因进

7、行分析，而造成转子异常振动的电气因素通常就是转子绕组匝 间短路故障。转子绕组匝间短路故障使定子气隙中的合成磁场发生畸变，转子因 受到了不平衡重磁力影响而发生振动，随着励磁电流的增加，转子的振动也相应 的增大，出现上述运行状态时应当怀疑转子内部可能发生了匝间短路的故障。2.2 转子停运后(转子仍在发电机定子膛内)匝短故障的分析虽然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)发电机空载试验。

8、(2)转子绕组直流电阻测量。(3)转子绕组交流阻抗和损耗试验。(4) RSO (Repetitive Surge Oscilloscope)试验。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)发电机空载试验发电机空载试验是通过空载状态下测量发电机转子的励磁电流，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间短路故障。存在匝间短 路故障的转子绕组，其空载电流要有所增大。不过，当发电机转子绕组短路匝数 较少时，励磁电流的增加不会很明显，因此，空载试验只能作为判断是否存在匝 间短路故障的一种参考。(2)转子绕组直流电阻测量当发电机转子绕组出现匝间短路故障时，绕组的直流电阻

9、值会相应的变小， 直流电阻测量是通过测量转子绕组直流电阻的数值来判断转子绕组匝间是否存 在短路故障，不过当发生匝间短路的绕组匝数很少时(例如只在两匝之间发生了 匝短，转子绕组直流电阻值变化很小，而且这种变化量可能比测量仪器的误差范 围内，就很难准确地判断转子绕组是否存在匝间短路故障，反之，这种方法还是 十分简单有效的，如阻值偏差超过了 5%时。(3)转子绕组交流阻抗和损耗试验转子绕组交流阻抗和损耗试验是判断转子绕组是否存在匝间短路故障的一 种常用方法，无论转子在发电机膛内或是膛外，均可方便地进行测量，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间短路故障时，功率损耗要 比交流阻抗敏

10、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间短路故障。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间短路故障。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。但是最新发行的DL/T1525-2016隐极同 步发电机转子匝间短路诊断导则中明确了交流阻抗和功率损耗试验的条件及方 式，并明确了判断的原则;a.交流阻抗值与出厂数据或历史数据比较，减小超过 10%；b.损耗与出厂数

11、据或历史数据比较，增加超过10%;c.当交流阻抗值与出厂数 据或历史数据比较，减小超过8%,同时损耗与出厂数据或历史数据比较，增加 超过8%;d.在转子升速与降速过程中，相邻转速下，相同电压的交流阻抗或损耗 值发生5%以上的突变时的情况之一应判断为故障。(4)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广泛应用, 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 线不吻合度达到一定的程度时，

12、即判断转子存在匝间短路故障。这种检测方法比 较方便，使用此方法成功确认了一台被某省电科院确定存在4处匝间短的发电机 转子为误判的先例。图1是应用RSO方法检测某电厂发电机(135MW)转子匝 间短路故障时的测量波形。从图1中可见，两条曲线的吻合度很好，差异不显著。 为防止匝间短路出现在上层线棒中，我们在机组0-3000r/min时录制了动态的 RSO图，见图2,没有发现问题，在录制动态RSO图之前我们通过模拟各匝间 发生短路后进行了故障波形的录制如图3,综合了机组之前的运行情况分析认为 该转子不存在匝间短路故障。3转子置于发电机定子膛外后，匝间短路故障点的定位分析转子抽出来置于发电机定子膛外的

13、检修现场后，除了可以施行前面所讲的转 子绕组直流电阻测量、转子绕组交流阻抗和功率损耗试验、重复脉冲波形(RSO) 外，还可以进行对转子匝短故障点进行定位分析。对匝间短路故障点进行定位分析是非常有意义的一项工作，以前只要判断出 发电机转子绕组确实存在匝短故障，就是返摩处理，修理好后返回安装、运行。 不能在现场对匝短故障点的具体部位进行定位分析。如事先能准确判断出故障点 的位置，就有可能在短时间内处理好故障，从而节省大量的人力、物力和财力， 挽回巨大的经济损失。如果能准确判断出故障点的部位，就可以有针对性地制定 处理方案。当转子抽出来置于发电机检修现场后，就可以方便地对匝间短路点的部位进 行准确的

14、定位。为了能准确定位匝间短路故障位置，需要利用两极绕组的对称性, 并对转子绕组进行直流试验。为了更精确地定位到匝短故障点，可以利用转子本 体上的通风孔来测量线圈各匝绕组的电压分布，从而计算出匝间短路的故障点所 处的位置。4结束语实际分析经验表明，上述各种分析方法均有各自的适用性、对故障的敏感性、 诊断的准确度等各有差异。愿我们做过的工作对大家今后在转子匝间短路故障的 系统性分析时能有一些帮助，今后的工作中各位专家同仁，在转子匝短故障方面 有什么新的更好的方法，共同相互沟通交流，共同提高。参考文献：李伟清，王绍禹,发电机故障检查分析与预防M.中国电力出版社，1996.2李建明，朱康.电力设备预防

15、性试验规程M,中国电力出版社，2001.序号动作报告时间1发电机灭磁开关跳闸15:48:22.3782励磁系统故障跳闸15:48:22.8353发电机故障（关主汽门信号）15:48:22.8564启动厂用电切换15:48:22.9145ETS打闸15:48:22.9566热工保护动作15:48:23.8917主变高压侧断路器跳闸15:48:23.9958转子接地n段跳闸15:48:37.751表2发变组保护装置动作记录1.2 故障录波波形记录查看故障录波装置，在灭磁开关跳闸前，发电机运行正常，机端电压、电流 无异常，如图1所示。而在灭磁开关跳闸前，励磁电流和励磁变高压侧电流明显 上升，励磁电压

16、小幅下降情况，如图2所示。保护动作、开关变位的时间及顺序记录如图3所示，其结果与发变组保护装 置事件记录相符。其中，“转子接地保护跳闸（A屏）”“转子接地接地保护跳闸 （B屏）”未保护启动时，延时（定值5s）动作未计入。1.3 励磁系统记录为准确分析故障时刻工况，查看励磁系统故障波形，如图4所示。双电FW电河hGXA10CTli aikAJlTSQl ancn*2i. (tzzi.3 友屯1机5电电CTISI6 artkyjmwj 6 震电tun电压in (Tl=15 95kV)(T2=i5 SGAkVJ T.SfiMirV机陵双序Uc (TU19 99TkVIIT215 WkV)双电FW电河

17、hGXA10CTli aikAJlTSQl ancn*2i. (tzzi.3 友屯1机5电电CTISI6 artkyjmwj 6 震电tun电压in (Tl=15 95kV)(T2=i5 SGAkVJ T.SfiMirV机陵双序Uc (TU19 99TkVIIT215 WkV)图2励磁电压、电流波形记录图3保护动作及开关变位记录图4励磁系统故障波形记录励磁系统中P、Q基准值为1 200MVA；发电机电压Ug基准值481V,电 流坨基准值25 661A；励磁电压Uf基准值481V,励磁电流If基准值5327A。 根据波形记录可知故障时刻开最高达到3.08倍基准值，约为16407A。由以上各装置的

18、数据波形检查可以判断故障过程为：励磁系统发生励磁过 流，导致灭磁开关跳闸；励磁系统故障跳闸信号至发变组保护装置，经0.5s延 时后保护动作，启动厂用电切换，发关主汽门信号；随后ETS动作，发热工保 护至发变组保护装置，联跳主变高压侧断路器；热工保护动作后延时约15s保护 装置收到转子接地保护跳闸信号。2现场检查与试验分析2.1 现场初步检查发电机跳闸后，转子接地保护装置显示接地n段动作、绝缘电阻ike,且装 置不能复归。断开发电机大轴至转子接地保护装置接线，拆除励磁碳刷后，转子 接地保护装置可复归，此时显示绝缘电阻2MQ,说明转子接地保护装置功能正 常。检查发电机励磁各部件无明显损坏痕迹，经测

19、量励磁直流母排绝缘电阻为 2MQ,转子对地绝缘电阻0.1Q,转子绕组直流电阻0.029Q（其出厂值为0.069Q）。 为进一步查找故障原因，采取试验方法进行检测分析。2.2 转子交流阻抗试验测量转子绕组交流阻抗参数，并与历史数据对比变化趋势，是判断转子绕组 是否存在短路故障的常用方法。故障前后，发电机盘车工况的交流阻抗试验数据 见表3o表3故障前后转子交流阻抗试验对比试验时间电压/V电流/A阻抗/C故障前4012.23.278023.53.4012034.03.5216044.23.6220054.73.6522059.73.69故障后210.00321.70根据两次试验数据的明显差异，可以判

20、断转子内部发生短路故障。2.3转子绕组RSO试验RSO试验原理基于行波过程理论，在转子绕组两端同时注入脉冲波，通过 分析注入点波形和特性波形判断绕组是否存在故障。绕组在正常情况下由于其结 构对称性，当两端同时注入一致的脉冲波时，其特性波形应为平直直线。当绕组存在故障时，绕组阻抗分布变化将产生反射波，则两端呈现不同的合 成波，在特性波形上表现为突起的尖峰。特性波形尖峰的位置、幅值与故障程度、 位置有关。故障后盘车工况的RSO试验波形如图5所示。W .OOOoi / 珞W .OOOoi / 珞(鎏、。一)(密/|0。， (8H2 VHO) (8HU，4Ho)图5故障后RSO试验结果根据特性波形曲线

21、存在明显尖峰，同样可以判断转子内部存在短路故障。2.4 励磁小电流开环试验为确定励磁系统设备完好、功能正常，测量励磁系统交、直流侧绝缘结果合 格，并进行小电流开环试验，结果见表4。根据试验结果可以判断励磁系统功能 正常。试验项目a/（。）ud/v+EG190.0068.6083.81100.3077.54137.40+EG290.0064.1083.8195.2077.54131.60+EG390.0066.2083.8197.6077.54134.50+EG490.0064.1083.8195.2077.54131.50+EG1 +EG490.0059.5083.8192.7077.5413

22、1.70表4励磁小电流开环试验结果综合上述多项试验结果可以确定，此次励磁系统过流引起的发电机解列事 故，是由发电机转子内部发生接地短路故障造成。3故障原因分析根据前文所述试验结果，并结合发电机结构特点，推断故障可能发生在转子 绕组前端及引出线导电杆两个部位。为确认故障发生部位，脱开发电机侧导电螺 钉后，分别测量转子绕组和导电杆对地绝缘电阻。结果显示，转子绕组对地绝缘 电阻为93MQ,导电杆对地绝缘电阻为O.lQo由试验数据可以基本排除转子绕 组短路情况，可进一步确定故障点发生在导电杆处。抽出导电杆后，发现靠发电机侧表面存在明显烧损痕迹，并且有一处碳化击 穿点，导电螺钉孔底部有金属熔融物。将导电

23、杆返厂解体检查发现故障点铜体局 部烧损，合缝处绝缘隔板烧损、碳化；接地点熔融物沿导电杆合缝面轴向流动， 并沿宽度方向流动至导电螺钉孔底面。图6导电杆内部损坏痕迹由此确定引起接地故障的原因是，导电杆内部两极间短路，产生高温熔化局 部导电杆并使导电杆对地绝缘碳化损坏造成接地故障o根据返厂检查结果判定此 次故障由导电杆内部绝缘损坏，导致两极间短路，产生高温熔化局部导电杆并使 导电杆对地绝缘损坏造成接地。在完成导电杆修复安装后，发电机在静态工况下进行相关试验检查以确保缺 陷已消除。静态工况转子交流阻抗试验结果见表5。试验数据表明修复后交流阻抗参数无异常。静态工况转子绕组RSO试验结 果如图7所示，可以

24、看出合成的特性波形曲线为一条平展直线，表明无阻抗突变 点，转子绕组无异常。通过上述试验以及相关检查工作可以判断转子内无异常，修复后短路故障已 排除，可正常投运。序号电压/V电流/A阻抗/Q14014.82.7628028.42.83312040.92.94416151.93.10520061.13.28622065.53.38719960.13.31815950.43.15912040.22.99108028.22.85114014.52.74表5修复后转子交流阻抗试验结果(8HO，HU)(8HUXHU) 汾熙蛙Y坦至熙祖彝(8HO，HU)(8HUXHU) 汾熙蛙Y坦至熙祖彝图7修复后RSO试

25、验结果4结论本文详细论述了一台1 080MW汽轮发电机转子短路故障的发展、诊断及处 理过程。通过多项试验分析确定该故障由导电杆内两极间短路造成，但由于故障 部位损坏严重，尚未确定极间短路原因。为避免同类故障的发生，提出几点防范措施：1）发电机在制造、运输、安装、维护时需进行严格质量管控，以免在运行 前造成设备缺陷。2）发电机在运行过程中需对相关参数加强监测和分析，及时发现异常状态。3） RSO试验在判定转子状态、故障定位等方面有独特优势，可以建立RSO 试验数据档案，并进行长期跟踪。发电机转子匝间短路故障诊断与预防措施摘 要：本文基于某电厂发电机匝间短路故障案例，重点介绍了运用RSO （重复脉

26、冲）试验及两极电压平衡等技术手段快速准确地诊断故障点，并提出了 故障预防诊断措施。关键词：发电机;匝间短路;诊断;预防措施1设备情况简介某电厂600MW 发电机为哈尔滨电机厂有限责任公司制造的 QFSN-600-2YHG型汽轮发电机（静止励磁），发电机转子绕组共32槽。转子每 槽匝数8匝，转子对地绝缘厚度1.3mm。投运时间为年，至今已运行12年。2故障概况2018年12月6日，某厂1号机组开始为期85天的A级检修。2018年12 月23日下午，1号发电机转子抽出。转子抽出后，当天下午对转子进行各项试 验。当进行转子静态RSO试验时，发现RSO波形异常，转子A极8号线圈可 能存在匝间短路故障。

27、将转子进行360C旋转，测试结果显示各角度下转子A极8号线圈RSO波 形均异常（RSO图形8号线圈偏差率18%左右）。另发现转子汽端大轴磁化，可 悬挂14根回形针。3匝间短路故障判断处理及修后试验3.1 故障判断转子静态RSO试验显示转子异常，再次采用两极电压平衡法对发电机转子 两极电压进行测试。测试结果转子绕组两极电压平衡试验结果显示两极电压偏差 已经超过3%, A极8号线圈分布电压还不到B极同一位置电压的一半。RSO试验波形异常、转子绕组两极电压不平衡、转子汽端大轴磁化，可判 断1号发电机转子A极8号线圈存在匝间短路故障。3.2 故障处理2019年1月3日，1号发电机汽、励两端护环拔出。目

28、测汽端端部绕组绝缘, 未见到明显短路点。测试RSO试验波形异常，做转子绕组两极电压试验判断A 极8号线圈6-8匝间可能存在匝间短路。拆除8号线圈转子槽楔，抬出8号线棒。 发现在励侧直线段第一个通风孔处存在短路点，匝间绝缘过热碳化。将8号线圈短路点处的匝间绝缘剔除，更换新绝缘。清理8号线圈、压条、 槽楔，更换槽口楔，将8号线圈装回。3.3 修后试验3.3.1 修后RSO试验2019年1月16日，对处理后的转子进行RSO试验，试验波形良好。3.3.2 转子绕组两极电压平衡试验试验结果显示转子两极电压平衡。3.3.3 修后试验结论回装完转子后，对转子进行交流耐压测试、交流阻抗测试以及RSO波形试 验

29、，试验数据均合格。由此基本可以判定此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动态交流阻抗、RSO波形试验，各 项试验数据均合格，发电机正常运行满负荷振动值正常，由此确定转子匝间短路 故障完全修复。4故障预防诊断转子匝间短路是大型汽轮发电机时常发生的电气故障，会引起励磁电流增 大、机组振动加剧、输出无功减小等不良现象，危害较大。因此需采取各项措施 防微杜渐，防止故障发生。4.1 加强设备的监造在制造厂监造时要严格把关，督促制造厂家严格按照国家标准完成各项出厂 试验，以确保转子制造工艺优良。在进行出厂试验时，转子膛外交流阻抗测试、 两级电压测试及交流耐压试验仅能检查

30、转子在静态是否存在匝间短路。因此在监 造过程中必须要求制造厂进行运行中的转子膛内交流阻抗测试。在条件允许下进 行RSO波形测试，并且进行多旋转角度测试，将测试波形综合比对分析，可以 较准确判断转子是否存在匝间短路故障。4.2 在发电机投运前，认真组织对发电机转子的交接试验，各项试验标准均 应同时满足国家和厂家的相关标准。4.3 在投运后需对发电机进行实时监测，定期安排进行RSO波形测试等相 关试验，以便及时发现转子匝间短路缺陷。当发现发电机励磁电流、有功功率、 无功功率、轴瓦振动等有异常时应及时检查处理，以防故障扩大。5总结RSO （重复脉冲）试验是基于行波传输原理，利用发电机转子绕组结构对称

31、 性，在转子绕组两端的对称部位注入两路相同的周期性服冲并对其反射波信号进 行采集和分析，判断转子是否存在匝间短路故障或匝间绝缘缺陷的试验。具有试 验电压低、灵敏度高、可操作性好的特点，既适用于转子静态、也适用于转子动 态。他与两极电压平衡、交流阻抗等试验结合可快速准确地判断转子是否存在匝 间短路故障。转子解体检修前，应对转子进行多个对称角度RSO （重复脉冲）试验，以 便在修复后与测试波形进行对比，从而精确评估检修成效，为修复结果提供参考 依据。转子修复时，同时加强对检修区域的隔离清洁工作，搭建无尘区，防止现 场的铁屑等杂质落入转子内。发电机转子匝间短路故障的判断及分析图1转子在发电机膛外录制

32、的RSO检测波形图2转子在发电机膛内转速从0-3000r/min的动态RSO图摘 要：文章主要叙述了大型汽轮发电机运行期间出现转子绕组匝间短路故 障的判断及分析方法，通过对发电机转子匝间短路故障现象的分析和检测快速判 断出匝间短路故障位置，为后续处理方案的制定提供合理的依据。关键词：转子绕组;匝间短路;故障Abstract： This paper mainly describes the judgment and analysis method of the turn-to-turn short circuit fault of the rotor winding during the operation of the large