汽轮发电机转子匝间短路的判定及查找方法

李连强，王安东，董芙蓉

（1.鹤壁煤电股份有限公司热电厂，河南 鹤壁 458030；2.山东电力研究院，山东 济南 250002；3.山东省科技情报研究所，山东 济南 250101）

0 引言

汽轮发电机转子匝间短路是一种常见故障。匝间短路严重时，会影响机组的无功，使机组的振动增大，有的会造成转子线圈接地，烧伤转子护环，引起发电机甚至汽轮机的大轴磁化，后果十分严重。为此，机械行业专门制定了相关的标准JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》。

转子绕组匝间短路多与制造工艺不良有关。检修时，异物进入转子堵塞转子冷却回路，引起匝间绝缘过热，或金属屑进入转子匝间，刺穿匝间绝缘，也会间接或直接造成转子匝间短路。

1 匝间短路的判断

运行中，如果发现发电机汽励两侧的轴振突然增大，超出GB7064-2008《隐极同步发电机技术要求》中的规定时，应对振动的原因进行分析。通常，电气方面造成转子振动增大的原因就是转子出现了匝间短路。

转子匝间短路有明显的特征：转子的振动值与励磁电流有关，负荷不变，无功增加（励磁电流增加）时，振动增大；发电机机座台板、轴承座等处有磁化现象，情况严重的可以吸住大头针、扳手等导磁物品，此时，轴电压也往往比正常值明显增高，常常超出10 V的规定值。

如果发电机存在磁化和轴电压明显升高现象，证明转子匝间短路情况已经比较严重，继续运行有可能烧损轴瓦或大轴，需要立即停机处理。其它情况，需要对是否存在转子匝间短路现象做进一步的分析。

1.1 转子在膛内时的检查及分析

1.1.1 空载短路

当空载或短路曲线与历史曲线比较明显下移时，可以断定是转子存在匝间短路现象。只有匝间短路十分严重时（一般短路匝数在5%左右），才能从空载、短路试验曲线上反映出来，其结果只能作为判断是否存在匝间短路故障的参考[1]。

短路曲线是一条直线，用短路曲线分析比用空载曲线的准确度要高。

1.1.2 动态交流阻抗及功率损耗

动态交流阻抗及功率损耗试验是不停机测量转子有无匝间短路的最常用手段。

动态交流阻抗及功率损耗主要用于检查转子是否存在动态匝间短路现象，其标准在JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》中有比较详细的规定：“每隔300 r/min之间的阻抗差不得大于最大值的5%”[2]。

动态交流阻抗和损耗试验方法虽然应用得非常普遍，但尚不能用它直接判断转子是否存在匝间短路故障。有些采用松打槽楔工艺的转子，在某一转速下，阻抗及功率损耗常会有突变。

1.1.3 重复脉冲波形（RSO）法

重复脉冲波形（RSO）法是近年兴起的一种检测发电机转子匝间短路故障的新方法。其原理是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°的换相重叠，通过比较两条响应曲线的吻合度，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。如果两条曲线重叠度不佳，即判断转子存在匝间短路故障。

转子在定子膛内、外均可使用该方法进行检测。该方法操作方便，但目前没有相关标准，作为一种独立的判据有一定难度。图1是转子存在匝间短路时的测量波形图，可以看出两条曲线的重叠度不佳，在中部有不吻合现象。

图1 转子匝间短路时的测量波形图

1.2 转子在膛外时的检查及分析

当转子在膛内确认存在匝间短路现象时，仍需抽出转子，在膛外进行试验核实。

膛外的试验主要有直流电阻、转子交流阻抗和功率损耗、开口变压器、极间电压、匝间电差测量、动态微分波形法等方法。其中，动态微分波形法主要在制造厂使用，电厂则一般采用转子交流阻抗和功率损耗法作为常规的检测方法，当发现匝间故障后，再采用单开口变压器法确定故障所在槽数。

1.2.1 直流电阻测量

当转子出现匝间短路故障时，转子绕组的直流电阻值会变小。理论上，通过测量其直阻值的下降，可以判断转子是否存在匝短故障。但通常转子绕组的总匝数较多，而匝间短路的匝数较少，转子直阻下降很小，一般变化量小于1%，很难判断转子是否存在匝短故障；只有当短路的匝数较多时，直阻测量才有效，如某厂的发电机转子绕组有5处发生了匝间短路，其直阻值下降了7.1%。

直流电阻用来判断转子匝间短路的灵敏度很低，只适合作为判断有无匝间短路的辅助方法。

1.2.2 转子阻抗和功率损耗法

转子交流阻抗和功率损耗的测量，是判断发电机转子是否存在匝间短路故障的最常用方法。它具有操作简单，转子在膛内、外均可方便地进行测量的特点，因此，得到了广泛的应用，在《电气装置安装工程 电气设备交接试验标准》、《电力设备预防性试验规程》中都提及了该方法。

转子交流阻抗及功率损耗虽然是最常用的方法，但由于不同位置的匝间短路点对交流阻抗及功率损耗的影响程度不同，所以现有的标准《电力设备预防性试验规程》中只是规定“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”，并未给出可操作的判据，所以在实际使用中，其局限性比较明显。一般只有当阻抗下降10%，且功率损耗增加10%时才能初步确定转子存在匝间短路。通常，匝间短路对功率损耗的影响要比交流阻抗敏感得多，所以在判断匝间短路时，应侧重于功率损耗的变化分析。

1.2.3 极间电压法

当转子绕组发生匝间短路时，在交流电压下，短路线匝相当于变压器二次绕组短路，流经短路线匝的电流，约比正常线匝中的电流大n倍（n为一槽线圈的总匝数），它有强烈的去磁作用，会导致交流阻抗下降，且对转子绕组短路所在磁极的影响大于正常极。因此，对非水冷转子，转子绕组施加交流电后，分别测量两极线圈的压降并进行比较，其准确度要高于交流阻抗及功率损耗的测量。

目前，该方法已逐步得到推广，其判据在JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》中有明确的规定“两极线圈间的电压差不得大于最大值的3%”。

通常情况下，极间电压法的准确度较高，制造厂及电厂均把它作为主要的判断方法。从测量原理上可知，极间电压法也有其局限性，当两极绕组均存在匝间短路，且短路情况相近时，极间电压差别较小，此时无法判断转子是否存在匝间短路现象。

1.2.4 开口变压器法

开口变压器法分为单、双开口变压器两种方法，因其可以准确找到匝间短路线圈所在槽，而得到了广泛应用。

转子滑环上加入交流电后，在转子槽齿上会产生交变漏磁通。当开口变压器置于转子齿槽上时，交变漏磁通主要经过变压器的铁芯形成闭合回路，该磁通会在变压器线圈上产生感应电势。当某一槽内有匝间短路时，该槽内的短路电流会比较大，短路电流的相位与正常电流的相位相反，因此变压器线圈的感应电势相位与正常的相位值也相差较大，接近180°，短路线圈所在的另一槽相位变化情况也相同。单开口变压器是通过测量感应电势的相位变化来判断有无匝间短路。

当短路部位在线圈底部或转子有阻尼绕组时，该测量方法的准确性会受到一定限制。

双开口变压器法是将两个开口变压器分别置于转子不同的槽齿上，在其中的励磁变压器上加交流电，当线圈不存在匝间短路现象时，励磁磁通主要通过转子轭部闭合，测量电压器上的感应电势几乎为零；当转子线圈存在匝间短路现象时，短路线圈内感应电流产生的磁通通过测量线圈，起到助磁作用，测量线圈的感应电势会成倍增加，而转子绕组的感应电势会减少。通过测量每槽感应电势的变化并互相比较即可判断有无匝间短路现象。

通常双开口变压器的灵敏度要高于单开口变压器法，但操作复杂，电厂通常采用单开口变压器法进行试验。

1.2.5 动态微分波形法

在制造厂，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，其方法和判别标准在JB/T8446-2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》中有明确的规定。研究表明，动态微分波形法在膛外测量的灵敏度及准确度最高；转子在膛内时，短路试验时灵敏度比较好，其次，是空载试验；带负荷时，判断比较困难。因该方法需要在距离转子表面较近处或定子气隙距转子表面1/3处安装微分探测线圈才能进行试验，在现场应用受到一定限制。采用动态微分波形法的优点是可以发现动态匝间短路并确定匝间短路的槽号，这是其它方法无法做到的。见图2。

图2 正常转子的动态匝间短路波形

正常转子动态匝间短路波形中，波形的包络线呈下凹的圆弧状，两极及同极的波形都具有对称性，匝间短路时，包络线会出现下陷的缺口，该缺口对应的线圈槽处存在匝间短路现象。图3中所示的部位有匝间短路现象，其对应的槽数为3号、4号槽。

图3 匝间短路时的动态匝间短路波形

综上所述，在所有判断转子匝间短路的方法中，转子动态匝间短路波形测量的方法是最准确、全面的方法，它可以判断动静态转子匝间短路，也可以确定短路所在槽，但实施测量的条件要求较高，已投运的机组如不安装微分探测线圈，就无法进行检测；RSO法的测量效果也比较好，但需要专用的仪器，对测试人员的技术要求也较高；极间电压法的准确度比交流阻抗、空载短路曲线、直流电阻等方法要高，但在特殊情况下有误判，如能跟交流阻抗法配合同时使用，可以防止两极同时存在匝间短路现象，极间电压检测正常的极端情况出现，降低误判的可能性。因交流阻抗法与极间电压法的测量接线相似，建议将极间电压法、交流阻抗同时使用，作为常规的匝间短路检测方法。

2 匝间短路点的定位

当确定转子绕组有匝间短路情况出现时，需要拔护环进行处理。由于匝间短路大部分发生在汽励两侧护环下，提前判定匝间短路所在槽及具体的部位，不仅可以确定拔哪侧护环，减少检查的工作量，而且可以防止拔护环后短路点消失，无法处理的情况出现。

2.1 匝间短路所在槽的确定

确定匝间短路所在槽有开口变压器法及转子绕组电压分布两种。其中，转子绕组电压分布测量，是近些年采用的新方法。

目前，国内运转的100 MW以上汽轮发电机护环内侧都有一定的空间，可以看到转子绕组各槽的底匝线圈，这为转子绕组电压分布法的实施提供了方便。见图4。

图4 转子护环内侧结构图

转子绕组电压分布法是在转子滑环上施加交流电，用探针测量护环下相邻两底匝线圈间的电压差 （U12、U23、U34、U45、U56、U67、U78）。对 于正 常 转子，其两极绕组对应的电压差具有良好的重合性，每极的电压差值在0～2倍单槽线圈电压之间跳变。图5是正常情况下底匝间的电压差。

图5 正常底匝电压差分布图

匝间短路时，由于短路匝短路电流的存在，故障匝的电压值会发生显著的变化，短路匝与相邻匝的电压差会有明显降低。这样通过测量相邻底匝间压差，可以将故障线圈的范围缩小到电压异常值对应的两个相邻槽上。如图6所示。

图6 匝间短路时底匝电压差分布图

该方法判断匝间短路的准确度比极间电压法明显要高，其缺点是仍不能确定匝间短路的具体槽数及短路点。

2.2 槽内短路部位的确定

确定匝间短路所在槽后，要准确测量短路部位，还需要进行槽内的匝间电压差测量。测量匝间电压差时，一般在转子滑环上施加直流电。采用交流电时，电压差容易受电抗及短路环流的干扰，判断比较困难，通常不予推荐。

转子内冷（水内冷除外）的发电机，转子槽内线圈的匝间电压可以通过本体上的通风孔进行测量，这为精确判断匝间短路部位提供了方便。

槽内匝间电压差法的原理[3]如下：

在转子上滑环上加10%额定电流左右的直流电，测量匝间短路所在槽线圈相邻匝间的匝间电压。如转子存在匝间短路，短路匝流过的电流：式中：I为转子正常匝流过的电流；Rc为等效短路电阻；Rg为短路匝的内阻。

从图7可以看出，测量匝间电压时，未遇到短路匝前，上下两匝的匝间电压基本是恒定值，即线圈一匝的压降Un。当测量匝间电压的表笔一端与短路匝接触时，匝间电压测量值开始降低。减小的量ΔU与表笔接触到的短路匝上的测量点距C点（短路点）的距离Lr（沿电流方向）成正比。式中：Ln为短路匝线圈的长度；Un为额定的匝间压降。

图7 槽内匝间压降测量示意图

图中，C点为等效短路点，A、B点为短路匝上下两匝与C点径向的对应点。

从图8中，可以看出通过绘制测量曲线，找到最低电压点，即找到了匝间短路的位置。实践证明，该方法对仅有一处匝间短路的情况非常有效，当同一槽内存在多处匝间短路时，曲线交点的位置是等效短路位置，需要找到并处理其中一个短路点后，再进行测量。另外，在测量中需要了解转子绕组的绕向。

图8 匝间电压分布图

3 结语

通过对几种测量的方法比较，可以看出转子极间电压法配合交流阻抗的测量是判断转子有无匝间短路的最简单有效方法，在机组检修时，转子绕组电压分布法是灵敏度最高的一种方法。当确认转子存在匝间短路时，可通过开口变压器法查找短路所在槽，然后通过测量故障槽匝间压降来确认故障点。