发电机转子匝间短路故障分析及处理方法
【摘要】转子绕组发生匝间短路，严重者将影响发电机的安全运行。
因此，必须通过试验找出短路点，并予以消除，使发电机恢复正常运行。
本文以我厂的#2发电机匝间短路故障为例，综合应用多种方法，分析和判定了绕组存在的匝间短路故障。
【关键词】发电机；转子；匝间短路；分析；处理
一、发电机转子匝间短路的危害﹑原因及分类
当转子绕组发生匝间短路时，严重者将使转子电流增大﹑绕组温度升高﹑限制发电机的无功功率；有时还会引起机组的震动值增加，甚至被迫停机。
因此当发生上述现象时，必须通过试验找出匝间的短路点，并予以消除，使发电机恢复正常运行。
发电机转子绕组产生匝间短路故障的原因很多，归纳起来大致有：
1.结构设计不合理。
如匝间采用衬垫绝缘时，端部铜线侧面裸露，当运行中积灰和着落油垢后，会造成匝间短路。
2.制造工艺不良，如在转子绕组下线、整形等工艺过程中，损伤了匝间绝缘；或绝缘材料中存在有金属性硬粒，刺穿了匝间绝缘造成匝间短路。
（如铜线有硬块，毛刺都会损伤匝间绝缘。
）
3.运行中在电、热和机械等综合应力作用下，绕组产生残余变形﹑位移，致使匝间绝缘断裂﹑磨损﹑脱落或由于赃污等，造成匝间短路。
4.运行年久，绝缘老化，也会造成匝间短路。
转子绕组的匝间短路，按其短路的稳定性，可分为稳定和不稳定两种。
所谓稳定的匝间短路是指这种短路与转子的转速和温度等均无关。
而不稳定的匝间短路，则与转子的转速和温度等有关，也即在高转速、低转速、高温或低温时才发生短路，或者在转速和温度同时作用下，才能出现短路。
二、匝间短路故障的最初发现
在1997年，我厂#2发电机大修时，按规程规定，进行了转子规定项目的试验。
1.现行试验标准和规程规定，发电机在交接或大修时都应对转子绕组的直流电阻进进行测量。
用双桥法测得转子直流电阻Rdc= 0.3408Ω(注：已换算到20°C,以后的数值无特殊说明，均为已换算后的)，和历史数据相比，降低了0.23% 。
转子绕组存在匝间短路时其直流电阻会减小。
测量结果与基值或历次测量值比较有较大的变化时，应查明原因。
2.测量交流阻抗和功率损耗：发现所测结果和历史数据比较，交流阻抗和功率损耗也发生了变化。
而“测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗，与原始或前次的测量值比较，是判断转子绕组有无匝间短路比较灵敏的方法之一。
这是因为当绕组中发生匝间短路时，在交流电压下,流经短路线匝中的短路电流，约比正常线匝中的电流大n（n为一槽线圈总匝数）倍，其方向与正常匝的电流方向相反，它有着强烈的去磁作用，并导致交流阻抗大大下降，功率损耗却明显增加。
”(见《高压电气设备试验方法》296页)本次测量的交流阻抗比1991、1994年的值均下降8.7%，功率损耗增加了10.7%，变化明显。
3.分析：测量直流电阻,当转子绕组只有1-2匝短路时，其电阻变化很小,一般均小于1%，仅通过直流电阻的变化，不能确定是否有匝间短路。
故此方法只有
在短路匝数较多时方能奏效。
交流阻抗和功率损耗法因接线简便，测试的灵敏度较高等优点，而为现场广泛采用。
但此方法因受多种因素影响，常常降低其试验结果的准确度，如试验时施加电压的大小，转子所处位置﹑电源频率﹑短路点接触电阻及短路线匝在槽内所处位置等。
虽然我们已经在试验中将这些因素的影响缩减到最小程度，但此法也不足以最后判定是否存在着匝间短路。
为了进一步确认是否有匝间短路，使用了功率表向量投影法和相位法，结合这两种方法进一步综合判断。
4.功率表向量投影法：单开口变压器原理是，对转子绕组施加交流电压，则形成转子绕组相当于原绕组，开口变压器的绕组相当于副绕组的感应系统。
如被测转子线槽无匝间短路，则同一极面下各槽测得的感应电势和相位应基本相同。
试验时，对转子绕组滑环施加电压后，将单开口变压器BsBs在转子本体槽齿上逐槽移动，在每一槽齿上将Bs所测得的电流通入功率表W，并用开关K切换三次不同的线电压至功率表，测得三个功率值，然后将其投影在对称平衡的三相线电压相量图上,分别在各电压向量上取值，并做出垂直于相应电压向量的垂线，三垂线相交得P点，OP即为所求的该槽线圈的综合向量, 绘出转子绕组各槽线圈的综合向量。
当转子绕组无匝间短路时，各槽线圈的综合向量的幅值和相角基本一致，若某槽线圈有匝间短路时，则该线圈的幅值和相角将发生变化。
据此，分析各槽线圈的综合相量，即可判断转子绕组有无匝间短路。
转子绕组第10槽和第23槽属同一匝，所做的向量与其他槽相位比较发生了较明显的变化，说明第10、23槽存在匝间短路。
5.相位法：开口变压器感应电势的数值和相角，在线圈有匝间短路的对应槽会有变化。
相位角的获得采用了双踪示波器，转子加压为100v，为消除干扰，使用了保护隔离变压器(220v/
6.3v)。
由实验数据分析，转子绕组第10槽和第23槽属同一匝，所测数据及幅角与其它槽正好相反，说明存在匝间短路。
6.综合分析：综合以上测试结果，确实存在匝间短路。
“转子绕组匝间短路对发电机来讲是一种常发性的缺陷，对有些机组来讲，存在轻微性的匝间短路故障，并不影响机组正常运行。
”通过对直流电阻、交流阻抗、功率损耗测试结果的定量分析，并考虑未影响发电机的出力的实际情况。
分析认为，匝间短路并不严重，可以继续使用，但在运行中应加强监视。
经请示领导同意，决定继续运行。
三、匝间短路故障的最终处理
到了2002年，发电机经过了5年的正常运行，未发现重要数据的明显变化，说明最初的分析基本正确。
2002年5月，#2发电机组要进行大修。
利用此次大修，找到并根除#2机转子绕组的匝间短路故障。
大修前，我们继续分别测量了直流电阻﹑交流阻抗﹑功率向量投影﹑和相位角，从所测得的具体数值发现，匝间短路有进一步恶化的迹象。
在厂家（哈尔滨汽轮机厂）来人的指导和配合下，取下了转子两端的护环，想先通过测量交流分包压降，再一次确定匝间短路的具体匝数。
测分包压降前，测量外环对极中间连线整体电压降为103v,内环对极中间连线整体电压降为109v。
我们发现，本应基本相等的数据出现了6v的差值,匝间短路很可能出现在外环对极中间部分。
分析数据可以看出，因长度的不同，从小包到大包，电压呈现均匀增大的趋势，但对应的23-10槽，电压数却出现了异常减小，这和我们在1997年所做出的结论完全一致。
最后，采用直流压降计算法，找到了准确的匝间短路位置。
直流压降计算法，是应用欧姆定律的基本原理导出的计算短路点的公式。
取下转子一端的护环，给转子绕组通入恒定的直流I ，然后在有匝间短路的线圈上，测得每匝的电压U11﹑U22﹑U23 值等，并测量无匝间短路的线圈电压U。
根据《高压电气设备试验方法》第316页文章所述，“（1）短路点在测量的另一端的端部线圈上时，则测量的电压中有两个接近的较小值，其他的电压值基本相等；若短路点在端部线圈的弧线中点时，则两个较小的电压值趋于相等。
（2）当短路点在槽部时，测量的电压值中有两个低于正常电压值的大小值。
大小值相差的程度与短路点在槽部的位置有关，若短路点越靠近测量端，则两者的差值越大；越靠近另一端则两者的差值越小。
”
根据计算结果，在第10槽中的第18﹑19匝之间（每包共19匝）的汽侧槽口处存在着匝间短路。
按计算结果，检修人员在第10槽离槽口8cm处找到了故障点。
四、匝间短路的消除﹑结论
在厂家的配合下，对所判定的位置进行了重包绝缘。
重包绝缘后又重新测量了交流分包压降，各包的变化趋势正常，说明匝间短路已消除。
检修人员回装了护环。
回装护环后，转子回装前，再一次测量了各项数据：
1.用双桥法测得直流电阻R20= 0.3412Ω，比1997年增大0.4%，和1994年数据基本吻合。
2.从新测得的交流阻抗看，数值和1997年比有了明显增大，和故障前的1994年数据基本吻合。
3.重新使用功率表向量投影法﹑相位法进行了回检，从数据结果上看，原有缺陷已不复存在，数据就不再这里赘述了。
综合分析各试验数据，可以判定，匝间短路已经消除，此次匝间短路消除工作作取得了圆满成功。
参考文献：
[1]《电气设备交接和预防性试验规程》华北电力集团公司.
[2]《高压电气设备试验方法》西南电业管理局试验研究所.
[3]《高压试验培训技术与考工试题》水利电力出版社.
[4]《高压电气设备试验方法及诊断技术》电力工业部。
