功果桥水电厂3号发电机转子磁极匝间短路故障排查及处理

1功果桥水电厂3号发电机转子磁极匝间短路故障排查及处理华能澜沧江水电股份有限公司苗尾·功果桥电厂王平安王强赵磊摘要：磁极是水轮发电机的重要组成部分，也是转子产生磁场的主要部件。由于在发电机运行时处于高速转动状态，其不仅承受转动产生的离心力还要承受由于磁力及发热等多重因素引起的损伤，故而磁极在长时间运行后容易发生故障。磁极在生产维护过程中由于加工工艺的原因，如绕组表面不光滑、安装时调入异物、绝缘不合格等都会引起磁极的匝间短路故障。本文主要论述功果桥电厂225MW水轮发电机发生磁极匝间短路故障的排查及处理方法。关键词：磁极、匝间短路、耐压试验、故障检测、故障处理1设备情况概述功果桥水电厂安装4台225MW由东芝水电设备（杭州）有限公司制造的水轮发电机组，水轮发电机型号为SF225-64/14700，转子额定电压410V，每个转子共64个磁极。2015年3月4日专业组人员对3号发电机转子开展预防性试验工作时，发现7#、19#、26#磁极存在匝间短路情况。汇总检查情况如下：1.1采用交流阻抗法对磁极损耗及阻抗进行检查经检查18#、20#、8#、6#磁极在电流为20A、15A、10A、5A时的交流阻抗值、损耗值、电压、电流值均相差不大，详见下表：表1：6#、8#、18#、20#磁极数据：磁极电压（V）电流（A）损耗（W）阻抗（Ω）6#16.7720.2943.840.826611.9314.5221.880.82228.35510.29.8540.81884.3875.3592.5540.81978#16.8220.0943.650.837212.8015.3425.250.83458.35510.0910.100.82724.2905.1402.3800.830318#16.2320.0844.050.808712.3615.3625.440.80618.21810.2311.130.80324.1955.2732.7870.802020#16.920.1846.20.837312.7415.2726.280.83488.42710.1511.310.8294.3505.2472.9240.82952由上表数据可以看出正常磁极的交流阻抗各项数值均稳定在恒定的数值范围，其电压、电流、损耗和阻抗均有规律可寻。表2：7#、19#、26#磁极交流阻抗试验数据如下：磁极电压（V）电流（A）损耗（W）阻抗（Ω）7#6.09620.0630.990.30394.55014.9716.920.30382.9559.6966.8130.30441.2784.0831.0490.312419#5.87020.8367.700.25333.59714.4231.430.24912.14010.6616.800.24781.2715.1133.8200.248726#10.1420.89125.50.47378.06315.0174.460.55396.35110.0336.450.62803.0814.949.0590.6277由上表数值并结合发电机转子交接试验，在相同电流20A、15A、10A、5A时，7#、19#、26#磁极的电压值较正常数值均偏小，且19#、26#磁极损耗值明显增大，符合磁极线圈匝间短路的特点。1.2磁极匝间短路故障的危害磁极的故障会影响到转子磁场的分布，从而导致转子磁通不对称，引起转子磁力不平衡，进一步引发机组振动。同时由于磁极匝间短路也会引起机组无功出力降低，励磁电流升高，从而引起转子温度升高、定子电压波形变坏等危害，为机组的安全运行埋下隐患。以发电机处于空载态的情况为例进行分析，当磁极发生匝间短路时，由于磁极线圈匝数Ｎ减少，磁极的直流电阻减小，励磁电流Ｉ增大，但由于励磁电流Ｉ增大量百分比小于磁极线圈Ｎ减小量百分。由公式：Ｆ＝ＩＮ①Φ=F/Rm②E0=4.44f·N·K·Φ③注：F为转子磁极磁动势，I为转子电流，N为转子线圈匝数，Φ为每极磁通量，Rm为磁极磁阻，f为电压频率，K为绕组因数，E0为定子电动势。当发生磁极匝间短路时，由公式①得磁极磁动势F降低。由于磁通回路不变磁阻Rm不变，公式②得磁通量Φ减小。公式③中f为常数，K可视为不变，故可以得出由于线圈匝数N减小，磁通Φ减小，则定子电动势E0降低，定子电压降低。为使定子电压恢复额定值，励磁系统会通过增加励磁电流。励磁电流的增加使转子发热增加。同时由于短路磁极对两端磁极的线圈匝数不相同，使发电机磁通不平衡，两端磁极所受电磁力矩不平衡，可能引发机组振动、磁极绕组松动等不利因素。以下针对转子匝间短路故障排查及处理进行论述。2故障点查找由于磁极线圈的直流阻抗比较小，在磁极线圈发生匝间故障时直流电阻变化很小，故直流测试不3容易发现其匝间短路故障。当通入交流电压时由于匝间段路是有效线圈匝数减小和短路电流的去磁作用，磁极发生匝间短路时其交流阻抗会减小，功率因素增大，功耗增加，则可以说明磁极存在匝间短路的故障，需要进一步处理。如下图1所示，为磁极线圈示意图，在确定绕组为匝间短路故障后，首先查看绕组有无明显的烧焦等痕迹。图1：磁极线圈示意图从故障磁极两侧加200-300A的交流电流，使用红外线热成像仪对磁极线圈进行观察，会发现故障磁极短路点温度特别高（见图2、3、4），用记号笔记下发热位置，待后续处理。图2：7号磁极通交流电后的温度热成像图3：19号磁极通交流电后的温度热成像绕组匝间绝缘缘1243俯视图主视图4图4：26号磁极通交流电后的温度热成像3故障处理确定短路点后，开始磁极故障处理工作，把磁极线圈与铁芯进行分离，把磁极线圈置于空旷处然后按以下步骤处理：3.1磁极背部故障点处理(1)处理磁极背部短路点时，需要将磁极铁芯与线圈接触部分的硅胶清除，以便在后续处理中使线圈容易被撬开。图5：磁极硅胶清除(2)对故障点左右十公分的线圈使用专用工具轻轻的撬开，使两层线圈分离至可以看见内部故障点或可以有处理层间绝缘的空间，大概分离的厚度为5mm。硅胶5图5：磁极线圈故障点分离(3)在故障点线圈两侧使用专用工具支撑住线圈，并使用裁纸刀和0.5mm厚度的环氧板对线圈层间的绝缘进行清理，必要时可以使用吹风枪吹出线圈内部的残留物。图6：磁极线故障点绝缘圈清除(4)对故障磁极再次做交流阻抗试验，以验证是否故障点被清除，若试验数据恢复说明可继续进行后续处理，若试验数据仍然有问题，则需重复第三条步骤，直至试验合格。(5)将故障点处的绝缘清理干净后，使用特制的绝缘纸重新处理线圈层间的绝缘，并在绝缘纸内侧涂以环氧树脂胶（环氧树脂+固化剂1:1配比，可加适量石英粉）。6图7：磁极匝间绝缘处理(6)将涂好环氧树脂的绝缘纸对折后沿线圈内侧均匀塞入，确保绝缘纸平整的塞入线圈内，所有处理过绝缘的地方均需要重新置入新的绝缘纸。图8：磁极匝间绝缘处理(7)对已塞入绝缘纸的线圈，使用环氧树脂条再次在线圈内部均匀涂一层环氧树脂胶，使线圈与绝缘纸能够很好的黏合。7图9：磁极匝间绝缘处理(8)线圈绝缘处理完毕后，在线圈撬开部位的磁极两侧使用千斤顶压紧处理，待24小时环氧树脂胶完全干透后再取下千斤顶。图10：磁极匝间绝缘压紧固化(9)磁极两侧压好千斤顶后，使用热风枪和裁纸刀对多余的绝缘纸进行修整，并擦掉多余的环氧树脂胶。(10)取下千斤顶后对之前处理掉的硅胶（铁芯和线圈间空隙）进行密封处理。(11)对处理完成后的磁极进行绝缘电阻、直流电阻、交流阻抗及交流耐压等试验，试验合格后可吊装磁极。3.2磁极正面故障点处理若磁极线圈故障点在磁极正面，则需对磁极进行翻身处理。(1)对翻身后的磁极故障点线圈两侧使用千斤顶压紧处理，使线圈与铁芯能够较好的分离，压紧至线圈两侧稍微翘起即可。8图11：磁极正面故障点处理(2)处理步骤同以上第2条至第11条。3.3注意事项(1)使用千斤顶压紧时两边需同时用力，保持平衡。(2)使用铁块压紧线圈时可在铁块底部垫一层白布，使其受力均匀。4处理效果经对撬开的磁极线圈进行检查，发现19号磁极19-20线圈之间绝缘纸有灼黑的情况（7号、26号未发现明显痕迹），结合交接试验数据报告分析，磁极线圈短路原因为磁极制造时线圈之间存在毛刺等物质，交接试验时层间绝缘未破坏，试验结果合格。在机组投运后，运行中机组振动等原因使毛刺破坏层间绝缘材料，导致发生磁极层间短路情况。对处理后的7#、19#、26#磁极进行交流阻抗及直流电阻、交流耐压试验，其数值已恢复出厂值。磁极电压（V）电流（A）损耗（W）阻抗（Ω）直阻（mΩ）绝缘电阻（GΩ）交流耐压（2000V）7#9.51219.1918.010.50022.60486.51min通过2.4604.9871.12820.493319#10.4420.4419.100.51072.59975.71min通过92.4134.7921.1520.503526#9.41519.1416.280.49132.55591.31min通过2.4425.0231.2240.4862结束语：磁极的匝间短路严重危害发电机的安全稳定运行，对转子绕组绝缘造成损伤，影响发电机电压波形，有可能产生机组振动等不良因素。采用交流阻抗法对于发电机匝间短路故障进行检查，简便易行；对故障磁极通入200-300A的交流电流并根据热点可准确确定故障点位置。在处理磁极故障时，需注意施工工艺要符合要求，减少因处理工艺造成的缺陷。对3号发电机转子磁极匝间短路进行处理后，根据预防性试验规程对磁极进行相关的试验，结果均满足《DL/T596-1996电力设备预防性试验规程》要求，证明该缺陷已消除，验证了我们处理方法及技术的科学性及有效性。参考文献及资料[1]赖广栋“电站中转子磁极铁芯更换检修法的技术探讨”《广东科技》2008(3):116-117[2]朱洪雷“水轮发电机磁极线圈匝间短路检查及处理”《防爆电机》2012年第3期[3]胡虔生胡敏强《电机学》中国电力出版社2009-7-1[4]GB50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准[5]DL/T596-1996电力设备预防性试验规程———————————————————————————————————————————作者简介:王平安、工程师职称、华能澜沧江水电股份有限公司苗尾·功果桥水电厂、邮编：672708、从事水电厂电气维护工作