整理5同步发电机的故障点查找.docx

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整理5同步发电机的故障点查找

同步发电机的故障点查找

广西电科院落陈志高

1发电机定子接地点或相间短路点的查找方法

1.1高阻性接地故障点的查找

接地电阻视不同情况可能在几kΩ～几十MΩ以上，可根据不同情况采用以下方式进行查找。

1）兆欧表法

采用兆欧表查找故障点时，必须是兆欧表的电压足以使故障点击穿。

可根据实际情况选用不同电压等级的兆欧表。

当故障部位是在槽外时，可以通过故障部位的放电声和放电火花确定故障部位。

2）高压直流法

其原理与兆欧表法相似。

接线方法与一般直流耐压试验相同，但要在高压输出回路中串接限流电阻，防止直流发生器过载。

3）高压脉冲法

利用电容充电和放电间隙产生高压脉冲，脉冲的幅值以及间隙的放电电压应大于故障点的击穿电压，通过故障点的放电声和火花确定故障点。

试验接线如图1.1，通过调整限流电阻R的阻值和充电电压可以调节脉冲的频率，调节间隙的大小可以调节放电电压。

图1.1高压脉冲法接线图

4）高压交流法

这种方法是利用高压交流电压将故障点击穿并流过一定的电流，由于电流的热效应使击穿点绝缘烧焦冒烟，根据冒烟部位确定故障点。

试验接线与常规交流耐压法相同（不宜采用谐振法），在试验回路中串接限流电阻或电抗器防止电流超过5A。

由于绝缘已经击穿，所能施加的电压一般都不高，应以击穿电压的大小来估算限流电阻值或限流电抗值。

1.2低阻性或金属性接地故障点的查找

当故障点已经形成低阻性或金属性接地时，用上述方法一般不能查出故障点，此时可以偿试以下查找方法。

1）低压交流法

低压交流法也是利用电流的热效应使故障点的绝缘烧焦冒烟，通过冒烟点确定故障点。

试验接线如图1.2。

调压器的容量在2kVA左右即可，限流电阻可用1～2kW的电炉丝或碘钨灯代替。

采用碘钨灯时因冷态电阻很小，施加电压应从零开始平缓上调，施加电流不宜超过5A，因加热功率较小，加压时间应适当加长。

图1.2低压交流法

2）开口CT或开口变压器探测法

图1.3开口CT探测法

其接线方法与低压交流法相似，如图1.3所示。

在正式试验前必须先根据电机的定子绕组接线图确定故障相所属的槽号和端部绕组，并做好标记。

查找时，调节调压器，使回路电流在0.5～1A左右，然后用开口CT或开口变压器探测绕组槽部或端部的感应电流或电压，当电流或电压突然变小时，就是故障点所在线圈的位置。

为了准确确定故障点，可以分别从出线端和中性端加压，根据两次探测结果定位故障点。

这种方法也可在高压交流法中应用，但是由于接地电阻太大时，接地点后面的绕组仍然会有电容电流，接地电阻大到一定程度时，接地点前后的电流或电压变化就会不明显，造成判断困难。

这种方法特别适用于金属性接地的情况，并可以采用较小的试验电流，可以有效地防止次生损害。

开口CT需自制，二次绕组为数十匝至数百匝左右。

缺点：

①对于大型水轮发电机来说由于槽数和支路数多，需要耗费大量的时间来标定各槽线棒所属相别和支路；②当接地电阻太大时，接地点后面的绕组仍然会有电容电流，造成判断困难；③当接地点位于定子以外时，可能有的部位无法探测到。

3）直流压降法

直流压降法在转子接地故障点的查找中应用较多，试验原理见2.2节转子接地故障点的查找1）直流压降法。

可以利用压降法初步确定接地点的大致位置。

例如，当U1为零时，说明故障点位于电机定子的出线端。

1.3定子相间短路点的查找

发生相间短路时,可将其中一相当作“地”，采用查找接地点的方法进行查找。

2发电机转子接地故障点的查找

2.1转子接地故障概述

按接地故障的特点，可以分为以下几类：

1）高阻性接地，

2）低阻性接地或金属性接地；

3）稳定接地，转子接地与其它因素无关；

4）不稳定接地。

不稳定接地又分为以下几种：

a.在高转速下才出现接地，这种接地与离心力有关，接地部位通常发生在外圆，如护环下或槽楔下或外圆的引线等；

b.在低转速下出现接地，高转速下接地现象消失，这种接地往往发生在槽底或靠近内圆的部件，这种接地故障的查找与稳定接地相同；

c.温度升高后接地，这种接地与转子绕组的热膨胀有关，多发生在绕组的端部；

d.接地的出现与转速和温度的升高均有关，故障部位多发生在靠近外圆的端部绕组。

2.2转子接地故障点的查找

1）直流压降法

对于转子接地可在运行情况下出现接地时分别测量正滑环和负滑环的对地电压U1和U2及正负滑环间的电压U；对于定子接地或转子稳定接地故障，可在停机状态外加直流电压进行，推荐使用变压器直流电阻测试仪或开关回路电阻测试仪的大电流档作为试验电源，用数字万用表直流毫伏档测量电压，如图2.1所示。

图2.1直流压降法示意图

经推导后有如下关系：

（2.1）

（2.2）

当接地电阻R较小，而且电压表内阻足够大时，U1+U2≈U

式中，X、X1、X2可根据实际情况定义，可以是磁极数，也可以是匝数，还可以是长度。

例：

某水轮发电机转子共有96个磁极，转子出现接地时，测量得U1为30V，U2为60V，求接地位置。

解：

此时X=96，根据式（2.1）计算：

即：

接地点位于距正滑环32～33个磁极之间。

如果确定了接地的磁极，也可以用同样的方法确定接地点位于那一匝，此时直流电压加在单个磁极的首尾端，X为磁极的总匝数。

其优点是所加电压很低，在应用时比较安全。

在转子接地故障点定位中还可以测量各磁极的对地电位进行较准确的定位。

这种方法的缺点是容易受接头电阻和端部连接线的影响，如果接头电阻太大或端部连接线太多，会产生较大的定位误差；对于多点接地，压降法所计算的结果可能是一个虚假的接地点。

2）兆欧表或高压直流法

对于高速和高温下才出现的转子接地，说明故障部位与地之间间隙很小，在高电压下有可能会击穿放电。

通常测量转子的绝缘电阻采用500伏的兆欧表，查找故障点时可用2500伏兆欧表，或用直流发生器升压。

应注意的是，所施加的直流电压不宜大于10倍额定励磁电压。

在加压时，如果故障点击穿（泄漏电流增加或绝缘电阻上不去），可根据放电声和火光判断故障点。

3）零电位探测法

主要应用于转子接地故障定位。

对于水轮发电机，可按图2.1接线，用电压表测量各个磁极绕组对地电压，当磁极电压最小且前后磁极的电压极性反相时，该磁极就是接地的磁极，用同样的方法还可以定位接地故障位于那一匝。

对于汽轮发电机转子，因探测不到转子绕组，可反过来在大轴上通直流电流，用高灵敏度的检流计或微伏表探测转子绕组对大轴表面的电压，当检流计的读数最小时，就是转子绕组接地的部位。

为了提高灵敏度，电流的大小通常在几百安以上。

测量原理见图2.2。

4）分段法

当转子存在多点接地时，用压降法计算出来的接地位置是虚假的，此时可将转子绕组分段，结合压降法逐段排除。

图2.2零电位判断法

3发电机定子绕组匝间短路故障查找

3.1概述

发电机定子线圈有圈式和棒式结构。

大型发电机通常为棒式线圈，而且每个线圈子只有一匝，所以不存在匝间绝缘，但是这类电机也有匝间短路保护装置，不过这里指的匝间绝缘实际上是上下两层线棒间的绝缘或者是多支路电机的支路间的绝缘。

中小型电机里通常会采用圈式线圈，而且每个线圈可能会有几匝，这种线圈就存在真正意义上的匝间绝缘。

3.2定子线圈匝间短路的危害

定子线圈存在匝间短路时，就会在被短路的线圈里产生短路电流，并在较短的时间里将线圈绝缘烧毁。

运行中的发电机发生匝间短路时，由于主绝缘被破坏，有可能引发单相接地故障，严重时可能会引发相间短路故障。

3.3定子线圈匝间短路的检查方法

3.3.1冲击电压法

图3.1冲击法原理图

在被试线圈上施加冲击电压，线圈的电抗和电路的电容决定了振荡频率。

当线圈存在匝间短路时，电抗值变小，损耗增加，振荡频率增加，而且衰减时间缩短。

冲击电压法也是多匝线圈进行匝间耐压的主要试验方法。

图3.2冲击法的电压波形

3.3.2开口变压器法

测量原理见图3.3。

开口变压器与定子齿、槽间形成一个完整的变压器。

当定子线圈匝间绝缘良好时，相当于变压器的副边绕组是开路的，此时开口变压器呈现较大的电抗值。

当定子线圈存在匝间短路时，相当于变压器副边短路，一次绕组电流增加，开口变压器呈现较小的电抗值。

所以可以通过测量开口变压器的输入电流来判断是否存在匝间短路。

图3.3开口变压器法原理

采用开口变压器检查匝间短路故障时应注意：

1）对于Δ接法的发电机，应打开一个连接点，使线圈不能成为闭合的回路。

2）对于多支路的电机，应打开各支路的并联点使线圈不能成为闭合的回路。

3）当检查到某槽线圈存在匝间短路时，还需要检查上下层线圈另一边所在的槽。

如图3.3中，当A槽有问题时，应同时检查B槽和C槽，以判断是上层线圈还是下层线圈。

4）开口变压器离开定子槽时电抗值变小，电流增加，应注意不要长期通电，或选择合适的电压值使开口变压器的绕组电流不超过允许值。

4转子绕组匝间短路故障查找

4.1转子匝间短路的表现

转子匝间短路故障通常分为静态匝间短路和动态匝间短路。

动态匝间短路故障的出现有些是与转子转速有关，有些是与励磁电流有关，有些与温度有关，有些则与几种因素同时有关。

转子匝间短路主要造成以下危害：

1）由于磁场不平衡造成发电机运行时振动变大。

由于转子产生的磁场与励磁电流成正比，所以由于转子匝间短路引起的振动与励磁电流有关，通常是励磁电流越大振动越大。

但是如果匝间短路所产生的不平衡磁拉力如果正好与原来的不平衡力相反，有可能在某一范围内随着励磁电流的增加而减小。

2）由于发热不平衡造成发电机运行中振动变大。

对于汽轮发电机，如果匝间短路较为严重，就会造成单边磁极发热不均匀，由于转子本体两个半圆沿轴向的热膨胀不一致导致大轴弯曲，从而引起振动。

这种振动与发热有关，除了与转子电流有关，还与运行时间有关，当转子电流增加后，振动幅度将延迟一定时间逐渐增加。

3）由于转子励磁电流为直流电流，所以不会在被短路的线圈中感应短路电流，但是由于匝间短路点的接触电阻所引起的功耗可造成短路点发热并烧焦转子绝缘，还可能会同时引发转子接地故障。

4）可造成发电机的额定励磁电流增加，或在同样的负荷条件下励磁电流增加，转子温升增加，限制机组的无功功率输出。

4.2常规检查方法

检查转子绕组是否存在匝间短路问题，常规试验方法有以下几种：

1）交流阻抗和损耗测量。

水轮发电机通常测量单个磁极的压降，当存在匝间短路时，交流阻抗下降，损耗增加。

2）空载特性试验。

当存在匝间短路时，同一定子电压下励磁电流增加。

3）短路特性试验。

当存在匝间短路时，同一定子电流下励磁电流增加。

4）直流电阻测量。

当存在严重的匝间短路时，直流电阻减小。

4.3静态转子匝间短路故障的查找

4.3.1测量单开口变压器的感应电势和相角

图4.1单开口变压器检测原理

正常情况下，转子槽的漏磁通与主磁通相位基本相同，所以开口变压器所感应的电势U2与电源电压U1的相位差φ较小；而当转子存在匝间短路时，由于短路电流的作用，相位差φ增大。

所以可以根据相位差增大的现象和U2变化来判断匝间短路位于那一槽。

单开口变压器法的检测灵敏度受以下因素的影响：

1）匝间短路电阻的影响：

接触电阻增加时，短路电流变小，影响也变小，所以检测灵敏度变低。

2）匝间短路位置：

当短路点位于槽底时，短路电流产生的漏磁通基本上都走槽内，所以开口变压器检测灵敏度下降。

3）当槽楔为金属材料或磁性材料时，对槽漏磁起到电屏蔽或磁屏蔽的作用，所以开口变压器的检测灵敏度下降。

4）阻尼绕组的影响：

阻尼绕组相当于一个上层短路的绕组，它所产生的磁场也会对检测结果产生影响。

5）开口变压器铁心与转子本体的接触情况：

接触不好时，所存在的气隙也会影响检测的准确性。

4.3.2双开口变压器法

图4.2双开口变压器原理

双开口变压器法是将两个开口变压器分别置于同一个线圈两个边的齿槽上，其中一个开口变压器作为激磁，另一个作为测量，测量时应将励磁引线拆开。

当存在匝间短路时，激磁变所产生的磁通就会在短路线圈中产生短路电流，而短路电流所产生的磁场就会在测量变压器中感应出电压。

如果不存在匝间短路，测量变压器基本上没有电压输出。

4.3.3匝间短路点的计算

图4.3匝间短路点的计算

匝间短路点的计算采用直流压降法进行。

匝间短路点通常发生在两匝之间，特殊结构的匝间短路可能会短路多匝（例如图4.3中如果A、D两点短路就会短路3匝线圈），用直流压降法仅考虑两匝之间的短路。

显然，发生两匝之间的短路时，连续测量三匝的匝间电压时，总会有1匝是正常的匝间电压U。

因为电压降与电流及导体的长度成正比，在图4.3中，假定一匝线圈长度为L，测量点至短路点的距离为LX，IK为短路点电流，可列出以下方程组：

解方程组可得：

（4.1）

4.4动态转子匝间短路的查找

4.4.1测试原理

采用微型线圈或导线段探测转子槽中的磁通变化，并采用微分电路突出磁通的变化率。

图4.4转子动态匝间短路的检测

图4.5转子动态匝间短路检测波形

5故障定位实例

5.1定子故障定位实例

（1）广西钦州电厂2号发电机定子接地故障点定位

2010年10月，钦州电厂2号发电机在进行出线室冷却改造后进行交流耐压时A相发生击穿。

该发电机定子共有42个槽，并联支路数为2，每支路有14根线棒，A相两个支路的线棒槽号见表1，线棒的连接以A1支路为例为：

10下→35上→9下→34上……。

在用脉冲法定位时，29号槽上层线棒槽口处有火花及响声，因而怀疑该处为击穿点。

然而，当我们用输出50A的变压器直流电阻测试仪从A、X端通入电流（A端接正极）时，测量A端对地电位为29.4mV，X端对地电位为45.6mV，A、X电压为75mV，估算接地点位置为：

电位法计算结果说明接地部位应在距A端第6个线棒上，如果是A1支路应为8号槽下层线棒，如果是A2支路应为27号槽下层线棒，这一结果与脉冲法的定位结果不符。

最后是采用低压电流加热法确定故障部位为27号槽下层线棒，与电位法相吻合。

在整个查找过程中，故障点的接地电阻并不稳定，在130Ω～8kΩ之间波动。

表5.1钦州电厂2号发电机A相线棒所属槽号

本次故障点定位暴露了脉冲法的缺点，有火花放电的地方不一定是接地点。

（2）广西金牛坪电厂2号发电机定子接地故障点定位

（2）综合规划环境影响篇章或者说明的内容。

2010年1月，金牛坪电厂2号发电机运行中发生B相接地故障，接地电阻约为1MΩ左右。

检修人员施加1.6kV电压保持电流为0.2A后用开口CT查找故障部位，根据开口CT二次感应电流判断接地部位可能是123号槽上层线棒，然而当从B相中性端加2.74kV电压保持电流为0.38A复测时却无法确定接地部位。

后来改用高压电流加热法，当电压升高到6kV时击穿放电，接地故障部位实际上是发电机出线母排的绝缘支架。

本次接地故障定位暴露两个问题：

①接地故障点位于定子以外，采用开口CT探测定子内部的电流变化是查不到接地点的；②所施加的电压尚未达到击穿电压，高压侧电流实际上是绕组的对地电容电流而不是接地电流，即使故障点位于定子内部，同样也不能定位接地部位。

（6）对建设项目实施环境监测的建议。

（3）广西桥巩电厂2号发电机定子接地故障点定位

（1）规划实施后实际产生的环境影响与环境影响评价文件预测可能产生的环境影响之间的比较分析和评估；2008年12月，桥巩电厂2号发电机在安装前的直流耐压试验中B、C相击穿，C相击穿点位于槽口很快得到定位，而B相击穿点位于槽中无法确定部位。

我们用高压脉冲法试验时，由于现场噪声太大，加上定子圆周的回音干扰，无法准确定位放电部位。

由于是高阻性接地，改用10kV升压器串限流水电阻的方法对B相通入1A左右的电流加热，故障点很快冒烟并确认。

（4）广西田东电厂2号发电机定子接地故障点定位

2007年12月26日田东电厂2号发电机A相在运行中发生接地故障，接地电阻为0.2MΩ，抽出转子后，用兆欧表和直流发生器检查时，均可以听到明显的放电声，接地部位为上层线棒槽中位置。

5.2转子接地故障定位实例

（1）广西天生桥2级电厂4号发电机转子动态接地故障定位

1999年1月3日，天生桥2级电厂4号发电机（转子磁极数为30个）在开机时约80%额定转速时出现转子接地故障。

电厂试验人员实测接地电阻为10Ω，采用分段法确定故障点位于6号磁极，接地电阻为0.2MΩ，由于当时负荷紧张，4号发电机投入两点接地保护后继续运行。

1月30日用励磁机对转子加上120V的直流电压，测量上滑环（与1号磁极连接）对地电位为44～53V，平均值为48.5V；下滑环对地电位为66～77V，平均值为71.5V，估算故障位置：

（3）是否符合区域、流域规划和城市总体规划。

计算说明故障点大致位于#12～#13磁极之间。

1.环境总经济价值的构成为了确定故障部位，我们在旋转状态下再次用分段试验法最后确定6号、12号磁极均存在接地问题，6号磁极接地电阻为0.2MΩ，12号磁极接地电阻约为1Ω。

此次故障点定位主要有两个经验：

①电厂人员用分段法查出6号磁极存在高阻接地后以为这是唯一的故障部位，并允许机组带病运行，而从接地电阻为低电阻以及电位法的指向都表明12号磁极是重点怀疑对像，如果6号磁极在运行中形成金属性接地，就有可能造成严重的两点接地事故；②当存在两点接地时，用电位法计算的部位将靠近接地电阻较小的部位。

（2）广西龙滩电厂1号发电机转子动态接地故障点查找

2007年6月12日龙滩电厂1号发电机在负荷超过500MW时转子出现一点接地故障，负荷只能维持在470MW以下。

在停机状态用1000V摇表测得各部份绝缘均合格。

根据接地故障的出现与负荷有关的特殊情况，我们分析认为转子绕组故障部位在静态下与接地部件之间只有很小的间隙，建议龙滩电厂提高试验电压进行查找，以不超过10倍额定励磁电压为限。

龙滩电厂试验人员改用2500V摇表测量时绝缘电阻值在0.3兆欧～0.7兆欧之间跳变，且在转子支架体内有放电声，接地部位在励磁引线负极与主力筋之间，并有明显的放电烧焦痕迹。

5.3转子匝间短路故障查找实例

1997年，合山电厂#6机组出现异常振动情况，当发电机的有功功率超过70MW后，振动开始加剧，振动幅值随着电机负荷的增、减而增、减，但有一定的滞后时间，显然存在动态匝间短路的问题。

但在开始拔护环检查时均找不到匝间短路点。

在回装护环后，却出现了稳定的匝间短路现象。

测试数据见表5.2

2.规划环境影响评价的内容

大纲要求

（1）非煤矿矿山的建设项目（注：

对煤矿建设项目有单独特别规定）；表5.2拔护环前后各套绕组的压降测量值

（2）区域、流域、海域的建设、开发利用规划。

环境影响篇章或说明（单位：

V，外施电压U=88V）

4.建设项目环境影响评价文件的分级审批

为了处理匝间短路故障点，进行第二次拔护环检查。

经仔细检查，找出了位于励磁机侧16号槽端部上层第一、第二匝之间的故障点（匝间绝缘已经烧焦炭化）。

由于绕组结构上的特殊性，该短路点实际上造成13-16槽的绕组几乎全部短路。

该转子除了1-28和14-15槽的绕组为8匝以外，其它槽均为14匝，所以实际被短路的匝数为14匝，约占总匝数的7.6％。