摘要：對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障產(chǎn)生原因進行分析，并對匝間短路故障進行分類，按照發(fā)電機停運狀態(tài)和在線狀態(tài)列舉常用的發(fā)電機匝間短路故障檢測方法，對各種檢測方法的特點進行了說明。

    近年來，我國電力工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，高參數(shù)、大容量發(fā)電機機組投產(chǎn)越來越多。在大型發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組將承受較大的離心力和熱應(yīng)力。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、匝間絕緣薄弱，再加上設(shè)計、工藝和制造過程中的問題，以及運行中電磁、機械、熱力等的綜合作用，使得轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生移動、摩擦、絕緣下降，從而造成匝間短路。
    在發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路初期，故障表現(xiàn)不明顯，對發(fā)電機的正常運行影響較小，故一般較容易忽視發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路問題。但隨著故障的繼續(xù)發(fā)展，匝間短路嚴重時將造成發(fā)電機大軸、軸瓦磁化。若磁化嚴重需進行退磁處理，則負序磁場可能損傷轉(zhuǎn)子，造成轉(zhuǎn)子一點甚至兩點接地、燒毀護環(huán)等惡性事故的發(fā)生，給機組穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。

    1 故障原因
    引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的原因總體上可分為以下兩方面。
    （1）設(shè)計不夠合理。發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部弧線轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑偏小，致使外弧翹起，運行中在離心力的作用下，匝間絕緣被壓斷，造成了匝間短路。
    （2）制造質(zhì)量不良。
    ①轉(zhuǎn)子端部繞組固定不牢，墊塊松動。對于發(fā)電機運行中由銅鐵溫差引起的繞組相對位移，設(shè)計上未采取相應(yīng)的有效措施。
    ②選用的匝同絕緣材料材質(zhì)不良，含有金屬性硬刺，或繞組銅導(dǎo)線加工成形后不嚴格的倒角與去毛刺，運行中在離心力的作用下刺穿了匝間絕緣，造戒匝間短路。
    ③端部拐角整形不好和局部遺留褶皺或凸凹不平；匝間絕緣墊片墊偏、漏墊或堵孔（直接冷卻的繞組通風(fēng)孔）；繞組導(dǎo)線的焊接頭和相鄰兩套繞組間的連接線焊口整形不良；制造工藝粗糙留下的工藝性損傷；轉(zhuǎn)子護環(huán)內(nèi)殘存加工后的金屬切屑等異物。
    ④轉(zhuǎn)子線匝局部未銑風(fēng)孔扎或風(fēng)量不合格造成嚴重過熱，從而引起匝間短路。

    2 故障分類
    轉(zhuǎn)子繞組匝間短路按照短路是否隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動狀態(tài)和運行工況而變化，可分為穩(wěn)定性匝間短路和不穩(wěn)定性匝間短路（或稱為動態(tài)匝間短路），其中動態(tài)匝間短路占多數(shù)。
    就故障發(fā)展的過程來分，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路可以分為萌芽期、發(fā)展期和故障期三個階段。在萌芽期，轉(zhuǎn)子繞組匝間出現(xiàn)初始異常征兆，機組運行還未受到影響，發(fā)電機組振動、勵磁電流、機組無功及軸電壓等均符合正常運行工況，故障表現(xiàn)為局部過熱、匝間以穩(wěn)定的高阻短路或匝間絕緣間存在油污、漆片等污染物。在發(fā)展期，機組運行已經(jīng)出現(xiàn)異常，匝間短路基本或已經(jīng)具備穩(wěn)定特征，此時發(fā)電機在運行狀態(tài)下振動增大、機組勵磁和無功受到影響，但運行工況限制尚未突破。在故障期，繞組匝間絕緣已經(jīng)出現(xiàn)明顯的嚴重短路征兆，發(fā)電機組振動超標、無功嚴重降低（勵磁電流超過額定要求）、轉(zhuǎn)于溫度高等異常運行工況，已危及發(fā)電機組的安全運行，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子接地等故障，這種狀態(tài)下要求機組立即停機，進行故障處理和全面檢修。
    發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷的目的是盡可能在故障的萌芽期和發(fā)展期準確地診斷出穩(wěn)定性匝間短路和動態(tài)匝間短路，分析故障發(fā)生的原因，并確定故障發(fā)生的部位和嚴重程度。

    3 檢測方法
    發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路時將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁回路部分繞組短路，在機組運行時主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子電流上升但無功功率相對減小、氣隙磁通畸變導(dǎo)致機組振動加劇，且振動變化趨勢與勵磁電流變化同步、定子繞組電勢和電流中出現(xiàn)各次諧波成分、在轉(zhuǎn)子的軸上感應(yīng)出軸電壓等現(xiàn)象。
    在實際工作中，發(fā)電廠及研究機構(gòu)提出了多種發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測的方法，主要有以下幾種。
    （1）空載試驗法。通過測量空載狀態(tài)下發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁電流，將其與歷史測量值進行比較，根據(jù)勵磁電流變化的程度來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。存在匝間短路故障的轉(zhuǎn)子繞組，其空載電流將比歷史值有所增大。不過，當短路匝數(shù)較少時，空載下勵磁電流的增長不會很明顯，因此空載試驗只能作為判斷匝間短路故障的參考。
    （2）單開口變壓器法。由于在轉(zhuǎn)子繞組中通入交流電后，轉(zhuǎn)子槽齒將產(chǎn)生交變磁通，因此可用一只開口變壓器和槽齒構(gòu)成閉合磁路，測量轉(zhuǎn)子各槽上漏磁通引起的感應(yīng)電壓，再根據(jù)線圈上所感應(yīng)的電勢大小和與電源電壓之間的夾角來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生匝間短路。當短路點發(fā)生在線槽上部時，得到的結(jié)果比較明顯；而短路點靠近槽底或槽的中部時，開口變壓器中測得的感應(yīng)電勢的數(shù)值明顯降低。相關(guān)試驗結(jié)果表明，當磁性槽楔下的線圈發(fā)生匝間短路時，此方法反應(yīng)不靈敏。
    （3）雙開口變壓器法。雙開口變壓器法是基于電磁感應(yīng)的原理，將兩個開口變壓器置于轉(zhuǎn)子本體同一線圈的對應(yīng)槽齒上；對其中一個變壓器施加勵磁電源，當槽內(nèi)線圈有匝間短路時，由于部分磁通要經(jīng)另一變壓器閉合，因此會在此變壓器上感應(yīng)出電勢；此時再測量另一個變壓器的感應(yīng)電勢，若發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電勢相比無匝間短路時成倍增加，則說明轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路故障。
    （4）直流電阻測量法。通過測量轉(zhuǎn)子直流電阻的降低來檢測轉(zhuǎn)子匝間短路故障。理論上，出現(xiàn)匝間短路故障時，轉(zhuǎn)子繞組的直流電阻值會變小，因此通過測量其直阻值的下降，可判斷轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。但是，當發(fā)生匝間短路的匝數(shù)很少時，此方法就很難準確判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。
    （5）交流阻抗和損耗試驗。通過測量轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的交流阻抗和功率損耗，并與以往同條件下的交流阻抗及功率損耗相比較來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。一般情況下，若阻抗下降較多，功率損耗增加較多則可判斷為匝間短路。但根據(jù)其試驗結(jié)果來判斷轉(zhuǎn)子有無匝間短路故障的判據(jù)比較模糊。相比較而言，功率損耗要比交流阻抗敏感得多，但依然不能準確判定是否存在匝間短路。
    （6）兩極電壓平衡試驗。通過測量兩極繞組上的電壓降，比較兩者之間的電壓差異來判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障。當這種差異小于某個限定值（JB/T8446-2005《隱極式同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路測定方法》規(guī)定兩極線圈間的電壓差不得大于最大值的3%）時，可認為轉(zhuǎn)子繞組不存在匝間短路故障；而當這種差異超過該限定值時，則判斷轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)了匝間短路故障。
    （7）重復(fù)脈沖波形（RSO）法。RSO方法基于行波理論，通過雙脈沖信號發(fā)生器，對轉(zhuǎn)子兩極同時施加前沿陡峭的高頻沖擊脈沖波，通過比較對稱性，驗證轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路。正常情況下，兩條響應(yīng)曲線應(yīng)當十分吻合；當兩條曲線非吻合度達到一定的程度時，即判斷轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障。
    上述方法只能在發(fā)電機停運狀態(tài)下進行，無法在運行工況下檢測轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路故障，而且除了單開口變壓器法和RSO法外，其它檢測方法都難以實現(xiàn)故障的準確定位，同時上述方法也不能對動態(tài)匝間短路故障進行檢測。目前，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線檢測方法主要有以下幾種。
    （1）探測線圈法。目前，在線診斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路的常用方法是探測線圈法，該方法通過一個安裝在發(fā)電機氣隙中的探測線圈來測量發(fā)電機勵磁電流產(chǎn)生的漏磁量。正常時，每個槽的漏磁量與該槽勵磁電流大小成正比；當轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路時，該槽漏磁量將減少，探測線圈即可根據(jù)測得的漏磁量變化情況判斷出轉(zhuǎn)子匝間短路所在槽。由于漏磁通量相對于主磁通量非常小，測量較為困難，在發(fā)電機帶實際負荷運行時影響較大，探測線圈檢測到的波形畸變較嚴重，因此不便用于匝間短路故障的診斷。通常的做法是將解列后的發(fā)電機三相出線短接，然后進行勵磁，待定子繞組中的電流升至一定程度時，通過在線檢測裝置來獲取氣隙磁場中的轉(zhuǎn)子動態(tài)匝間短路波形。
    （2）勵磁電流和振動的變化法。根據(jù)相關(guān)文獻記錄，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生輕微匝間短路時，發(fā)電機振動與勵磁電流變化成正相關(guān)性是最有效的識別轉(zhuǎn)子匝間短路的方法。當轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)了匝間短路故障后，定子氣隙中的電磁場發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)子因受到了不平衡電磁力而發(fā)生振動，且一般隨著勵磁電流的增大，不平衡力將加劇，轉(zhuǎn)子的振動也相應(yīng)增大。但該方法只能確定發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在匝間短路的可能性較大，無法判別匝間短路的發(fā)生位置。

    4 結(jié)束語
    發(fā)電機運行中出現(xiàn)僅與無功有關(guān)的振動，檢修中轉(zhuǎn)子交流阻抗明顯下降，振動曲線與勵磁電流曲線相比滯后，發(fā)電機空載特性曲線下降，軸電壓升高，轉(zhuǎn)子繞組分擔(dān)電壓偏差超過3%，氣隙探測波形幅值降低，轉(zhuǎn)子電流增大而無功功率卻相對減小等現(xiàn)象都是轉(zhuǎn)子匝間短路的特征表現(xiàn)，應(yīng)盡快予以驗證并處理。同時，大型發(fā)電機應(yīng)安裝轉(zhuǎn)子匝間短路探測線圈，方便檢測及查找轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。