发电机转子绕组匝间短路故障特性规律分析张佳斌

发电机转子绕组匝间短路故障特性规律分析张佳斌

张佳斌

（上海上电电力工程有限公司上海市200090）

摘要：发电机作为电能生产的主要设备，对整个电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。开展发电机在线监测，及时有效地诊断出发电机的故障，已逐步发展成为保证发电设备安全可靠运行的重要手段。转子绕组匝间短路是一种常见的发电机电气故障。轻微的匝间短路并不会影响机组的正常运行，因而经常被忽略，但如果故障继续发展，将会使得转子电流显著增加，绕组温度升高，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动加剧等。因此，有必要研究发电机转子绕组匝间短路的故障机理，探寻故障的早期征兆，从而为实现故障的早期诊断提供理论依据。

关键词：匝间回路；转子绕组；短路故障

引言

发电机转子绕组发生匝间短路时会引起气隙磁通的畸变、转子绕组交流阻杭的降低、机组的振动加剧、定子绕组中出现各次谐波成分、在转子的轴上感应出轴电压和轴磁通、转子励磁电流增加。根据这些故障特征，转子绕组匝间短路的诊断可以从微分探测线圈法、环流检测法、振动检测法、轴电压轴电流法、励磁电流和无功功率法、行波法等进行。

一、发电机转子绕组匝间短路故障的原因

造成发电机转子绕组匝间短路故障的原因很多，与设计、制造的缺陷和运行、检修工艺不当都有一定的关系。

（1）设计制造原因

在设计上，有的转子端部弧线转弯处的曲率半径偏小，只是外弧翘起，那么，运行中由于离心力的作用，转子绕组的匝间绝缘就会被压断，从而造成了匝间短路。

在制造上，有的转子端部绕组固定不牢、垫块松动等等容易引发转子绕组匝间短路；有的转子由于端部拐角整形不好和局部遗留褶皱或凹凸不平造成匝间短路；有的转子绕组在制造过程中由于匝间绝缘垫片垫偏、漏垫或者堵孔等使得绝缘失效而引发匝间短路；有的转子在制造过程中于转子的线匝局部未铣通风孔或风量不合格造成严重过热，同样会引起匝间短路。另外，由于发电机的制造工艺粗糙留下的工艺性损伤可能会引发匝间短路。

（2）运行维护方面

发电机在运行中由于转子的高速旋转导致转子绕组受到离心力作用而发生移位变形，另外，转子线圈之间的相对运动会使匝与匝之间的匝间绝缘造成磨损或相对错位，进而导致线圈的匝与匝之间接触，引发匝间短路故障发生；发电机在起、停机的过程中由于离心力的作用或由于负荷的变化所引起的热胀冷缩使得转子线圈发生位移、变形或局部绝缘损坏，造成匝间短路；多种原因导致的转子绕组通风孔堵塞，造成局部过热，使匝间绝缘烧损，从而引发匝间短路故障；氢气湿度过大引起匝间短路。

二、转子绕组匝间短路的故障特征

（1）气隙磁场畸变

发电机的转子线圈通过直流电时，气隙磁通的漏磁通具有方向性，当发电机正常运行时，对应转子槽号的一对极的漏磁通分布曲线应该是一样的，只是反向而已。由于漏磁通的大小正比于流过转子槽的电流的大小，因此线槽的磁通波形波峰值的大小正比于该槽内的有效转子线圈安匝数。当一极某线槽的线圈出现匝间短路时，则该线槽的漏磁通波形的波峰值将降低，而另一极同线槽的漏磁通波形峰值不变。

（2）定子绕组中出现环流

大型两极汽轮发电机的每相绕组都是由两个半相绕组并联而成，转子磁动势的任何不对称将会在定子绕组中感应出偶次谐波电流，并在定子绕组的两个半相绕组中形成环流。量测这些偶次谐波就可以检测出转子绕组中的匝间短路。环流的测量是在定子的半相绕组上套上一个儒可夫斯基线圈用于测量，对于实验室的发电机，由于每个定子支路都在外部进行连接，可以直接测量，见图2-1所示。

式（2-1）~（2-4）中：F为磁动势；H为磁场强度；Lef为定子铁芯计算长度；B为磁通密度；μδ为磁导率；E0为空载电动势；f为频率；w为定子每相串联匝数；Kw为绕组因数；Φ为每极磁通量；P为有功功率；Xs为同步电抗；δ为功角；Q为无功功率。

（5）轴电压

轴电压的形成原因：转子偏心导致气隙不均匀，使主磁通上下两部分的分布不再对称，出现了与轴交链的基频交变磁通；绕组因匝间短路而出现不对称、电源电压不对称、转子断条、非全相运行或转子短路接地等造成气隙空间谐波磁场分布的畸变；汽机叶片产生静电作用，从而会产生轴电压。

（6）功率损耗和交流阻抗的变化

正常情况下，当转子旋转时，转子槽内线匝在离心力的作用下压向槽楔，既减少了线匝在槽内的有效高度，又使槽楔与转子槽齿接触紧密，增强了阻尼效应，使得阻抗值随转速升高而有规律下降。转子绕组发生匝间短路时，对同一台机组相同状态下的阻抗值会发生突变，而功率损耗则相对升高。测量转子绕组交流阻抗的等效电路如图2-2所示。

图2-2测量转子绕组交流阻抗的等效电路如图

（7）振动

不平衡电磁力引起的转子的振动特点：振动随着励磁电流的增大而增大，没有时滞。同时转子局部受热，而产生热弯曲，造成不平衡振动，因此振动中除了随励磁电流而立即增大的振动分量以外，还有随时间而增大的成分。

三、转子绕组匝间短路的诊断方法

（1）探测线圈法

依据转子绕组匝间短路故障后的磁场特性，把定转子间气隙磁场的变化转化为其变化率（即感应电动势的变化），在定、转子之间气隙中定子上固定一只“探测线圈”，那么气隙磁场的畸变反映到该探测线圈上即为感应的电势波形的畸变，因而可以识别匝间短路故障。

（2）励磁电流判别法

在一定的运行条件下，通过测量电压、电流、有功、无功、励磁电压等发电机的机端信息，然后基于所测得的上述电气量再用精确的数学模型计算出相应的励磁电流，并与实测励磁电流进行比较，从而判断是否存在匝间短路和匝间短路的严重程度。

此外，转子绕组匝间短路的诊断方法还有定子环流分析、轴电压特性分析、振动特性分析、励磁电流谐波特性分析、交流阻抗和功率损耗法等。

四、结语

研究发电机转子绕组匝间短路的故障机理，探究故障的早期征兆，对早期诊断故障提供理论依据。本文通过了解发电机转子绕组匝间短路故障时内部电流和电压等电气量的变化，希望为后续故障分析提供合理有效的方法。

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