发电机转子匝间短路危害及判断

发电机转子匝间短路危害及判断

王晨

内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，内蒙古托克托，010206

摘要：本文分析并研究了发电机转子匝间短路的原因及短路将会导致的一系列工业危害，之后介绍了转子匝间短路故障程度的判断标准，为技术人员进行实时跟踪发电机转子匝间的故障情况提供了重要的参考依据，有利于维护作业环境的安全。

关键词：发电机转子；匝间短路；故障类型

引言

发电机是电能生产的重要设备，它为整个电力系统提供电能，是整个电网的心脏，因此如果发电机发生故障，可能会导致局部停电甚至整个电网的崩溃，发电机转子作为发电机的重要组成部分，主要由励磁绕组线圈，线圈引线以及阻尼绕组等部分组成，发电机运行时，由于转子处于高速旋转状态，这些部件将受到很大的机械应力和热负荷，若超过其极限值时将导致部件的损坏。目前在国内运行的大型汽轮发电机组中，发电机转子匝间短路故障占故障总数的比例较高，大多数发电机都发生过或已经存在转子绕组的匝间短路故障。一般情况下，发电机通常是由定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等机械零部件组合而成的，发电机作为一种提供能源的装置，被广泛的应用于工业生产、农业生产、国防军事、科技研发以及我们的日常生活，比如基础的居民供电或者抽水都离不开发电机的作用。维持发电机正常运作的最主要的两个部件是定子和转子，其中发电机转子作为由一根整体合金锻件加工而成的机械部件，在整个发电机中以旋转的方式运作，并通过电变化产生磁场[1]。

一、   发电机转子发生匝间短路的成因

发电机转子会发生匝间短路故障，而短路的成因往往可从工艺制造和机器运行两个方面来展开分析。一方面，在工艺制造上，由于机械部件对制作工艺的要求普遍很高，倘若加工制作发电机转子的工人工艺水平不精，做出的成品参差不齐，质量得不到保障，那么在发电机的整型环节和绕组下线环节，发电机转子上必定会留下残次，残次直接损伤匝间绝缘，从而引起匝间短路。另一方面，若用于加工制作转子的绝缘材料中掺杂着超过某种上限的金属颗粒，那发电机势必会在金属颗粒的破坏下将匝间绝缘刺穿，最终同样会导致匝间短路。值得一提的是，除了工艺上的不足造成的匝间短路之外，若发电机在运行的过程中，由于设备受到例如电力、机械力和热力等多种应力的叠加影响，那么转子绕组也会在应力的影响下发生变形以及位移，最终导致匝间绝缘发生断裂、磨损甚至脱落，其后果是引发匝间短路，导致发电机不得不停止运作，以防造成重大安全事故[2]。

二、   转子匝间短路的危害

若转子绕组受上述因素的影响而发生匝间短路后，将会对发电机的整个机组的各个物理参数产生显著的影响，从而导致机组运行出现故障，大大增大了事故的发生几率。 

在发电机转子匝间短路初期，故障表现不明显，对发电机的正常运行影响较小，故一般较容易忽视发电机转子匝间短路问题。当匝间短路严重时将使转子电流显著增大，绕组温度升高，限制了发电机无功功率的输出，有时还会引起机组机组振动加剧，甚至烧坏发电机。因此发生上述现象时，必须通过试验判断是否发生匝间短路并予以消除，使发电机恢复正常运行。匝间短路的形成会导致转子电流增大，绕组温度显著升高，同时，发电机的无功功率受到匝间短路的影响是最大的，无功功率被限制，有时由于机组的振动值在匝间短路的影响下不断攀升，发电机停机的概率也跟着增大。转子匝间短路可根据短路的成因分为稳定和不稳定两种短路类型，稳定的匝间短路，其短路的原因与转子转速和转子温度发生改变并无直接关联，但是不稳定的匝间短路，其匝间短路的形成则与转子的转速改变以及转子温度的改变都有关联，受转速和温度因素的影响是非常明显的，一般转子绕组在高转速高温、低转速高温或低温环境下会发生短路，从而对机组的正常运行产生不同程度的影响。

三、   转子匝间短路故障判断

掌握转子匝间短路故障的特征和条件，对故障的情况进行正确的判断是减少事故误判概率，从而及时处理匝间短路事故的重要前提。相关研究人员对一系列转子绕组的短路现场进行了细致的分析与总结，以现场经验为基本依据，以交流阻抗试验为试验类型，综合了多方因素，对转子匝间事故的发展情况作出了判断和总结[3]。

转子绕组受匝间短路的影响，其线匝中的短路电路很大，且伴随着去磁作用，大大增强了磁路的磁阻，而磁阻的增大会引起绕组电阻抗变小，匝间短路后的交流阻抗也会跟着变小，这种由短路电流受影响而引起的一系列的连环反应所导致的交流阻抗的变化和波动现象是工作人员用来判断转子绕组匝间短路故障的重要依据，如下：

相关的工作人员在进行相关的阻抗试验之后，已经得出了具体结论：倘若被研究的发电机转子在运行过程中，其物理参数相继发生了改变，出现了交流阻抗下降8%，但是功率损耗却上升10%的情况，则可确定该时期的发电机转子正处在短路萌芽的阶段，这时期的转子在不停地向着匝间短路的方向发酵，我们可以认定此时的转子已经出现了基本的短路特征，为了减少工作人员的误判，要对此时的转子进行实时的跟踪，可以通过分析对比阻抗和功耗两个重要参数的增幅情况，对转子进行动态的观察[4]。需要注意的是，发电机的转子绕组在受到匝间短路的影响之后，其机组的空载特性曲线同样是会呈现出下降的趋势，而且下降的效果会非常的明显，在转子的交流阻抗已经下降了十个百分点的情况下，机组与机组之间，尤其是相同型号的机组之间，其处在同一工作情境下的励磁电流差值将会超过3%，我们若将励磁电流进行一步换算，换算成直流电阻这一物理参数，那么在全速空载励磁电压和电流做历史对比的条件下，倘若直流电组在此阶段会产生超过3%的偏差，则可确定这种状态下运行的发电机转子绕组已经进入了短路发展的时期，该时期是距离短路发生最近的阶段，工作人员应对机组的运行环境和运行状态加以注意，对转子绕组采取实时跟踪的措施。若发电机转子的匝间短路已经形成并板上钉钉，此时的转子振动幅值变化时非常明显的，呈现出明显波动的态势，同时，励磁电流会大于等于其额定值，转子的运行温度明显提高，此时的发电机转子，已经确定跳过了短路的发酵期和发展期，进入了最后的故障阶段，相关工作人员必须立刻停止发电机的转子绕组继续运作下去，马上安排技术人员对发电机转子展开检修和维护工作，以防止更大的安全事故的发生，保障公共财产安全和人员的生命健康[5]。

四、发电机转子匝间短路防范措施

（一）加强在发电机启励、空载等不同条件下转子励磁电流的记录，定期分析不同工况下励磁电流值与历史值比较有无增长趋势。
（二）加强对历年发电机转子交流阻抗试验数据分析，当出现与历史值相差较大时，应引起注意，并结合重复脉冲法（RSO）、极间电压法等其他方法综合判断。
（三）缩短发电机转子交流阻抗试验周期，鉴于发电机转子重要性，转子匝间短路故障的诊断应采用交流阻抗、重复脉冲法等多种方法进行综合分析。
（四）有条件情况下加装发电机转子匝间短路在线监测装置。

总结

综上所述，在如今的工业生产领域中，早已离不开各种机械设备的运作，而这些机械设备往往会受到温度、转速、通电电流大小等多方面因素的影响，发电机转子不仅是发电机进行正常运行的功能部件，也是很容易受到环境因素影响的机械部件。在分析转子绕组发生匝间短路的原因之后，我们总结归纳了匝间短路对发电机的一系列危害，并在电阻抗试验的基础上分析出发电机转子匝间短路故障判断的标准，为相关工作人员实时监控发电机的运作是否安全提供了重要依据，当相关参数已经超过了正常的参数范围时，应立即停止机组的运作并马上上报，将损失和隐患最大限度的控制在最低的范围，不仅是在降低事故的影响，也是在降低安全隐患。

参考文献：

[1]武玉才, 马冠华. 核电汽轮发电机转子绕组匝间短路的定子环流特征[J]. 电机与控制学报, 2020, 24(3).

[2]王小辉, 孙钢虎, 张文斌,等. 汽轮发电机转子绕组匝间短路检测方法的研究与应用[J]. 大电机技术, 2020(3).

[3]孙士涛, 雷雨, 张杰,等. 基于频域输入阻抗的发电机转子匝间短路故障诊断方法研究[J]. 大电机技术, 2020(1).

[4]李伟请 汽轮发电机故障检查分析及预防 第二版 中国电力出版社，2010
[5]邱青林 发电机转子匝间短路分析与预防【J】.大众科技. 2010.01