船舶同步發電機電樞繞組匝間短路的成因探析

林洪貴

（集美大學輪機工程學院， 廈門 361021）

1 引言

船舶同步發電機是船舶電站的電源供應者，其運行的安全、可靠直接關系到船舶的航行安全和高效的運營，是船舶其他設備工作和人員生活的保證[1]。發電機繞組線圈匝間短路故障是發電機的故障之一，電樞繞組匝間短路故障會導致發電機端電壓波動和不平衡；由于電樞繞組的短路電流很大，其產生的極大熱效應和機械應力，將使發電機燃燒和爆裂，導致惡性事故的發生。筆者在一艘廣州遠洋公司的萬噸級貨輪工作期間，船舶在大連港拋錨，1號發電機單機運行在50℅多的負荷功率；在下午 3點 30分左右發電機電樞繞組突然發生爆裂燃燒，并同時跳閘；后經電機廠家的解體確認是電樞繞組發生了匝間短路故障。匝間短路就是指同匝繞組絕緣層的絕緣被破壞而發生的短路故障。那么是什么原因造成了本次匝間短路呢？在解體發電機電樞繞組時，發現繞組絕緣漆中存在有空隙，初步判斷是熱效應使絕緣失效致使短路故障的發生。

2 絕緣材料的老化導致的匝間短路

匝間短路是導線的匝間絕緣層的絕緣被破壞。絕緣層被破壞主要原因是：老化和過熱。過熱可分為機械和電氣兩種，另外還有雜物飛到繞組上，或者電機在嵌線時就有問題線受損傷了或是絕緣漆沒浸好留有缺陷；還有可能是有雜物飛到繞組上，或者電機在下線時就有問題線受損傷了或是絕緣漆沒浸好等多種原因[2,3]。

2.1 電老化

電老化是由介電材料上電場分布所產生的，主要表現為局部放電、漏電和電腐蝕；產生局部放電的原因是電機內部的電場不是均勻分布。在絕緣層內存在空隙，線圈與鐵心之間也有空隙，這樣就會使電場發生畸變，局部電場強度超強，引起局部放電；局部放電能在絕緣層內產生非常細小的樹枝狀的放電途徑，最終導致絕緣的破壞。

2.2 熱老化

絕緣在過熱的長期作用下的老化稱為熱老化，熱老化是由熱因子引起的。絕緣材料在運行中，因長期受熱會引起各種物理和化學變化（如揮發、裂紋、脫層、龜裂等），而且這種變化會逐漸惡劣，最終導致介電材料變質而劣化。

2.3 機械老化

機械老化主要表現為介電材料的疲勞、裂紋、磨損、脫層等等。其原因是在電機起動時會產生超強電磁力和熱應力的沖擊，以及運轉過程中電機的振動、反復受熱等引起介電材料的傷害。

2.4 環境老化

環境老化主要表現為粉塵、油污、鹽分及其他腐蝕物質對絕緣的污染和侵蝕，以及絕緣表面的吸潮和露水等。這樣介電材料的絕緣性能會逐漸喪失，耐熱和耐壓會逐漸降低。

3 電樞繞組匝間短路的其它成因

發電機繞組在制造過程中，不可避免地存在各種缺陷，例如裂紋、夾雜、錯位、分層、空隙和孔洞等等。特別是電樞繞組在嵌線后，要進行浸漆處理工藝，其主要目的是：

1）提高電機絕緣的耐潮性和化學穩定性；改善電機絕緣的電氣性能，使繞組匝間與絕緣層之間以及絕緣材料的空隙均被絕緣漆填充；

2） 增加電機繞組的導熱能力，未浸漆前繞組當中存在有很多空隙，其中充滿了空氣，而空氣的熱導率為0.025 W/mk，導熱性能差；經浸漆處理后，絕緣漆充滿了繞組中的氣隙，趕跑空氣，而絕緣漆的熱導率為0.3 W/mk[4]。

3.1 電致失效

電致失效是指鐵磁或介電材料在電場載荷作用下的力學失效行為。例如：當含有缺陷的鐵磁材料受到強電場作用時，缺陷內部的電場強度有可能達到外加電場的 1000倍，從而引起熱效應和熱應力集中最終導致材料失效。特別是當缺陷內的電場強度達到缺陷內氣體的擊穿電場強度時，缺陷將發生放電擊穿并產生一系列的放電效應。因此，電擊穿導致的失效已經成為電力電氣系統中絕緣材料受到損害的主要原因。

3.2 繞組中空隙的熱效應

繞組中氣隙在運轉的發電機中隨著外加電場 Ea的增大，空隙的電場強度不斷增大。當孔內電場升高到空氣擊 穿電壓的臨界值時，圓孔內的空氣將產生一系列的放電效應，如光、聲、電磁和熱效應等[5]。在這些放電效應中，光、聲、電磁等效應所消耗的能量是相當少的，熱效應以熱量的形式把放電產生的能量向介電材料周圍耗散，消耗掉放電所產生的絕大部分能量。其放電熱效應的溫度場分布如圖1所示[6]。顯然，從再生原理來看，特種氧化物法、氧燭法、電解水法都屬于化學再生；而高壓氧瓶法則屬于物理再生。上述種種不足的存在，也正是由現有再生方法所采用的這些再生原理決定的。

圖1 繞組中的溫度場分布圖

熱老化的速度和絕緣受熱溫度有著密切的關系，隨著溫度的上升，絕緣的熱老化速度迅速加快，且溫度越高，老化速度越快，其老化速度符合Arrhenius方程[7]：

其指數形式：

式中：k0為指數前因子（頻率因子），Ea為實驗活化能，單位為：kJ/mol?？梢妅與T的關系不是線性的，溫度場分布明顯不均，在空隙處周圍產生了強烈的熱效應。

3.3 繞組中空隙的熱應力

假設在放電過程中空隙內的臨界電場能全部釋放轉變為熱能并沿周圍均勻分布，向介電材料四周傳遞，于是在介電材料空隙產生熱應力[8]。對此熱應力進行分析，得到內半徑為a，外半徑為r的圓環，在圓內側邊界輸入熱量的解為[9]：

上式為圓孔在放電后的熱應力表達式[10]。選取不同彈性模擬量作為參考值，得到圓孔半徑a=0.1 m徑向應力曲線[11]。如圖2所示。

圖2 圓孔半徑a=0.1 m時徑向應力曲線

圖2表明：在圓孔附近徑向應力急劇增大。也就是說，空隙周圍產生了應力集中。

4 電樞繞組的匝間短路故障的演變過程

船舶同步發電機大多是低壓發電機，其出現內部故障的幾率很小，根據國標 GT14285-2006規定，發電機定子繞組應裝設匝間短路保護，但實際上船舶大/中型發電機基本沒有設置匝間短路保護。而且我國《鋼質海船入級與建造規范》規定中，也沒有針對其內部故障的專設保護措施。原因是發電機定子繞組匝間短路的保護或診斷是比較困難的，這樣往往造成船舶檢驗和運營中，難以早期發現和處理發電機的內部故障?，F在軸帶發電機在新造船舶中得到廣泛應用，輔助發電機組一般只配備兩臺；所以，任何一臺發電機發生故障，都將對船舶的航行安全和生產帶來極為不利的影響。

對發電機定子繞組內部故障進行研究的必要性早已得到國內外學者的肯定[12]。電機狀態監測診斷分析和考慮繞組故障對電機徑向振動影響的機械診斷研究[13]等等，得到各國的普遍重視。

電機在長期運行后絕緣性能逐漸劣化，絕緣結構的老化是各種劣化的綜合表現[14]。其主要有：熱因子、電因子、機械因子和環境因子等。它們對電機壽命影響很大，如圖3所示為發電機電樞繞組絕緣劣化的演變過程。

圖3 繞組絕緣劣化過程圖

從上文分析得出：由于發電機制造缺陷，即繞組絕緣中存在空隙。由它所引起的熱效應使得介電材料的絕緣性能變差；由空隙導致了熱應力集中，使得電樞繞組的導線產生了彎曲、變形，相互距離變近；最終導致了電樞繞組匝間短路的發生。其絕緣失效的演變過程如圖4所示。

圖4 發電機電樞繞組絕緣失效的演變過程

5 結束語

由于發電機電樞繞組的制造缺陷，也就是絕緣中空隙的存在，使得介電材料的空隙所產生熱效應和熱應力集中，通過對發電機溫度場和熱應力的變化規律進行了分析，得出電擊穿導致的失效已成為電力電氣系統中絕緣材料受到損害的主要原因。通過對材料在電場載荷作用下的失效行為的研究，發現材料在電場載荷作用引起失效的根源在于應力引起的破壞。這兩種原因導致了發電機運行時定子繞組內部匝間短路故障發生，因此制造缺陷是導致匝間短路的可能原因之一，為低壓同步發電機電樞繞組匝間短路的研究提供一種新思路。

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