應用新技術診斷大型同步電機轉子繞組故障

特約撰稿人：西馬力工業集團 史光

南陽防爆集團 歐華權 李巖峰

應用新技術診斷大型同步電機轉子繞組故障

特約撰稿人：西馬力工業集團 史光

南陽防爆集團 歐華權 李巖峰

核心提示 本文對某石化企業高壓同步電機轉子繞組故障檢測進行了說明和問題分析，介紹其修理方案和檢測轉子繞組的過程。為今后進行同類同步電機轉子繞組故障檢測、故障修理的工作提供了很好的借鑒作用。

電機是工業廠礦最重要的主設備之一，其制造、修復質量將影響到設備的安全穩定運行，關系到國計民生。現對某進口同步電機轉子繞組情況進行分析，并對其修理方案進行介紹，以供參考。

同步電機與異步電機的區別

異步電機(感應電機)的工作原理是通過定子的旋轉磁場在轉子中產生感應電流，產生電磁轉矩，轉子中并不直接產生磁場。因此，轉子的轉速一定是小于同步速的(沒有這個差值，即轉差率，就沒有轉子感應電流)，也因此叫做異步電機：而同步電機轉子本身產生固定方向的磁場(用永磁鐵或直流電流產生)，定子旋轉磁場"拖著"轉子磁場(轉子)轉動，因此轉子的轉速一定等于同步速，也因此叫做同步電機。

同步電機三相交流電通過一定結構的繞組時，要產生旋轉磁場。在旋轉磁場的作用下，轉子隨旋轉磁場旋轉。如果轉子的轉速同旋轉磁場的轉速完全一致，就是同步電機;如果轉子的轉速小于磁場轉速，也就是說兩者不同步，就是異步電機。異步電機結構簡單，應用廣泛。同步電機要求轉子有固定的磁極(永磁或電磁)，如交流發電機和同步交流電動機。電機的轉速(定子轉速)小于旋轉磁場的轉速，從而稱異步電機。它和感應電機基本上是相同的。

同步電機和感應電機（即異步電機）一樣是一種常用的交流電機。同步電機是電力系統的心臟，它是一種集旋轉與靜止、電磁變化與機械運動于一體，實現電能與機械能變換的元件，其動態性能十分復雜，而且其動態性能又對全電力系統的動態性能有極大影響。特點是：穩態運行時，轉子的轉速和電網頻率之間有不變的關系，稱為同步轉速。若電網的頻率不變，則穩態時同步電機轉速恒為常數而與負載的大小無關。

廠礦作為電動機時，大部分用異步機，發電機都是同步機。

同步電機特點

同步電機分為同步發電機和同步電動機。現代發電廠中的交流機以同步發電機為主，其特點除了電機運行轉速是固定的同步轉速外，對于電機結構方面，轉子一般是繞組環繞成轉子同步旋轉磁極，

主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。

同步電機結構模型

載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。

切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。

交變電勢的產生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

交變性與對稱性：由于旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。

某化工廠同步電機轉子繞組與定子輕微掃膛，轉子繞組損傷檢測

一般性同步電機轉子繞組試驗

一、測量轉子繞組的絕緣電阻。

二、測量轉子繞組的直流電阻。

三、轉子繞組交流耐壓試驗。

四、測量轉子繞組交流阻抗和功率損耗（無刷勵磁機組，無測量條件時，可不測量）。

*測量轉子繞組的絕緣電阻，應符合下列規定：

1.轉子繞組的絕緣電阻值不宜低于0.5MΩ。

2.當定子繞組絕緣電阻已符合啟動要求，轉子繞組絕緣電阻值不低于2000Ω時，可允許投入運行。

3.在電機額定轉速時超速試驗前、后測量轉子繞組的絕緣電阻。

4.測量絕緣電阻時采用兆歐表的電壓等級：當轉子繞組額定電壓為200V以上，采用2500V兆歐表；200V及以下，采用1000V兆歐表。

5.試驗周期：①小修時；②大修中轉子清掃前、后。

6.試驗要求：絕緣電阻值在室溫時一般不小于0.5MΩ。

注：采用1000V兆歐表測量。

*測量轉子繞組的直流電阻，應符合下列規定：

1.應在冷狀態下進行，測量時繞組表面溫度與周圍空氣溫度之差應在±3℃的范圍內。測量數值與產品出廠數值換算至同溫度下的數值比較，其差值不應超過2%。

2.顯極式轉子繞組，應對各磁極繞組進行測量；當誤差超過規定時，還應對各磁極繞組間的連接點電阻進行測量。

3.試驗周期：大修時。

*轉子繞組交流耐壓試驗，應符合下列規定：

1.整體到貨的顯極式轉子，試驗電壓應為額定電壓的7.5倍，且不應低于1200V。

2.工地組裝的顯極式轉子，其單個磁極耐壓試驗應按制造廠規定進行。

組裝后的交流耐壓試驗，應符合下列規定。

額定勵磁電壓為500V及以下電壓等級，為額定勵磁電壓10倍，并不應低于1500V。

額定勵磁電壓為500V以上，為額定勵磁電壓的2倍加4000V。

3.試驗周期：大修時。

4.試驗要求：與初次(交接或大修)所測結果比較，其差別一般不超過2%。注：在冷態下進行測量。

5.顯極式轉子繞組還應對各磁極線圈間的連接點進行測量。

*轉子繞組交流阻抗和功率損耗：轉子繞組的交流阻抗和功率損耗（無刷勵磁機組，無測量條件時，可不測量）：

1.試驗周期：大修時。

2.試驗要求：阻抗和功率損耗值自行規定。

在相同試驗條件下與歷年數值比較，不應有顯著變化。

繞組泄漏電流試驗

*試驗周期：1～3年或自行規定、必要時。

*試驗要求試驗電壓一般如下：

繞組額定電壓kV: 3 6～10 20～35 66～330 500直流試驗電壓kV: 5 10 20 40 60

與前一次測試結果相比應無明顯變化。注：讀取1min時的泄漏電流值。

局部放電測量

*試驗周期：大修后(220kV及以上)；更換繞組后(220kV及以上、120MVA及以上)。

*試驗要求：在線端電壓為時，放電量一般不大于500pC；在線端電壓為時，放電量一般不大于300pC。

傳統檢測工具的局限性

*直阻測量：沿用上世紀60、70年代的直阻測量，技術陳舊、手段單一。

*絕緣測試：搖表，雙橋，萬用表，設備功能簡單，故障分析有限。

*高壓試驗：耐壓試驗/泄漏電流/吸收比/極化指數，設備笨重，只能在試驗臺檢測。

MCA靜態電路分析技術

*試驗指標：更多的停留在簡單的評價絕緣好壞，只能模糊評價一個指標。

設備好壞的狀態級別，哪方面的故障問題？壽命趨勢分析，不能給出量化指標。

1.電機的空載運行測試，并不能給出電機帶負荷運行的狀態評判。

2.電機整體耐壓試驗，雖然能保證電機空載運行，也不能解決局部繞組匝間短路的問題。

3.電機繞組耐壓試驗，具有一定的二次破壞性，加深早期故障的嚴重性。

4.電機定子、轉子繞組，隨著絕緣進一步劣化，繞組的表面的污染指標很難評估。

電機各項檢查數據繁多，檢修記錄數值簡單，很難做到繞組早期故障判斷和壽命評估分析。電機檢測檢修過程，僅停留在對電機各繞組絕緣電阻數值檢測，難以發現早期故障隱患。電機繞組冷態直流電阻的測定，不能解決繞組匝間短路的問題。用雙臂電橋測量相間電阻，還要換算25℃時阻值，并計算三相電阻不平衡小于±3%，筆錄記錄。工作任務繁瑣，臺賬記錄結果僅限于電子或紙質臺賬。

同步電機轉子繞組測試位置和方法

繞組匝間短路問題的核心技術——MCA靜態電路分析。

*全面代替：傳統檢測手段。

歐姆表/毫歐表；絕緣電阻計（DA/ PI）；高壓絕緣測試儀；LCR測試儀；浪涌測試儀。

*全面分析定、轉子繞組故障。

*測試方法：

將同步電機轉子繞組接線打開，墊好絕緣墊片。

*測試位置：

將同步電機轉子繞組接線打開后，測試每個轉子繞組極包繞組兩端。

*測試數據分析：

電機加裝絕緣墊片

測試繞組兩端

將同步電機轉子30個轉子繞組極包測試數據對比分析。

*具體數據圖表：

1.測試數據柱狀圖。

2.測試數據曲線圖。

測試結論：該同步電機轉子，30個單獨繞組的參數：直阻、電感、電抗、相角度、I/F試驗值等偏差均在1。5%內，繞組沒有發現匝間短路現象，各項指標正常，轉子繞組處于良好狀態。

轉子繞組極包測試數據

測試數據柱狀圖

測試數據曲線圖

同步電機轉子繞組檢測時，除采取的傳統修理方案，增加有效的低壓繞組匝間檢測手段也是行之有效的，從而避免了定子繞組相間短路的嚴重后果和重大的經濟損失。同時也讓我們認識到了對同步電機轉子繞組全面檢查、低壓MCA試驗分析的必要性，以及對正在制造尚未出廠的發電機加強監造的重要性。