試析發電機轉子故障診斷與在線監測

王永

摘 要：下文以設備故障診斷為基礎，分析了轉子回路故障表現形式和故障機理，闡述了發電機轉子在線監測的重要性。

關鍵詞：發電機轉子 在線監測 故障診斷

1、發電機轉子在線監測的重要性

隨著生產的發展，生產設備更為先進和現代化、設備變得更加精密和復雜，設備故障造成的經濟損失和影響也越來越大。設備維修方式和監視方法更加受到關注，其發展歷經變革，由事后維修到定期維修，再到狀態維修。其中以狀態維修是最先進和最合理的維修方式，它是以監測和診斷技術為基礎，通過對運行狀態的監測，發現并消除可能的故障，避免事故的發生。同樣，設備檢測（監視）方法也在不斷地作適應性變革，它們經歷五個方面的發展：1）依靠人的五官感覺和簡單工具進行檢查和監視；2）利用簡單的檢測計器進行檢查和監視；3）離線監測；4）連續狀態監測；5）在線狀態監測。

其中在線監測是通過安裝在設備上的傳感器，隨時獲取機器運行的各種狀態信號，可對機器進行連續的監測，其特點是能在早期階段發現故障，并嚴密監視其發展情況，實現提前預測，這樣就有可能選擇在最合適的條件下有準備的停機和檢修設備，能節約時間并減少損失。

在線連續狀態監測，能夠提供設備運行和維修兩方面的信息，它所提供的趨勢分析信息能進一步改進設備維修計劃，使設備維修更加準確有效，更節約費用，操作者通過它所顯示的狀態信息；及時地不斷改進操作方式，進一步提高設備運行的可靠性和效率，這兩者的經驗和積累數據，又向設備設計和制造者提供了改進設備性能和可靠性的重要信息。

發電機是電力系統的核心。隨著電力工業的發展和單機容量的不斷增大，提高發電機的產品質量，實現發電機在線監測和診斷，對其可靠運行非常重要。發電機在線監測的主要目的是檢出發電機在初始階段出現的缺陷，以便有計劃地安排檢修，從而避免事故的發生，減少事故發生造成的財產損失，也減少強迫停機的次數，降低發電機的維護費和提高發電機的可用性。

長期以來，發電廠中發電機運行所用的監測與控制方法大多都針對機組運行工況的調整，以及非正常或事故狀態的控制，很少或幾乎沒有針對潛伏性故障的早期發現或診斷。發電機交接和大修時沿用的試驗方法及標準也屬于診斷方法，其中大部分只適合停機狀態，不能滿足防止在運行中出現突發性事故的要求。

發電機在線監測與診斷系統需觀測和采集發電機運行狀態下許多電氣的、機械的、物理的、化學的數據與特性，并建立正確的數據處理系統，最后給出說明發電機運行異?；虼嬖谀撤N缺陷的信息。目前，發電機在線監測和診斷系統研制和采用的內容比較廣泛，包括定子繞組、鐵芯、轉子、氫油水系統及機組軸系各個方面。同時隨著計算機硬件與軟件技術水平的不斷提高，它們與監測技術相結合，新的功能完善的綜合在線監測系統也不斷問世，在進行在線監測的同時，還具備了趨勢分析，故障診斷功能，為實現預測維修提供了有效的技術手段，也顯著地提高了發電機運行的安全性和經濟性。

2、發電機轉子問題的提出

發電機轉子通常有多個勵磁線圈、線圈引線、阻尼繞組，這些部件在設備運行過程中承受較大的電流及離心力，在超過部件極限強度的情況下，將導致大的事故發生。例如某水電站一臺75MW的水輪發電機因轉子引線在運行中斷裂，引起發電機失磁，進而導致失步，引起阻尼條過熱，開焊斷裂的阻尼條敲擊定子端部，使定子發生相間短路，進而造成三相短路，使發電機組連同變壓器側繞組燒毀、損失慘重。無獨有偶，另外某廠一臺機組因轉子兩點間隙接地，產生過壓擊穿隔離變，引發一系列的嚴重后果，最后導致轉子報廢，這些事故都是觸目驚心的。現在，轉子繞組的斷線一般都是在停機狀態下測出的，測量轉子的匝間短路都是在發電機空載及三相穩定短路狀態下進行的，這些情況表明很有必要對轉子繞組進行在線監測，其目的在于在故障或缺陷的初始階段，提出預警，最終避免事故的發生。

3、發電機轉子故障分析

發電機的轉子作為發電機組的重要組成部分之一，也是較易出現故障的部位。轉子一般由磁極，勵磁繞組，轉子磁扼和阻尼繞組及轉軸和轉子風扇等其它輔件構成。勵磁繞組大多數采用扁銅線繞制成同心式線圈套在磁極的極身上。線圈的匝與匝之間由絕緣材料進行絕緣隔離。

我們通過對轉子的結構分析，可以確定轉子的故障表現形式，它分為三個方面：一方面是轉子支承軸承故障。另一方面表現為轉子本體故障，再一方面是轉子繞組的故障。轉子支承軸系故障主要是轉子軸承和電機軸瓦的故障，故障的診斷主要依據振動特性分析，理論上比較成熟。轉子本體故障一方面表現為純粹的機械故障，另一方面電源中的負序電壓引起的轉子渦流損耗會導致過熱引起的疲勞裂紋。轉子繞組的故障可分為斷線、接地故障、匝間短路，下面主要對其故障機理作一番分析和說明。轉子引線的斷裂是一個漸變過程。在機組大小修時處于靜態常溫下，通過對轉子繞組直流電阻的測量，稍有裂紋，從直流電阻上很難反映出來，只有在運行當中，繞組處于高速離心力和高溫環境下，才能反映出來。當出現裂痕時，使其通流密度增大，局部溫度升高，引起導體局部膨脹變形，機械強度低，加之高速向外的離心力，使其斷裂在欲斷不斷之時，伴有電弧使之燒毀，由此推斷，有裂紋到斷裂是隨時間發展的，再則通流面積減小，局部溫度升高，在此過程中，都表現為回路電阻增大。

大多數發電機都發生過或存在轉子繞圈匝間短路的故障，由于其對機組正常運行影響不大或故障特征不明顯，許多匝間短路故障都被忽略，但長期運行下去，匝間短路故障會導致轉子線圈一點甚至多點接地。匝間短路發生的主要原因是線匝絕緣的移動，轉子端部的熱變形，線圈端部墊塊的松動或護環絕緣襯墊的老化，小的導電粒子或碎渣進入線圈端部及通風溝。

匝間短路能引起轉子熱不平衡，轉子漏磁場發生變化，定子繞組并聯支路的環流及主軸軸承座的磁化，其影響程度多少取決于短路的程度及部位。當線圈發生匝間短路時，不同的接觸電阻將使熱損耗發生變化，接觸電阻越小，短路損耗越大，當繞組有一半電流被旁路時，短路損耗將達線圈總損耗的四分之一，短路會導致繞組總損耗減小，轉子平均溫度降低，而故障點短路損耗增加導致局部溫度升高、熱膨脹在很小范圍內發生.因而轉子發生不同程度的彎曲，振動增加。隨著勵磁電流的增加，振動也隨著增加。轉子線圈發生匝間短路故障時，會出現這樣幾個征兆：1）振動增大；2）勵磁電流增大，振動幅值增大；3）在勵磁電壓不變的情況下，勵磁電流增大。因此及早發現發電機轉子匝間短路對發電機安全運行有著重要意義。

4、結語

發電機運行在線監測與故障診斷技術是最近十幾年發展起來的，它能及時監測出發電機內部的隱患，避免意外災難性事故的發生，減少強迫停機次數和延長電機大修間隔，從而顯著提高發電機運行的安全性和經濟性。發電機轉子回路的在線監測主要是針對發電機的轉子一個方面而言。由于轉子回路這一部分所發生的故障可能在發電機當時運行時所引起的后果并不一定較為嚴重，只有當故障現象積累到一定程度，才會引發質的突變，產生嚴重的事故。本文通過對發電機轉子故障分析，說明發電機轉子在線監測的重要意義。

參考文獻

[1]《電機故障診斷技術》.

[2]《汽輪發電機轉子匝間短路故障分析與診斷新技術》.

[3]《電機學》.