發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷方法

栗冬

摘要：在影響發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的原因之中，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是不可忽視的一種故障，也給機(jī)組的運(yùn)行帶來很大的威脅。因此，必須采用行之有效的方法對(duì)轉(zhuǎn)子繞組狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的故障診斷，用以增強(qiáng)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。本篇論文首先介紹了轉(zhuǎn)子匝間短路發(fā)生的原因以及常見的幾種形式，而后對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路的幾種診斷方法進(jìn)行了介紹和分析，探討了各種方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

1 引言

能否及時(shí)的對(duì)轉(zhuǎn)子繞組故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，很大程度上決定了機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。在故障發(fā)生的早期，并沒有非常明顯的特征顯現(xiàn)，只是轉(zhuǎn)子振幅、勵(lì)磁電流會(huì)在較小的程度上與正常值存在偏差，也不會(huì)對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行造成什么影響。但是如果不在故障發(fā)生早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，匝間短路故障會(huì)不斷惡化，尤其是短路點(diǎn)和線棒的持續(xù)過熱，會(huì)引起絕緣墊條損傷，甚至導(dǎo)致線棒形變，更嚴(yán)重的，會(huì)造成轉(zhuǎn)子繞組接地性能故障，最終導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)。除此之外，匝間短路帶來的轉(zhuǎn)子振動(dòng)如果不加以控制，會(huì)導(dǎo)致軸電壓的升高，進(jìn)一步造成轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的損壞，更嚴(yán)重的，會(huì)危及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)匝間短路故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，對(duì)提高機(jī)組安全運(yùn)行水平，有著重要的意義。

2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的常見形式及原因

在發(fā)電機(jī)組安裝以及運(yùn)行的過程中，有很多原因可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子匝間短路故障的發(fā)生，這些原因大體上可以分為靜態(tài)原因和動(dòng)態(tài)原因：

（1）靜態(tài)原因：在生產(chǎn)或安裝時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子端部的繞組未進(jìn)行牢固的固定或者墊塊松動(dòng);在加工的過程中，由于加工工藝的缺陷，導(dǎo)致繞組銅導(dǎo)線倒角不合格等缺陷，抑或是匝間絕緣進(jìn)入了金屬異物或者凹凸不平。（2）動(dòng)態(tài)原因：在機(jī)組運(yùn)行的過程中，發(fā)電機(jī)會(huì)承受巨大的機(jī)械負(fù)荷，特別比如離心力以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力，這也導(dǎo)致系統(tǒng)非常容易發(fā)生故障。對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷態(tài)啟動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子電流突然增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生局部的絕緣損傷。此外，在機(jī)組高速運(yùn)行的過程中，離心力會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組的變形。除了這些原因，在發(fā)電機(jī)靜動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而造成匝間絕緣相對(duì)錯(cuò)位，從而引發(fā)匝間短路。如果運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了異物誤落入轉(zhuǎn)子繞組中，也有可能會(huì)導(dǎo)致匝間短路。當(dāng)以上所述的各類原因經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累后，就會(huì)導(dǎo)致匝間短路的發(fā)生。

匝間短路發(fā)生后，會(huì)產(chǎn)生以下幾種嚴(yán)重后果：（1）由于匝間短路會(huì)導(dǎo)致磁路不平衡，且隨著轉(zhuǎn)子電流增加，這種不平衡的程度會(huì)愈加嚴(yán)重，甚至直接影響機(jī)組運(yùn)行;（2）轉(zhuǎn)子電流持續(xù)增大時(shí)，必須對(duì)發(fā)電機(jī)的無功出力進(jìn)行限制;（3）持續(xù)的磁路不平衡，會(huì)導(dǎo)致“單極電勢(shì)”和“單極電流”的產(chǎn)生，進(jìn)一步導(dǎo)致大軸發(fā)生嚴(yán)重的磁化;（4）匝間短路的短路點(diǎn)處持續(xù)過熱，嚴(yán)重者可能會(huì)造成繞組接地問題。

3 匝間短路故障診斷方法

針對(duì)匝間短路的故障診斷，各大高校和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，并提出了一些已經(jīng)在工程上得到廣泛應(yīng)用的檢測(cè)方法。隨著研究不斷深入和發(fā)展，許多檢測(cè)方法也暴露出一些缺點(diǎn)和局限性，下面就對(duì)常見的幾種檢測(cè)方法進(jìn)行介紹和分析。

3.1直流電阻法

由于匝間短路故障會(huì)造成直流電流變小，所以直流電阻法的原理就是測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組的直流電流，來判斷匝間短路的發(fā)生。但是由于大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組總匝數(shù)非常多，因此個(gè)別匝的短路造成的直流電阻的變化也很小，即使使用比較精確的測(cè)量方法，也很難精確的發(fā)現(xiàn)匝間短路故障的發(fā)生。因此直流電阻法在靈敏度上有很大的局限性，只能作為判斷時(shí)的一種輔助措施。

3.2 RSO方法

RSO方法，即重復(fù)脈沖檢測(cè)法，利用了故障行波理論，這種方法是采用信號(hào)發(fā)生器對(duì)著轉(zhuǎn)子兩極發(fā)出脈沖波，匝間短路造成的阻抗突變，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)反射波和投射波，在檢測(cè)點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)通過曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的區(qū)別，判斷出匝間短路發(fā)生的位置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)較靈敏，對(duì)于比較小的匝間短路故障的發(fā)生，也有比較好的檢測(cè)效果。但是這種方法也存在它的局限性，那就是不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

3.3探測(cè)線圈波形法

對(duì)于發(fā)電機(jī)檢修過程中匝間短路故障的檢測(cè)，利用RSO方法的效果很好。但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)發(fā)電廠電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，匝間短路故障的發(fā)生對(duì)機(jī)組的運(yùn)行存在很大的威脅，因此，必須開發(fā)出可以對(duì)轉(zhuǎn)子繞組狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法。目前應(yīng)用最廣泛的就是探測(cè)線圈波形法。其原理是利用匝間短路發(fā)生時(shí)造成的氣隙磁場(chǎng)的異常分布，在氣隙中設(shè)置磁場(chǎng)探測(cè)線圈。通過分析探測(cè)線圈測(cè)得的電勢(shì)波形，就可以獲得匝間短路故障的發(fā)生位置。

4 結(jié)論

作為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中最為常見、危害也較大的一種故障，如何在早期對(duì)匝間短路故障進(jìn)行發(fā)現(xiàn)并及時(shí)修整，防止其擴(kuò)大導(dǎo)致嚴(yán)重后果，是廣大工程技術(shù)人員高度重視的問題。重復(fù)脈沖檢測(cè)法的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度都比較高，也可以很好的發(fā)現(xiàn)匝間短路發(fā)生的位置，但是由于它只適用于離線檢測(cè)，因此存在較大局限性。相比之下，探測(cè)線圈法檢測(cè)便利，準(zhǔn)確度高，最優(yōu)越的一點(diǎn)是可以用于在線監(jiān)測(cè)，因此可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，提高了故障診斷的及時(shí)性和可靠性，因此獲得了較為廣泛地應(yīng)用。

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