大型發電機繞組電氣故障分析

丁鵬飛

（山西魯晉王曲發電有限責任公司，山西 長治 047500）

0 引言

在現代電力生產中，大型發電機非常常見，是最為重要的電力生產設備，且價格非常昂貴。可以說大型發電機安全、可靠、穩定的運行是電力系統穩定供電的基礎，對于社會穩定、經濟發展以及人們的正常生產生活尤為重要。在大型發電機運行過程中，電氣繞組電氣故障是較為常見的電氣故障之一，按照電氣故障的發生的位置以及原因不同，其主要分為定子繞組電氣故障、轉子繞組電氣故障，以及由大型發電機不對稱運行引起的繞組電氣故障。這些電氣故障都會造成突然短路問題，引起大型發電機繞組破壞，會對大型發電機造成極大的危害。因此，在實際工作中，要根據實際情況，分析大型發電機繞組電氣故障產生的原因與部分，并針對性采取措施，快速查找和排除電氣故障，并設置一定的預防措施，以保證大型發電機的安全穩定運行，保證電力的穩定供應[1]。

1 定子繞組的電氣故障分析

1.1 定子繞組電氣故障概述

大型發電機內繞組電氣故障常見于同步電機的定子繞組中，此類故障的主要類別包括以下幾個，分別是同支路匝間短路、同相不同支路匝間短路、相間短路以及支路開焊等。同步電機定子繞組故障在大型發電機中比較常見，而且可以造成較為嚴重的后果。主要是由于同步電機出現定子繞組電氣故障后，可以產生非常大的短路電流，從而引起過熱問題導致大型發電機的結構部件燒毀，并且會引發破壞性極大的電磁力，引起強大的負序磁場，其可能會遠遠超過設計的允許值，并嚴重損壞轉子。此外，在定子繞組電氣故障中，單相接地引起的繞組故障也是較為常見的起因之一，一般指的是鐵芯和定子繞組之間的絕緣被擊穿，從而導致的短路引發定子繞組電氣故障[2]。

1.2 定子繞組電氣故障原因

多數情況下，導致定子繞組故障的原因都是由于電子繞組的絕緣層破壞。絕緣層破壞主要包括自然老化過程以及絕緣層被擊穿，大多數情況下是兩種因素共同作用的結果。如果發電機的端口發生相間短路，則發電機會產生大電流，該電流是額定電流的4~5倍。由于產生極大的瞬時短路電流，會引起破壞性極強的電磁力以及電磁轉矩，并對電子繞組、轉軸以及機座等產生強烈的沖擊，巨大的沖擊力可能會損壞以上部件，并可能直接導致發電機定子短桿產生嚴重的變形、斷裂和絕緣損壞。除以上因素外，繞組絕緣層損壞也肯能由其他原因引起，比如定子鐵芯疊層松動、磁性物體掉落在絕緣表面等。而且一些生產廠家制造發電機時，由于缺乏嚴格的安裝，導致運行過程中轉子的固定部件的掉落以及由于的接頭焊接脫落而導致的電線絕緣部分缺陷。以上這些因素都可能損壞定子繞組的絕緣層，從而引發定子繞組電氣故障[3]。

1.3 定子繞組電氣故障分析方法

對定子繞組電氣故障進行分析時，有多種方法，常采用的主要有以下三種，以下分別進行介紹：（1）解析計算法：最為常用的解析計算法是依據多回路理論的多回路分析法。通過多回路理論可以建立凸極同步發電機定子繞組內部故障瞬態數學模型，作為分析定子繞組電氣故障的主要基礎。然后可以根據定子和轉子的實際回路寫出電壓以及磁鏈方程。對回路參數進行計算時，要先計算單個線圈以先獲得單個線圈的參數，然后根據不同線圈的實際參數計算每個線圈的參數，并通過實際組成計算回路參數。需要注意的時，在運行過程中要考慮定子和轉子之間的相互運動引起隨時間變化的電感系數，從而建立時變微分方程。根據以上方程進行求解，可以獲得凸極同步發電機定子繞組的暫態和穩態分量。（2）試驗研究法：發電機的故障行為以及校準接地保護裝置主要使用試驗研究法。大型發電機價格非常高，因此具有非常高的使用成本，該方法被認為是安全，經濟和可行的方法，因此被廣泛使用。其主要是在實驗室中，采用動模機組動態模擬發電機的故障試驗，以獲得相關的數據，并與實際運行情況相比較，以采取一定的預防措施對發電機進行優化。（3）數字仿真法：該方法顧名思義，就是通過以計算機為代表的信息技術，通過對發電機真實系統的所有參數輸出仿真軟件，建立真實的數學模型對其進行分析。主要如下：①測量計算機真實參數，建立基于發電機真實參數的數學模型；②根據數學模型通過仿真軟件建立仿真模型；③編制仿真模型的調試程序；④利用調試程序對仿真結果驗證分析。數字仿真法具有經濟、安全、靈活、方便等優點。因此，在實際中應用非常廣泛，且取得了非常好的效果。

2 轉子繞組電氣故障分析

匝間電氣故障和接地電氣故障是轉子繞組電子故障中最為常見的兩類故障，以下分別進行介紹。

2.1 匝間短路電氣故障

匝間短路電氣故障極為常見，我國的多數大型發電機都存在這一故障。導致這一故障的主要因素時繞組絕緣層損壞，從而會導致轉子繞組匝間短路，并引起非常大的短路電流形成局部過熱點。局部過熱點如果長時間未進行處理，則會由于高溫引絕緣層進一步損壞，又會造成匝間短路問題更為惡劣，由此導致惡性循環。匝間短路電氣故障還會引起磁通量不對稱的問題，磁通量不對稱會導致轉子受力不平衡，引起轉子振動。此外，磁通量不對稱還會造成電子繞組的各類組件出現磁化問題，并進一步引發轉子接地故障。引發該類故障的主要原因是由于發電機的轉子結構中含有較多的磁極線圈、線圈引線、阻尼繞組等，且在運行過程中存在比較大的轉動慣性量，產生一定的離心力。在離心力的作用下，轉子轉動過程中會造成繞組絕緣移動，而繞組的端部會受熱變形，從而導致端部的墊塊松動，或者繞組絕緣層老化等問題，此外還可能會有一些微小的導電性離子或者雜物落入到端部與轉子中間的通風溝，從而引起匝間短路電氣故障[4]。

2.2 接地電氣故障

單點接地故障與兩點接地故障是轉子繞組電氣故障中最為常見的兩種故障。引起接地電氣故障的主要原因是勵磁電阻的絕緣層出現破壞問題，導致勵磁繞組的導體與轉子鐵銹接觸。其中繞組接地的單點接地故障非常常見，被認為是一種常見的異常運行狀態，其一般不會造成較為嚴重的后果。導致這種認知的主要原因是單點接地故障發生后，勵磁電源會產生非常大泄漏電阻，因此在一定程度上限制了接地泄漏的電流大小。但是當出現另一個接地點時，即兩點接地故障時，則會極大的降低勵磁電源的泄漏電阻，從而造成匝間短路問題，引起非常嚴重的短路故障。在我國大型發電機運行過程中，兩點接地故障已經引發了多次嚴重事故。當出現轉子繞組兩點接地故障時，故障顯示一般在控制屏上表現為勵磁電流和定子電流突然增大、勵磁電壓和機端出口電壓下降，同時功率因素增加，伴隨著強烈的振動。這種情況下，應該執行緊急停機操作，以確保不會導致設備的損壞。

轉子繞組兩點接地故障的危害較大，主要表現為以下幾點：①當出現轉子繞組兩點接地故障時，這種狀態下繞組部分會出現短接問題，那么會引起勵磁繞組的滯留電阻降低，同時勵磁電流上升。這種情況下，當匝數比較多時，則會導致發電機的的主磁通量的減少，那么發電機的感性無功輸出會下降，導致機端電壓下降，但是會引起定子電流快速升高；②如果發生轉子繞組兩點接地故障時，那么在繞組短接方向的磁極磁勢會降低，但是其他磁極的磁勢并不會因此而改變，仍然保持原有的大小。這就造成了轉子磁通量的平衡性被打破，同時會出現徑向電磁力導致轉子因受力不平衡而振動。振動的劇烈程度直接與短路的圈數以及勵磁電流的大小相關。該問題，在多極水輪機中尤為嚴重。另外，轉子繞組兩點接地故障也會以前你軸系或者汽機出現磁化問題。③發生轉子繞組兩點接地故障后，由于在兩個接地點之間形成了回路，那么會造成回路之間的勵磁繞組短路，如果兩點之間較遠，那么會產生非常大的短路電流，短路電流會造成嚴重的過熱問題，在嚴重情況下，可能會引起火災。

造成轉子接地電氣故障的主要原因是由于在發電機正常運行過程中，轉子處于不斷旋轉的運行狀態，因此，在其線圈上會持續承受較大的離心力。隨著運行時間的延長，在持續離心力的作用下，轉子繞組會有所松動，從而可能導致繞組絕緣層老化或者損壞。同時由于勵磁電流引起的熱效應會加速這一過程。此外，由于長期運行，繞組上不可避免會聚集灰塵污垢等，這就需要定期進行維護，而維護過程中維修人員因各種原因可能出現失誤，從而導致繞組的絕緣層損壞，會惡化這一問題。

3 不對稱工作的影響

三相電流平衡對稱長期運行原則，是制造大型發電機的基本原則。因此，發電機的三相負載均衡對于其運行尤為重要。即便是小容量的單相負載也應該均勻分布由三相負載。然而，在發電機運行過程中會不可避免的遇到不對稱情況，例如具有大功率單相電爐、電力機車，以及雷擊和強風將導致傳輸線斷開，從而導致單相斷電或不對稱短路等。以上問題均會造成發電機的不對稱工作。而不對稱工作會導致轉子過熱和轉子振動等問題，影響大型發電機的運行[5]。

4 結語

在發電機的長期運行過程中，電氣故障問題主要是由繞組電氣故障引起的。其中定子繞組電氣故障與轉子繞組故障較為常見，也是導致發電機停機的主要原因。因此，針對性分析上述故障的原因與危害，對于大型發電機的維護與優化有非常重要的意義，也有助于供電系統的穩定運行。