發(fā)電機轉子交流阻抗試驗原理及試驗分析

大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司海外事業(yè)部 張旭梁

發(fā)電機的事故預防和安全穩(wěn)定運行十分重要，而轉子繞阻匝間短路又是發(fā)電機經(jīng)常發(fā)生的故障之一，較輕的故障可能僅導致局部過熱和振動增大，嚴重的故障可發(fā)展為轉子接地和大軸磁化，嚴重威脅發(fā)電機和整個電網(wǎng)安全運行。大修之后或新安裝的發(fā)電機，都有可能在長期運行、檢修過程中、運輸途中或現(xiàn)場安裝過程中發(fā)生轉子線圈松動、損壞或絕緣破損故障。所以在發(fā)電機投運之前，要通過一系列試驗檢查發(fā)電機各部件是否存在缺陷或隱患，而交流阻抗試驗就是檢查轉子繞組是否存在匝間短路最有效的檢測手段[1]。

1 試驗原理分析

1.1 阻抗計算

感抗計算。轉子線圈感抗計算公式為XL=ωL=2πfL，電感計算公式為L=（k×μ0×μs×N2×S）/l，從公式能夠看出，感抗值與線圈匝數(shù)的平方成正比。如果轉子繞組出現(xiàn)匝間短路，則轉子繞組有效匝數(shù)就會減少，所以交流感抗就會減小。其中：XL為線圈電感值，單位為Ω；L 為線圈電感值，單位為H；μ0為真空磁導率=4π×10-7；μs為線圈內(nèi)部磁芯的相對磁導率；N 為線圈匝數(shù)；S 為線圈的截面積，單位為m2；L 為線圈的長度，單位為m；k 為系數(shù)。

電阻計算。轉子線圈電阻值為R=ρL/S，從公式可以看出，電阻值和線圈的長度成正比，當線圈發(fā)生匝間短路時，線圈的長度L 變短，而線圈面積和電阻率保持不變，從而導致電阻值也變小。其中：P 為線圈電阻，單位為Ω·m；S 為線圈橫截面積，單位為m2；R 為線圈電阻值，單位為Ω；L 為線圈的長度，單位為m。

阻抗計算。由感抗計算公式和電阻計算公式可以得到轉子線圈的阻抗計算公式為｜Z｜=（XL2+R2）1/2，其中：｜Z｜為線圈的阻抗，單位Ω。由感抗計算公式和電阻計算公式可知，當轉子線圈發(fā)生匝間短路時感抗XL和電阻R 都減小，所以根據(jù)阻抗計算公式可以判斷線圈阻抗｜Z｜必然減小。因此，通過測量轉子繞組交流阻抗與其出廠或歷次試驗數(shù)據(jù)進行比較，就可有效判斷轉子繞組是否有匝間短路，并可根據(jù)感抗值的變化大小知道短路的嚴重程度。

1.2 功率損耗計算

對轉子匝間短路的功率損耗進行定性分析，可以發(fā)現(xiàn)當轉子線圈發(fā)生匝間短路時，在交流電壓作用下，流過短路匝的電流會比正常繞組中的電流大N 倍（N 為轉子繞組線圈的匝數(shù)），這個短路電流會有很強的去磁作用，使得轉子繞組的功率損耗明顯增大。對轉子匝間短路的功率損耗進行定量分析，轉子線圈功率損耗可由公式Q=ωL×I×I 或Q=U×U/(ωL)進行計算。電感L 由于匝間短路減小，但線圈中的電流卻會以平方的倍數(shù)增加，或者說當轉子線圈外加交流電壓不變時，電感L 由于匝間短路減小從而使得線圈功率損耗Q 會明顯增大。其中：Q 為線圈無功功率損耗，單位為Var；I 為流過線圈的電流有效值，單位為A；U 為線圈兩端的有效電壓有效值，單位為V。

2 轉子交流阻抗試驗

2.1 試驗目的

發(fā)電機并網(wǎng)之前，測量不同轉速、不同外加電壓下轉子的交流阻抗和功率損耗；發(fā)電機超速試驗結束后，再次測量轉子的交流阻抗和功率損耗，檢查轉子線圈在超速試驗之后是否有松動或者損壞[2-3]。

2.2 試驗準備

準備試驗用轉子交流阻抗測試儀、調壓器等試驗設備；在現(xiàn)場沒有轉子交流阻抗測試儀時，可使用調壓器、標準CT、交流電壓表、交流電流表、有功功率表按照圖1接線進行試驗；拆除發(fā)電機碳刷與勵磁整流柜出線連接螺栓，為試驗臨時接線做準備；將汽機轉速分別穩(wěn)定在0～3000prm 之間幾個規(guī)定的某個試驗轉速。

圖1 交流阻抗試驗接線圖

2.3 試驗過程

由試驗人員將試驗設備連接好之后，首先測量轉子靜止時的數(shù)據(jù)，然后將發(fā)電機轉速逐漸升至規(guī)定轉速保持不變，通過電壓調節(jié)器調整轉子繞組兩端電壓的大小，每次增加幅度為10V，逐漸將試驗電壓增加至200V 左右，安排專人每間隔10V 記錄一次轉子電流、功率數(shù)值。上一轉速下的數(shù)據(jù)測量完畢后，升高發(fā)電機轉速至下一轉速，重復進行測量，直到轉速升至3000prm 進行最后一次測量。整個試驗過程要注意轉子外加交流電壓的幅值不能大于轉子額定電壓，否則可能發(fā)生轉子繞組絕緣損壞、擊穿事故[4]。試驗數(shù)據(jù)記錄完成后，通過計算可以得到不同試驗電壓下的轉子阻抗值并記錄到數(shù)據(jù)單中存檔，作為故障分析的依據(jù)。試驗結束后，將發(fā)電機轉子轉速降至0prm，拆除交流阻抗試驗試驗臨時接線，恢復原有系統(tǒng)正常接線。

2.4 試驗結果

通過某廠在發(fā)電機轉子0prm 和3000prm 時的兩次轉子交流阻抗測量的記錄數(shù)據(jù)，可以得出以下結果：相同試驗條件下，兩次測量的結果基本一致，偏差很小；在0prm 時，外加試驗電壓為190V，阻抗變化率為0.28%，功率損耗偏差為20W，符合電力設備預防性試驗規(guī)程要求；在3000prm 時，外加試驗電壓為190V，阻抗變化率為0.77%，功率損耗偏差為65W，符合電力設備預防性試驗規(guī)程要求；從圖2和圖3可以明顯的看出，在0prm 和3000prm時，兩次試驗的測量阻抗與試驗電壓形成的曲線基本重合，無明顯偏差，符合電力設備預防性試驗規(guī)程要求。

圖2 轉子0rpm 時兩次交流阻抗測試結果對比圖

圖3 轉速3000rpm 時兩次交流阻抗測試結果對比圖

以上結果可以充分說明在兩次測量期間回轉子路沒有發(fā)生絕緣不良或者匝間短路故障，轉子繞組處于正常狀態(tài)，發(fā)電機可以投入運行，并且能夠保證轉子繞組運行的安全性。

3 結語

從原理上分析，可以根據(jù)轉子交流阻抗和功率損耗的變化，判斷出發(fā)電機轉子繞組存在的匝間短路問題。而交流阻抗試驗接線簡單、方便，可以快速、準確地測量出轉子交流阻抗和功率損耗，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際條件。對匝間短路故障的判斷應將二者結合起來進行綜合分析、判斷才比較有效、準確。同時，數(shù)據(jù)要與出廠資料和歷次試驗數(shù)據(jù)比較，與同種設備再進行比較，如果結果都在合格范圍內(nèi)，說明轉子回路良好。如果有些數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，可反復用不同接線方法或重復試驗進行再次確認，防止試驗中由于某種因素的干擾影響了試驗數(shù)據(jù)的準確性。如果試驗數(shù)據(jù)是準確的，說明轉子回路確實存在一定問題，那么就一定要查明原因，將轉子匝間短路故障消滅在萌芽狀態(tài)，確保機組安全運行。