發電機轉子繞組匝間短路故障診斷建模及應用研究

臺灣中原大學電機工程學系 翟天心

在當前的電力系統運行管理中，系統的穩定性和發電機的運行狀態間有直接的聯系。電力系統自身規模較大，一旦在運行過程中發生故障，不僅容易帶來經濟方面的損失也容易帶來災難性的后果。隨著電力系統的發展，對發電機故障診斷工作也提出新的要求，必須不斷創新故障診斷技術，從而為電力系統的安全、經濟運行提供有效保障。發電子轉子繞組匝間短路是發電機常見的一種電器故障，其將直接影響電網是否能夠穩定運行，因此應對其診斷技術加以深入研究，確保電力系統穩定運行。

1 發電機轉子繞組匝間短路故障研究現狀、故障危害及分類

在發電機轉子繞組匝間短路故障的相關研究主要針對兩個方面進行研究，分別為在線和離線，且更加注重對在線監測方式的研究，所以在針對發電子轉子繞組匝間短路的故障研究中也重點關注在線監測這種方式。

1.1 發電機轉子繞組匝間短路故障危害

如無法提前預測發電機發生轉子繞組匝間短路故障會直接影響到發電機的運行。通常發電機發生轉子繞組匝間短路故障分為兩種：一是在發生短路故障時產生大量熱量，從而導致絕緣層被燒壞，影響到線路的正常接地，如熱點持續膨脹則很容易造成變形，嚴重的話可能會出現融化情況，在短時間內如不及時進行處理可能導致故障的出現。如，在實施中如出現過熱反應直接產生破壞，也會導致主軸承被磁化，對于轉子產生直接性的影響；二是當發生短路故障時導致繞組的溫度持續升高，進而影響了機組無用功功率的正常輸出，同時也容易導致勵磁電流上漲，當一個磁極匝間出現短路故障時會直接影響到旋轉磁場的平衡狀態、導致其被毀壞，破壞發電機磁場的平衡與穩定，使發電機組出現強烈的振動，且易對其他保護部件造成損傷[1]。

因此，對繞組間短路故障進行有效的檢測能有效保護發電機，避免形成大規模事故，同時通過適當的維修與養護也能有效延長發電機的使用年限。

1.2 發電機轉子繞組匝間短路故障的分類

發電機轉子繞組匝間短路可分為穩定性和不穩定性匝間短路兩種。動態短路故障的發生率較高且造成損失較大，一旦出現漏判、誤判等情況會引發更為嚴重的后果，因此必須要對此類故障進行準確診斷，保護發電機運行及工作人員的安全。

一般整個故障的發生和發展可分為萌芽階段、發展階段及故障階段。在萌芽階段，發電機轉子繞組匝間有發生故障的征兆，但不會影響到發電機組的正常運行且發電機組的無功功率、有功功率、機組的振動情況及機端電壓、所有功率等均處于正常范圍內，在該階段中發電機組主要表現為匝間有漆片、局部過熱或匝間有油污等污染物；在發展階段，已對發電機的正常運行造成影響，且發電機組會出現明顯異常情況并表現出匝間短路等特點，在此階段內發電機振動頻率逐漸增加，影響勵磁和無功功率，但發電機組依然處于正常的狀態，在這一階段內尚未發生故障[2]；在故障階段，會直接對發電機轉子繞組匝間絕緣造成損害，并表現出非常明顯的短路征兆，嚴重影響到機組正常運行，甚至會引發接地等多種故障。故障階段發電機機組的運行情況將直接影響到整個發電機運行的安全性，因此在此階段內需立即停止機器運行，避免造成難以挽回的損失。

2 發電機轉子繞組匝間短路故障的發生原因

2.1 設計因素

設計因素是造成發電機轉子繞組匝間短路故障主因之一：因發電機設計合理性不足，有一些發電機的轉子結構不夠合理；在制造過程中因多種因素的影響導致整個制造過程不嚴謹，所以在完成制造后繞組的銅導線不符合相關標準和規定，如匝間的絕緣材料質量不佳，其中含有金屬性的硬刺，存在毛角、倒刺等問題，而后加上離心力作用的影響很容易刺穿絕緣、進而引發匝間短路故障；制造工藝過于粗糙容易造成工藝性損傷，引發匝間短路；還有一部分轉子線匝局部的風量或風控制造不合格，最終造成其運行過程中熱量較高，形成匝間短路故障。此外金屬異物也易造成匝間短路故障問題[3]。

2.2 運行因素

繞組端部殘余變形引發匝間短路故障問題，如，有一些發電機在運行過程中長時間受到熱力、電力及機械力的影響，導致繞組端部發生殘余變形或導致轉彎處的線匝沿徑向方向出現參差不齊的變化，造成匝間脫落、匝間絕緣磨損等問題，最終引發匝間短路故障；其次，處于運行狀態的發電機轉子持續高速運轉，導致發電機需承受巨大的離心力或其他多種導致其變形移位的動態應力[4]；再次，因受到其他一些因素的影響導致內冷轉子繞組堵塞，這樣也易造成短路故障；最后，如氫氣濕度較大會破壞端部繞組間的絕緣，從而引發短路故障。

除上述常見故障原因外，一些突發性事故也易造成電機發生故障，如，在進行組裝時未對轉子頂端的繞組進行有效固定處理，導致發電機在運行過程中墊塊因震動的影響而更加不牢固，或是因轉子頂部熱量過高發生的變形、匝間絕緣片移動、廢渣或較小的顆粒進入到轉子線圈頂端及透風縫隙等，都容易造成短路故障。但無論因哪種原因造成的故障，如不及時加以處理不僅易導致發電機轉子小面積過度發熱，甚至造成一點或兩點接地的危險情況出現[5]。

2.3 發電機匝間短路故障的相關分析

當發電機轉子發生匝間短路故障后，勵磁繞組分為短路勵磁回路和正常勵磁回路兩種，前者會形成短路電流，其方向與正常勵磁電流的方向相反（圖1）。如電機磁場在沒有飽和的情況下出現故障，其中勵磁磁動勢可等效成正常勵磁回路產生的磁動勢和故障回路產生的磁動勢的疊加。正常勵磁回路產生的磁動勢在不同的磁極分布下會造成不良影響，如沒有考慮到定子電樞反應磁動情況，則會出現更明顯的故障。因此只需分析勵磁故障回路產生的磁動勢即可完成故障后勵磁磁動勢的分析，其表達式如下。式中，N 為各極下勵磁線圈數；p 為極對數；j=1，2，...，n：

圖1 轉子匝間短路故障原理圖

3 電機轉子繞組匝間短路故障的診斷方法

探測線圈判別法。是檢測短路問題時常用方法，最常用的方式是安裝探測線圈，基本原理就是使用一個檢測線圈（圖2）。發電機組縫隙間的旋繞磁場可利用該裝置進行感應計算，且縫隙磁場會在線圈上產生一定的感應電動勢，然后對感應電動勢進行細微的分析，能對所產生的波形進行觀察，根據觀察波形的具體情況，幫助檢測工作人員及時發現發電機組運作過程中繞組是否發生故障，并及時了解故障的發生原因、具體發生位置等。

圖2 探測線圈安裝示意圖

定子環流判別法。主要指的是通過觀察偶次諧波電流，注意的是實現對匝間的檢查，重點分析是否存在故障。如電流本身出現異常現象，主要是由于發電機組的每相繞組都有兩個1/2相繞組組合而成。當發電機在實際運行階段，如轉子的部分磁動力出現不對稱的反應，定子繞組也會出現諧波電流，此類電流的頻率屬于波形變化且其回旋環流的速度與轉子相同。將線圈安裝在定子上可實現對環流的實時、持續監測。

無功功率和勵磁電流判別法。當發電機發生短路故障問題時會導致磁場產生去磁問題，進而影響到磁勢、使其相對減弱，主要就是因為在磁勢效果相同的條件下會產生相反的效果，從而造成繞組匝線發生短路的問題。雖然發電機轉子中的電流會因轉子匝間短路問題而不斷增加，但發電機的無用功功率不會發生變化或輕微變小，根據上述故障的特點，應準確記錄好發電機組運行過程中的各項數據信息，而后準確計算出發電機組在運行過程中所產生的勵磁電流，將明確值與記錄值進行對比就能準確判斷繞組匝線是否發生故障[6]。

智能短路故障診斷方法。是隨著科學技術水平不斷提升而形成的一種新的診斷技術，可憑借自身系統的特殊性模仿人的反饋能力，且該系統具有良好的自我學習能力，在系統運行過程中通過自我條件和自行認知，并利用各個保護單元相互輸入、相互輸出這一反饋特點能夠對故障進行有效的診斷[7]。總而言之，該系統能通過模擬人的方式，模仿人類進行自我學習與自我訓練，自動調整單元與單元間的結合度，在網絡上準確的反映出輸出單元和輸入單元間的關系，準確判斷和預測位置故障。在智能短路故障診斷技術的實際應用中，有3個最為明顯的應用優勢。

首先，智能短路故障診斷技術具有自我認知優勢，該優勢與人們日常生活中對圖片認知的原理相似，利用智能短路故障診斷系統可將很多未出現過的模板圖與相關的數據信息進行有效處理，而后再利用系統的自我認知功能更好地了解與掌握圖像處理技術。當有未知故障發生時，系統可直接將未知故障與已知故障進行對比，從而更加準確的進行預測未知故障信息，這樣就能更加準確的檢測出故障信息，總之其自我認知功能有助于提高故障診斷的靈敏度和準確度。其次，智能化系統應用中系統本身具備云端的儲存功能，可將已收集的知識存儲在云端上，如再次出現故障可及時準確的進行故障判斷。如智能短路故障頻繁出現則直接對系統產生影響，因此在處理比較復雜問題的時通常需經過大量的計算后才能尋求最佳的解決方案，但大量的計算往往會耗費大量時間。而智能短路故障診斷系統可通過模擬人類思考的方式進行快速計算，從而更快的找到解決問題的方法。