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摘 要：在发电机转子匝间短路初期，故障表现不明显，对发电机的正常运行影响较小，故一般较容易忽视发电机转子匝间短路问题。但随着故障的继续发展，匝间短路严重时将造成发电机大轴、轴瓦磁化。若磁化严重需进行退磁处理，则负序磁场可能损伤转子，造成转子一点甚至两点接地、烧毁护环等恶性事故的发生，给机组稳定运行产生较大影响。鉴于此，本文对汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断进行了分析探讨，仅供参考。
关键词：发电机；匝间短路；故障
一、汽轮发电机的结构特征
通常，发电机都是由定子、转子、端盖及轴承等部件组成的。在这些部件当中，转子是由转子铁芯绕组、护环、中心环、滑环、风扇及其转轴等部件组合而成的，定子则是由铁芯线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成；发电机的定子、转子需要由轴承和端盖连接起来，从而使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动并产生感应电势，再通过接线端子引出，接在回路中，产生电流。
高速汽轮发电机的转子直径会做得很小，长度很大，采用的多是细长的转子。这是为了降低由于离心力而产生的机械力。因为材料强度的关系，尤其在3000转/分以上的大容量高速机组，转子直径都要小于1.2米，对于这一点的要求需要非常精准。另外，转子自身的长度与临界速度有着密不可分的关联，会受到临界速度的影响。当本体的长度直径达到六倍以上的时候，转子的第二临界速度将会和电机的运转速度十分接近，此时，运转中也会有比较明显的振动，因此要格外注意电机转子的尺寸。以十万千瓦的空冷电机来说，其转子尺寸已经达到了所要求的极限，如果还要增加电机的容量，就只能通过增加电机的电磁负荷来完成，为此就需要在电机冷却上下功夫。可以采用水冷或是氢冷技术来完成这项工作，它们的冷却技术较好，可以完美应用于五至十万千瓦以上的汽轮发电机上。
二、汽轮发电机转子结构及匝间短路的故障原因分析
汽轮发电机转子的匝间短路严重影响发电机的安全稳定运行，运行中造成励磁电流增大，输出无功功率减少。转子振动加剧、转轴轴电压增高等不良影响。如果对转子匝间短路故障不能及时发现，则会产生很大的危害，短路点处的过热会导致绝缘损坏造成接地、线棒过热会引起局部变形或烧熔，故障的进一步发展会造成大轴整体磁化，护环烧损，或烧伤轴颈和轴瓦等，甚至会造成转子烧损事故。所以。必须及时找出故障点，予以消除，这而解决这一问题，必须进行发电机转子匝间绕组短路故障的分析，并采用正确的处理方法。
1、转子绕组
转子绕组提供旋转磁场，每胚绕组由两根导体组成，大概厚度为2-8mm，宽度为20-40mm，采用云母板进行匝间绝缘。转子绕组主要由含银低、机械强度高的铜冷拉成型，轴向每隔7-8cm沿宽度方向冲有双排孔通风，转子绕组端部是由两根并用凹型铜线形成的透风通道。在转子铁芯槽内放置被槽换固定的转子绕组。槽换是由小密度、高机械强度的合金硬铅制成，为了降低绕组蠕变损坏绝缘的风险。转子绕组对绝缘材料的要求也非常高，尤其当转子发生匝间短路时，要求绝缘材料承受由高电压产生的极大热应力。为防止绝缘原料过热老化，要严格控制转子温度低于120～130℃。转子绕组和集电环间的连接线-转子引线，是励磁电流通过集电环进入转子绕组的独一通路。引线埋设在轴中央孔内，其横截面为半圆形，正、负各有一条。
2、集电环-电刷
励磁电流经过电刷和集电环流入转子绕组。在轴承的发电机励磁机外侧不止包括正负两个环的集电环。因集电环表面高达30-70m/s运转速度，集电环也是由强耐磨性和高机械强度材料制成。集电环表面上有螺旋沟，是为了破坏旋转时产生的气膜，改善电刷表面的电流分布情况，在环上开有轴向通风孔，为了方便集电环散热。依据两极的电腐蚀快慢水平差异，运行中要按时调换集电环的正负极。
石墨制成的电刷，导电性能良好，与集电环被装在同一小环室内，保持二者表面清洁和降低噪音。为担保电刷与集电环之间的正常接触，电刷由刷握来稳固。电刷极易损坏且维修起来较麻烦，所Ｗ在日常运行中要随时了解电刷振动、磨损程度、温度和噪音等情况，一旦出现异常，立刻采取措施进行修复。
3、制造方面
汽轮发电机转子制造过程复杂，生产技术要求高，包括上百道工序，涉及到焊接、热套、机电性能试验、动平衡试验及金属非金属的加工等多项技术。虽然对每一道工序都严格审查，防止匝间短路故障的出现，但由于工序多、生产周期长，还是难免在制造环节中为匝间短路埋下隐患。
主要原因有:①绕组铜导线上存在倒角去毛刺，端部拐角不平或有褶皱:②转子端部绕组松动，垫块不牢固，主要是由于运行中铜铁温度不同引起绕组发生相对位移，而在设计时却没有采取有效措施;③匝间绝缘垫片漏垫或垫偏，绕组通风孔堵塞;④绕组导线的焊接头与相邻两套线圈间的连接线之间焊接不良;⑤工艺粗糙导致转子护环内残存金属切屑等异物。
4、运行方面
运行时，引发短路的主要原因有:①由于转子高速旋转，其运行时受到很大的机械应力、热应力和电磁力，易降低转子的寿命;②发电机在启动或停止时，由于电流变化量大，导致离心力变化大，另外热胀冷缩使线圈发生位移，绕组线蠕变、塑性变形慢慢积累致使匝间绝缘和对地绝缘的损伤;③转子绕组的通风孔被堵塞，产生的热量散发不出去，导致局部过热，烧毁匝间绝缘。
由于以上制造和检修工艺不当以及运行方面等不可避免原因的存在，很容易引发转子短路故障。为了降低事故风险，特意提出了一些预防措施:①进一步加强发电机出厂产品的设计工艺及质量监督:②优化运行管理，当运行中出现转子振动剧烈、绕组温度过高或励磁电流急剧升高时，不宜使其连续长期满负荷运行，要适应降低负荷，严重时立刻停机检修。
三、故障分类
转子绕组匝间短路按照短路是否随着转子的转动状态和运行工况而变化，可分为稳定性匝间短路和不稳定性匝间短路（或称为动态匝间短路），其中动态匝间短路占多数。
就故障发展的过程来分，转子绕组匝间短路可以分为萌芽期、发展期和故障期三个阶段。在萌芽期，转子绕组匝间出现初始异常征兆，机组运行还未受到影响，发电机组振动、励磁电流、机组无功及轴电压等均符合正常运行工况，故障表现为局部过热、匝间以稳定的高阻短路或匝间绝缘间存在油污、漆片等污染物。在发展期，机组运行已经出现异常，匝间短路基本或已经具备稳定特征，此时发电机在运行状态下振动增大、机组励磁和无功受到影响，但运行工况限制尚未突破。在故障期，绕组匝间绝缘已经出现明显的严重短路征兆，发电机组振动超标、无功严重降低（励磁电流超过额定要求）、转于温度高等异常运行工况，已危及发电机组的安全运行，甚至发生转子接地等故障，这种状态下要求机组立即停机，进行故障处理和全面检修。
发电机转子绕组匝间短路故障诊断的目的是尽可能在故障的萌芽期和发展期准确地诊断出稳定性匝间短路和动态匝间短路，分析故障发生的原因，并确定故障发生的部位和严重程度。
四、汽轮发电机转子绕组匝间短路故障检测方法的控制
1、空载试验法
通过测量空载状态下发电机转子的励磁电流，将其与历史测量值进行比较，根据励磁电流变化的程度来判断转子绕组是否存在匝间短路故障。存在匝间短路故障的转子绕组，其空载电流将比历史值有所增大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆不过，当短路匝数较少时，空载下励磁电流的增长不会很明显，因此空载试验只能作为判断匝间短路故障的参考。
2、单开口变压器法
由于在转子绕组中通入交流电后，转子槽齿将产生交变磁通，因此可用一只开口变压器和槽齿构成闭合磁路，测量转子各槽上漏磁通引起的感应电压，再根据线圈上所感应的电势大小和与电源电压之间的夹角来判断转子绕组是否发生匝间短路。当短路点发生在线槽上部时，得到的结果比较明显；而短路点靠近槽底或槽的中部时，开口变压器中测得的感应电势的数值明显降低。相关试验结果表明，当磁性槽楔下的线圈发生匝间短路时，此方法反应不灵敏。
3、双开口变压器法
双开口变压器法是基于电磁感应的原理，将两个开口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽齿上；对其中一个变压器施加励磁电源，当槽内线圈有匝间短路时，由于部分磁通要经另一变压器闭合，因此会在此变压器上感应出电势；此时再测量另一个变压器的感应电势，若发现感应电势相比无匝间短路时成倍增加，则说明转子线圈存在匝间短路故障。
4、直流电阻测量法
通过测量转子直流电阻的降低来检测转子匝间短路故障。理论上，出现匝间短路故障时，转子绕组的直流电阻值会变小，因此通过测量其直阻值的下降，可判断转子存在匝间短路故障。但是，当发生匝间短路的匝数很少时，此方法就很难准确判断转子绕组是否存在匝间短路故障。
5、交流阻抗和损耗试验
在旋转状态下转子交流阻抗测量用装在绝缘刷架上的电刷将测试电源接到集电环上，并在50V、100V、150V、220V各电压下，测量并记录电压、电流、功率及交流阻抗，当这种差异小于某个限定值（JB/T8446—2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》规定的①各极线圈在每一转速及电压下的阻抗差不得大于最大值的3%②测量整个转子绕组的阻抗，但每隔300r/min之间的阻抗差不得大于最大值的5%）时，可认为转子绕组不存在匝间短路故障；反之当这种差异超过该限定值时，即阻抗下降较多，功率损耗增加较多时则判断转子绕组很有可能出现了匝间短路故障。
6、两极电压平衡试验
在静态试验中，通过测量两极绕组上的电压降，比较两者之间的电压差异来判断转子绕组是否存在匝间短路故障。当这种差异小于某个限定值（JB/T8446—2005《隐极式同步发电机转子匝间短路测定方法》规定两极线圈间的电压差不得大于最大值的3%）时，可认为转子绕组不存在匝间短路故障；而当这种差异超过该限定值时，则判断转子绕组出现了匝间短路故障。
7、重复脉冲波形（RSO）法
RSO方法基于行波理论，通过双脉冲信号发生器，对转子两极同时施加前沿陡峭的高频冲击脉冲波，通过比较对称性，验证转子绕组是否存在匝间短路。正常情况下，两条响应曲线应当十分吻合；当两条曲线非吻合度达到一定的程度时，即判断转子绕组存在匝间短路故障。述方法只能在发电机停运状态下进行，无法在运行工况下检测转子绕组是否存在匝间短路故障，而且除了单开口变压器法和RSO法外，其它检测方法都难以实现故障的准确定位，同时上述方法也不能对动态匝间短路故障进行检测。目前，发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测方法主要有以下几种。
7.1探测线圈法
目前，在线诊断发电机转子匝间短路的常用方法是探测线圈法，该方法通过一个安装在发电机气隙中的探测线圈来测量发电机励磁电流产生的漏磁量。正常时，每个槽的漏磁量与该槽励磁电流大小成正比；当转子绕组发生短路时，该槽漏磁量将减少，探测线圈即可根据测得的漏磁量变化情况判断出转子匝间短路所在槽。由于漏磁通量相对于主磁通量非常小，测量较为困难，在发电机带实际负荷运行时影响较大，探测线圈检测到的波形畸变较严重，因此不便用于匝间短路故障的诊断。通常的做法是将解列后的发电机三相出线短接，然后进行励磁，待定子绕组中的电流升至一定程度时，通过在线检测装置来获取气隙磁场中的转子动态匝间短路波形。
7.2励磁电流和振动的变化法
根据相关文献记录，在发电机转子发生轻微匝间短路时，发电机振动与励磁电流变化成正相关性是最有效的识别转子匝间短路的方法。当转子绕组出现了匝间短路故障后，定子气隙中的电磁场发生畸变，转子因受到了不平衡电磁力而发生振动，且一般随着励磁电流的增大，不平衡力将加剧，转子的振动也相应增大。但该方法只能确定发电机转子存在匝间短路的可能性较大，无法判别匝间短路的发生位置。
五、转子匝间短路故障处理措施
现场处理。最快的办法就是先通过省内电力科学院技术人员对转子可能存在的动态多点匝间短路情况进行分析并马上和厂家技术人员沟通，若在膛内分析不能确定，则决定对转子进行膛外检查。膛外检查是现场处理中较为常用的方法，技术人员利用内窥镜对转子线圈的形状是否发生变化进行检查，如果未能发现较为显著的故障点，还需要通过两极电压平衡试验和绕组分布电压试验、交流阻抗和损耗试验进行配合来进一步检测。若不能确认是否有匝间短路，再请厂家派技术人员到现场进行确认，若再不能确认则返厂处理，将设备送至厂家处理更有保证。在转子匝间发生短路后，通常需要拔护环，抬线圈等处理。现场处理仅能保证设备在短时间内可以正常运行，而后又出现类似的故障。因此，建议在进行了初步的现场处理后，为确保机组正常高效、长期、稳定的运行，还是将转子返厂进行彻底检查和修理。
返厂处理。返厂处理，主要是对转子进行抬线圈检测，通过对线圈励端正极和励端负极不同位点的检测，发现并处理匝间短路位点。虽然返厂处理需要耗费大量的时间，需要的维修费用也较高，但是返厂处理的效率更高。若是在现场处理中，初步可以判断为转子是多点动态匝间短路，建议将转子直接返厂进行处理。
其他建议。在发现问题后，及时与生产厂家进行沟通，尽量缩短返厂处理的维修工期。尽量选择技术力量过硬，经验丰富的现场处理技术人员，这对于设备的抢修和后期的返厂处理具有重要的指导意义。同时，对缩短检修工期，降低经济损失有重要作用。
结束语
发电机运行中出现仅与无功有关的振动，检修中转子交流阻抗明显下降，功率损耗增加，振动曲线与励磁电流曲线相比滞后，发电机空载特性曲线下降，轴电压升高，转子绕组分担电压偏差超过3%，气隙探测波形幅值降低，转子电流增大而无功功率却相对减小等现象都是转子匝间短路的特征表现，应尽快予以验证并处理。同时，大型发电机应安装转子匝间短路探测线圈，方便检测及查找转子绕组匝间短路。
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论文作者:王宪标
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/11
标签：转子论文; 绕组论文; 故障论文; 发电机论文; 集电环论文; 汽轮发电机论文; 线圈论文; 《电力设备管理》2017年第3期论文;