唐李冰

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

在大型發(fā)電機發(fā)生的故障中，轉子勵磁繞組線圈絕緣破壞的發(fā)生，還是比較頻繁而且是不易查覺的。線圈絕緣的損壞就會導致匝間短路，勵磁線圈的匝間短路會引起磁場的不平衡，從而導致轉子的機械振動、溫度升高和絕緣劣化。這種振動又會加重轉子線圈絕緣損壞和匝間短路，從而導致轉子振動的進一步加劇。而轉子振動又反過來促使線圈匝間短路故障的加重。如此周而復始，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，發(fā)電機無法達到額定功率，甚至會導致轉子燒毀和突然強迫停機。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)線圈匝間短路和預防這種故障的擴大，采用了多種在線和離線檢測方法。然而，傳統(tǒng)的方法存在許多缺點，其中比較突出的問題是:必須不斷地調(diào)節(jié)發(fā)電機功率才能逐步地找出短路線圈。發(fā)電機功率的調(diào)節(jié)，影響輸出功率，用戶不能接受。為了克服傳統(tǒng)方法存在的缺點，開發(fā)應用了一種新型自動監(jiān)測診斷系統(tǒng)，真機應用效果良好?，F(xiàn)在已經(jīng)將它納入現(xiàn)代化的發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)。

1 引起振動的機理

雖然在理論上要求轉子線圈絕緣必須能夠承受電應力、機械應力和環(huán)境應力。但是在大型發(fā)電機發(fā)生的故障中，轉子勵磁繞組線圈絕緣破壞的發(fā)生，還是比較頻繁而且是不易查覺的。線圈絕緣的損壞就會導致匝間短路，并引起很大的轉子振動，從而限制了發(fā)電機的輸出功率。雖然較大的振動是轉子匝間短路的標志之一，但是引起轉子振動的原因還有其它多種，比如由離心力引起的破壞和移動，由發(fā)熱引起的熱脹冷縮、機械磨損，由過載引起的過熱，由系統(tǒng)引起的過電壓，由通風和銅粉塵埃產(chǎn)生的污染等等。勵磁線圈的匝間短路會引起磁場的不平衡，從而導致轉子的機械振動、溫度升高和絕緣劣化。這種振動又會造成轉子線圈絕緣損壞和匝間短路，并引起轉子振動的進一步加劇。而轉子振動又反過來促使線圈匝間短路故障的加重。如此周而復始，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，發(fā)電機無法達到額定功率，甚至會導致轉子燒毀和突然強迫停機。

如果發(fā)生轉子勵磁線圈匝間短路，其電阻就會減小，電流就會增加。與沒有發(fā)生匝間短路的線圈相比，線圈的焦耳熱量就會減少。線圈的這種冷熱反差，直接影響到磁極、磁軛以及轉軸，使它們沿著軸向的熱脹冷縮不均衡，導致彎曲，并引起轉子振動。在這種情況下，與遠離磁極的線圈相比，靠近磁極的短路線圈就會引起幅值更大的振動。對于隱極發(fā)電機來說，與具有4極的發(fā)電機相比，兩極發(fā)電機的此類問題更加嚴重。

消除振動的措施是進行動平衡。因為實施動平衡不需要抽出轉子。所以它是首先應當采取的措施，但是它不能從根本上解決問題，因為是在滿負荷工況下進行的動平衡。當負荷降低時，所裝設的平衡塊，就會引起新的振動，雖然主軸的彎曲不大。因此，為了確認是否存在轉子匝間短路，必須進行在線檢測診斷分析，同時還要進行在線氣隙磁通監(jiān)測診斷分析。

因此，為了確認這種振動不是別的原因，而是由匝間短路引起的，可以采用其它離線檢測方法，比如對地電壓試驗或抽出磁極檢測線圈等。但是這些離線檢測方法必須停機，甚至還要拆卸部件才能進行。在停機狀態(tài)下，轉子不旋轉，就不能反映機械應力和熱應力的真實情況，故障就可能檢測不出來，雖然故障仍然存在。至于拆卸部件，又是用戶很不情愿的，他們希望在運行中實施在線檢測。

2 傳統(tǒng)檢測方法

傳統(tǒng)的在線檢測方法已經(jīng)應用了將近40多年。它是將帶有幾十匝的小型線圈探測傳感器用環(huán)氧聚合物包裹起來，并采用了實心圓盤防護罩將它永久性地安裝在定子槽楔上，當轉子旋轉時，每個轉子線圈都會掠過這個傳感器，轉子的漏磁通就會被檢測出來。因為漏磁通與轉子線圈的總安匝數(shù)成正比，如果轉子線圈存在匝間短路，它的安匝數(shù)及其漏磁通就會被減小，采用配套設置的傳感器探測線圈，就可以通過與磁通成正比的線圈感應電壓，并采用轉子磁通分析儀來檢測磁通幅值，通過分析所記錄的磁通波形數(shù)據(jù)，就可以確定發(fā)生匝間短路的線圈位置。［1］

對于隱極發(fā)電機，如果沒有匝間短路，每個轉子線槽的磁通波形幅值大小都應該相等。由于與氣隙主磁通相比，漏磁通很小，為了提高測試靈敏度，要求發(fā)電機的負荷必須在滿載和空載之間改變幾個等級。

為了檢測轉子線圈匝間短路通常采用兩種方法:1)對發(fā)電機勵磁電流的諧波成分進行識別;2)應用磁通探測器來監(jiān)控磁場的對稱性。實踐表明，應用比較多的是后面的一種方法，它的優(yōu)點是能夠更加準確地體現(xiàn)產(chǎn)生故障的原因及其影響的基本關系。［2］

如果一個線圈有5%的線匝短路，那么磁極磁通的波峰幅值預計也會減小5%左右。但是這個推論有兩個先決條件:1)必須是在磁通的正弦波形曲線與其橫軸(q軸)交叉的零點;2)同時又與發(fā)生短路線圈所在的線槽位置重疊。因為轉子線槽的漏磁場對主磁場有干擾，所以必須通過轉子負載角的調(diào)節(jié)，來達到使這種干擾為最小的目的。轉子磁通幅值的大小取決于發(fā)電機瞬態(tài)有功功率和無功功率的大小。當有功功率為零時，正好是磁通波形與橫軸的交叉零點。但是這個交叉的零點不一定就是短路線圈線槽的位置。如果增加有功功率，這個交叉零點的位置就會發(fā)生很大的變化。因此，通過改變發(fā)電機的負載，使這個交叉的零點與探測器磁通波形峰值對準的線槽重疊，即沿著磁通縱軸方向上下都處在一條線(磁通零點線)上，才能達到高靈敏度地檢測出來發(fā)生短路的線圈及其槽位。如果不調(diào)節(jié)負載，就可能使有些短路線圈檢測不出來;如果調(diào)節(jié)負載，就會影響發(fā)電量。實施具有高靈敏度的檢測時，短路線圈槽位與交叉零點的對應關系如圖3所示。

由此可見，這種傳統(tǒng)上一直在應用的商用漏磁通探測器有以下幾個缺點:1)在氣隙中的強磁場作用下，它的實心防護罩就會產(chǎn)生渦流，從而妨礙漏磁通的測量;2)在氣隙中的強風作用下，這種小型探測器可能被吹動移位，或在抽出轉子時被破壞;3)必須把轉子從定子中抽出來才能安裝探測傳感器;4)它要求發(fā)電機分為幾個等級來改變負載，這樣就會減少發(fā)電量，用戶不能同意。必須分級改變發(fā)電機的負荷，才能比較準確的確認發(fā)生匝間短路的線圈，是現(xiàn)有的磁通監(jiān)測技術的主要缺點。至于靠近磁極的線圈，檢測就更加困難。因為此時要求發(fā)電機必須發(fā)出最大的有功功率和最大的無功功率，這在許多發(fā)電站是不可能做到的。此外，還由于磁通探測器采集的信號不同，又很難識別，所以必須開發(fā)一種準確的換算方法。

3 新型監(jiān)測系統(tǒng)

為了解決這些問題，能夠準確地判斷發(fā)生匝間短路的線圈槽位或磁極，應用有限元仿真技術研究了轉子線圈匝間短路對發(fā)電機運行性能的影響，獲得了所需要的大量信息。由于短路匝數(shù)、短路位置、負載電流、功率因數(shù)等參數(shù)對診斷信號的形狀和幅值有很大的影響，為了確保診斷評估的準確性，進行了更加深入和擴大范圍的分析，開發(fā)應用了一種經(jīng)過改進的用于大型電機轉子線圈絕緣故障和匝間短路的新型監(jiān)測診斷系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要由氣隙主磁通探測器和便攜式分析儀以及由遠程自動控制計算機監(jiān)控的以后界面裝置組成。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，它具有安裝方便、操作簡單、靈敏度高等優(yōu)點。由于它采用了新的計算分析程序，無需在調(diào)節(jié)不同負荷前提下，就可以準確地檢測出來發(fā)生匝間短路的線圈及其所在的槽位或磁極。這種更加準確的、完整的自動監(jiān)測診斷系統(tǒng)如圖1所示，它實現(xiàn)了以下兩個創(chuàng)新:1)無需抽出轉子即可安裝探測器，它采用了一個放置在由彈性材料制成的底座上、并具有非常薄的多層印刷電路板的探測器，這種具有彈性的微小的扁平形探測器被粘在定子齒上(而不是槽楔上);2)采用了新型診斷裝置和計算分析程序。當發(fā)電機滿負荷運行過程中，應用它來測量主磁通時，能夠比較準確地測量出來任何隱極發(fā)電機轉子槽內(nèi)發(fā)生匝間短路的線圈。這種新型系統(tǒng)已經(jīng)成功地用于勵磁繞組狀態(tài)的在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。［3］

3.1 隱極發(fā)電機

3.1.1 遠離磁極的線圈

對一臺電壓為13.8 kV容量為115 MVA的2極隱極發(fā)電機，采用分辨率比較高的新型分析計算系統(tǒng)，在不同負荷情況下，進行了一系列試驗。結果表明，即使遠離磁極的線圈，也不必改變負荷，就能準確地監(jiān)測出來匝間短路。隱極發(fā)電機轉子磁極線圈結構示意圖如圖1所示。

圖1 大型電機轉子勵磁線圈匝間短路新型完整的自動監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件結構示意圖

對于這臺隱極發(fā)電機來說，相鄰兩個(N和S)磁極的極性及其磁通方向正好相反。在它們兩個磁通密度波形之間分界線上的磁通，理論上應當為零，稱為磁通零點線。處在這個位置的線圈(圖2中的3號線圈)如果發(fā)生匝間短路，采用傳統(tǒng)的檢測方法，就很難檢測出來。此時，必須通過改變發(fā)電機的負荷來改變這個磁通零點線的位置，使它靠近磁極中心線和遠離發(fā)生匝間短路的線圈，還要將負荷調(diào)節(jié)到最大值(有功功率為 80 MW和無功功率為12 MVar)。這樣，才能準確地檢測出來遠離磁極的發(fā)生匝間短路的線圈。［4］

圖2 隱極發(fā)電機轉子磁極線圈結構示意圖

如果采用配備有新開發(fā)的計算分析程序的檢測系統(tǒng)，可以不必再調(diào)節(jié)負荷，甚至能夠在沒有負荷的空載工況下，準確地檢測出來任何一個線圈的匝間短路，而不必考慮這個線圈相對于磁極的距離。曾經(jīng)在不同的負荷情況下，對于每一個線圈都進行了試驗。結果表明，即使在最小負荷、甚至達到空載工況下，也可以在零點軸線處于遠離磁極軸線的那個發(fā)生匝間短路的線圈位置上，清晰地檢測出來這個線圈的匝間短路故障。采用新型檢測方法時，負荷的改變和零點軸線位置的調(diào)節(jié)，對于檢測結果不會產(chǎn)生負面影響，這是傳統(tǒng)方法不可能做到的。新方法之所以能做到，是因為它采用了一種新的計算分析程序，即自相關法則，對每個磁極的磁通幅值等數(shù)據(jù)進行了積分，并將積分結果與其極性相反的磁極進行比較。這種比較的結果表明，發(fā)生匝間短路的磁極磁通波形幅值與其相對應磁極的差值大于3%，而沒有發(fā)生匝間短路線圈的磁極之間的差值不超過1%。

3.1.2 靠近磁極的線圈

對另一臺容量為100 MVA的隱極發(fā)電機也進行了試驗。多年來這臺發(fā)電機的振動在增加，引起振動的原因不明。在最大負荷工況下，通過在定子齒上安裝的探測器測量了緊靠磁極的線圈磁通幅值，并與其它磁極線圈相比，其差值接近9%。但是不能確定發(fā)電機振動就是線圈匝間短路引起的。因為采用的是傳統(tǒng)的檢測方法，磁通密度零點線的位置，不利于準確地檢測線圈匝間短路。所以采用了新的檢測方法如圖3所示。因為采用了新的計算分析處理程序，就無需要求在最大負荷下，也不必調(diào)節(jié)負荷，即可準確地監(jiān)測出來這個靠近磁極線圈(比如圖2中的1號線圈)的匝間短路故障:該線圈相對于另外磁極的相對應線圈的磁通幅值差別為8.2%～9.9%，而沒有發(fā)生匝間短路的不同磁極相對應的線圈之間都不超過1%。

圖3 隱極發(fā)電機轉子線圈匝間短路線匝及其槽位的檢測示意圖

這種新型診斷裝置和計算分析程序也可以應用于凸極結構的發(fā)電機上。

3.2 凸極發(fā)電機

與隱極發(fā)電機不同，對于凸極發(fā)電機，轉子勵磁線圈匝間短路的監(jiān)測診斷目標不是發(fā)生短路的線圈槽位，而是發(fā)生匝間短路線圈所在的磁極。因為每一個磁極的氣隙徑向磁通波形，都與發(fā)電機的有功和無功功率有關。當負荷為一定值時，這個磁極磁通波形相對于時間的任何變化，都很可能是匝間短路引起的。［5］

雖然轉子的極數(shù)和磁極磁通相互之間會有差異，而且轉子可能偏心，它們都能導致轉子磁通幅值沿著圓周分布的不圓滑。但是，在某一個穩(wěn)定負荷工況下運行時，如果凸極發(fā)電機某個磁極磁通的波形曲線圖有突變，那肯定是由匝間短路引起的。實施磁極與其相對應磁極之間磁通幅值的比較，可以作為判斷線圈匝間短路的標志。所進行的磁場測試結果表明，轉子磁極線圈匝間短路的在線檢測和離線(停機以后抽出轉子)檢測這兩種方法之間，不可能有比較好的相關性。因為:(1)這兩種測試方法都缺少對極性(正極和負極)的識別;(2)兩種測試方法和條件完全不同，離線測試采用交流電進行，對第一個匝間短路很敏感，對其它的匝間短路就不太敏感;而在線測試，則是采用直流電來檢測磁通，對所有的匝間短路都有相同的靈敏度。雖然這兩種方法都能識別發(fā)生線圈匝間短路的磁極，但是在沒有抽出轉子的情況下，就無法確認這些測試是指的同一個磁極，而且在運行中通過在線檢測出來的匝間短路故障，在抽出轉子以后的離線檢測時，可能會消失。因此，采用了新型檢測系統(tǒng)，對一臺具有44極的凸極發(fā)電機的磁通、電壓和功率都進行了在線和離線檢測。結果表明，采用的這三種方法都檢測出來發(fā)生線圈匝間短路的(21號)磁極。從圖4給出的磁極磁通波形分布示意圖可見，21號磁極的磁通波形發(fā)生了突變，其磁通波形幅值有很大的跌落，而其相應的電壓和功率也有類似的降低。

圖4 具有44個磁極的發(fā)電機轉子磁極氣隙磁通波形分布示意圖

4 結語

1)由于轉子偏心、離心力、熱脹冷縮、機械磨損、過載過熱、過電壓、灰塵污染等等多種原因都會引起大型發(fā)電機轉子振動，并進一步導致轉子線圈絕緣損壞和匝間短路。線圈的匝間短路會引起磁場的不平衡，從而導致轉子的機械振動。這種振動又反過來促使線圈匝間短路故障的加重。這種惡性循環(huán)無法使發(fā)電機達到額定功率，甚至導致轉子燒毀和非計劃性突然強迫停機。

2)為了預防線圈匝間絕緣破壞和匝間短路故障的惡化，已經(jīng)應用了40多年的傳統(tǒng)檢測方法仍然存在很多缺點，其中包括檢測的靈敏度不高和要求必須調(diào)節(jié)發(fā)電機負載才能進行檢測，這些問題是用戶不能接受的。

3)開發(fā)應用了一種新型完整的自動監(jiān)測診斷系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方法的缺點，不必調(diào)節(jié)發(fā)電機負載就可以比較準確地檢測出來轉子線圈的匝間短路故障。這種新型方法已經(jīng)納入現(xiàn)代化的發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)。