王洪波，陳 健，張東東，馬賢好

(北京三一電機系統(tǒng)有限責任公司，北京 102206)

0 引言

現(xiàn)階段，電機匝間耐壓試驗標準及檢測設(shè)備都比較成熟，但常常在判斷繞組匝間是否短路問題上，仍存在很多疑惑。電機繞組匝間耐壓試驗普遍依據(jù)沖擊電壓波形比較法及相關(guān)標準判斷匝間是否短路[1]。對于繞組線圈及電機定、轉(zhuǎn)子，只須根據(jù)波形重合度進行判斷，而對于凸極同步電機整機進行匝間耐壓試驗，若波形畸變，其匝間不一定短路，該問題一直困擾電機整機匝間檢測結(jié)果的判斷。本文對凸極同步電機整機匝間試驗的判斷做了詳細研究與分析，得出了正確的判斷方法。

1 匝間耐壓試驗

1.1 試驗原理

電機匝間耐壓試驗結(jié)果判斷原理:當電機定子某相出現(xiàn)繞組匝間短路時，短路相電感比正常值小，從而使沖擊電壓波形在短路相中的振蕩頻率和衰減速率發(fā)生變化，使其電壓衰減波形與參考波形不完全重合[2]。

1.2 試驗步驟

(1)沖擊電壓峰值按JB/T 10098交流電機定子成型線圈耐沖擊電壓水平計算。確定試驗電壓波形，標準視在波前時間為 0.2 μs，容差為(+0.3)/(－0.1)μs。

(2)打開設(shè)備電源，預熱3～5 min，連接標準試樣并升壓，調(diào)整示波器并捕捉基準波形。例如，該匝間耐壓試驗波形如圖1所示。其中圖1(a)顯示為電機未裝轉(zhuǎn)子的定子繞組匝間試驗標準波形，圖1(b)為凸極同步電機定子繞組匝間試驗標準波形。

(3)連接被測試樣，升壓進行測試，捕捉波形，與標準波形進行比較，判斷匝間耐壓試驗是否合格。

圖1 匝間耐壓試驗波形

2 凸極同步電機整機匝間試驗研究與分析

2.1 凸極同步電機整機匝間波形分布

凸極同步電機整機定子匝間波形分布不完全重合的匝間試驗問題波形有兩種形式，如圖2所示。其中，圖2(a)波形的相位、幅值均變化，圖2(b)相位發(fā)生變化，但幅值未變化。按照匝間試驗原理判斷出現(xiàn)圖2中兩種不完全重合波形的電機匝間不合格。但在實際檢測過程中，拆除出現(xiàn)圖2波形的凸極同步電機轉(zhuǎn)子后，對電機定子進行匝間耐壓試驗，有部分電機匝間耐壓試驗合格。

2.2 凸極同步電機匝間波形變化分析

凸極同步電機的主電抗主要與繞組每相匝數(shù)N、基波繞組系數(shù)Kdp1、電樞的軸向計算長度lef及極距與氣隙比有關(guān)，關(guān)系式為

式中:μ0——真空磁導率;

f——頻率;

P——有功功率;

q——每極每相槽數(shù);

λm——主磁路的比磁導[3]。

圖2 電機線圈匝間試驗問題波形

凸極同步電機的氣隙沿電樞周圍分布不均勻，磁極下面氣隙較小，兩極之間氣隙較大。氣隙比磁導λm如式(2)所示。直軸處氣隙比導磁λd比交軸處氣隙比導磁λq大很多，在極間區(qū)域電樞磁場出現(xiàn)明顯下凹，基波幅值 Baq1顯著減小[4]。凸極同步電機的氣隙比磁導如圖3所示。

圖3 凸極同步電機的氣隙比磁導

由于凸極同步電機沿電樞周圍的氣隙不同引起的比磁導不同，使電機三相主電抗不同，故其定子三相線路中每相線路的匝間耐壓試驗波均不完全重合。

2.3 凸極同步電機整機匝間波形判斷

凸極同步電機裝入轉(zhuǎn)子后，其氣隙分布不均會使定子三相線路的阻抗(R、L)發(fā)生變化。電機轉(zhuǎn)子靜止時，其電樞周圍的氣隙分布如圖4所示。

圖4 電機轉(zhuǎn)子靜止時的定子繞組氣隙分布

根據(jù)定子各相線路的排布方式，以某一相繞組周圍的氣隙分布為基準轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，變換電樞周圍的氣隙，可找到另外兩相繞組周圍氣隙分布與基準繞組周圍氣隙分布相同的位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度根據(jù)定子槽數(shù)Q、極對數(shù)p、相數(shù)m確定，旋轉(zhuǎn)角度θ(可為該角度整數(shù)倍)為尋找是否有波形重合的位置的方法，來判斷其匝間絕緣是否損壞。按式(3)計算旋轉(zhuǎn)角度，其結(jié)果為60°的整數(shù)倍。

以定子槽數(shù)為72、相數(shù)為3、極數(shù)為8的凸極同步電機為例，按式(3)計算其旋轉(zhuǎn)角度為60°。定子U相磁場基準位置為如圖5(a)所示。當轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)60°，即定子逆時針旋轉(zhuǎn)60°后U相磁場位置如圖5(b)所示。其V相繞組周圍氣隙分布與圖5(a)中U相相同，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)60°，其W相磁場分布與圖5(c)中U相相同。按照式(3)角度的整數(shù)倍旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子后，在定子匝間無問題情況下，某一相與基準相匝間沖擊試驗波形應重合。在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子過程中，若可找到波形與基波重合的位置，再改變沖擊波的幅值，波形僅幅值隨之改變，其相位不變，可說明該凸極同步電機匝間無故障;如果旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子找不到波形與基波重合的位置，其匝間可能有故障。

2.4 凸極同步電機匝間試驗案例分析與判斷

以2臺勵磁發(fā)電機為例。電機為3相、8極凸極同步電機，槽數(shù)為72，在進行整機匝間試驗時，其試驗波形如圖6(a)所示，波形畸變較大。對此采用轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，改變轉(zhuǎn)子與定子的相對位置，

圖5 電機定子繞組氣隙分布(轉(zhuǎn)子靜止)

以U相匝間耐壓試驗波形為基波，檢查V、W相，其波形如圖6(a)所示。緩慢旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子，將兩臺電機的轉(zhuǎn)子分別連續(xù)2次順時針旋轉(zhuǎn)60°后，三相繞組的匝間波形均能與基波重合，如圖6(b)所示。不改變轉(zhuǎn)子的位置(某一相的沖擊電壓波形與基波重合的位置)提高沖擊電壓幅值，其波形僅幅值發(fā)生變化，相位不變，如圖6(c)所示。又拆掉一臺電機的轉(zhuǎn)子后，對定子進行匝間試驗，三相繞組的沖擊電壓試驗波形重合，即該電機定子匝間無故障。證實了判斷方法的正確性。

圖6 凸極同步電機匝間耐壓試驗波形

以1臺小型水輪發(fā)電機為例。電機為3相、4極勵磁同步同步電機、槽數(shù)為72，在進行整機匝間試驗時，其試驗波形如圖7(a)所示，波形畸變嚴重。根據(jù)上述方法旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子，沒有找到三相繞組沖擊電壓試驗波形重合的位置，按找上述方法可判斷該電機定子匝間存在故障。

測量其三相電流分別為:187、239、206 A，其不平衡度分別為13.4%(要求＜10%為三相電流平衡)，即其三相電流不平衡;拆掉該電機轉(zhuǎn)子，對其進行匝間沖擊電壓試驗，其波形如圖7(b)所示，仍不重合。說明其匝間絕緣有故障，證明上述判斷是正確的。

3 結(jié)語

通過分析凸極同步電機整機電樞周圍氣隙分布不均及氣隙與電機主電抗的相互關(guān)系，說明了在轉(zhuǎn)子位置不變時，定子三相繞組匝間試驗波形受轉(zhuǎn)子電機電樞周圍氣隙分布不均的影響，其三相繞組匝間耐壓試驗波形不同。分析凸極同步電機電樞相對分布，說明可調(diào)整轉(zhuǎn)子相對定子的位置，找出定子三相繞組磁場分布相同的位置，即三相繞組匝間波形重合的位置。通過研究電機定子的布線方式，得出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度(波形與基波重合的位置)的計算方法。此方法可較便捷地判斷凸極同步電機匝間故障，極大提高凸極同步電機整機匝間沖擊耐壓的檢查效率，為電機整機出廠試驗提供了有效的指導方法。

圖7 凸極同步電機整機匝間故障波形

[1]王先勇，余文武，羅廣生，等.關(guān)于匝間沖擊耐壓試驗的淺析[C]∥絕緣材料學術(shù)會議論文集，2011(10):467-469.

[2]孫雪明.電機整機匝間絕緣檢測[J].微電機，2002(1):38-40.

[3]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[4]湯蘊璆，史乃.電機學[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.