董斌

【摘 要】電力設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要，發(fā)電機(jī)作為產(chǎn)生電能的裝置，其重要程度不容小視。目前，使用量最大，最常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)即為汽輪發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)比較容易發(fā)生故障，最常見(jiàn)的故障即為定子繞組匝間短路和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，但是在故障發(fā)生時(shí)，發(fā)生故障的類型和故障發(fā)生的部位并不容易確定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本研究提出了一種新型的探測(cè)線圈，來(lái)區(qū)分發(fā)電機(jī)的故障類型，判斷故障發(fā)生的部位，從而更好地監(jiān)測(cè)和保護(hù)發(fā)電機(jī)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)繞組匝間故障；故障檢測(cè)；新型探測(cè)線圈

0 前言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)人們生活水平的提高，電力電器在生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。發(fā)電機(jī)作為產(chǎn)生電能的裝置，是電氣系統(tǒng)的源頭和心臟，其重要程度可見(jiàn)一般。近年來(lái)，電器使用量的增加讓傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)漸漸不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，汽輪發(fā)電機(jī)因?yàn)槠涔β蚀蟆⑿矢?、污染小，使用量越?lái)越大。但是汽輪發(fā)電機(jī)價(jià)格也比較昂貴，一旦出現(xiàn)故障，維修起來(lái)不但價(jià)格高而且難度大，故障發(fā)生的類型和故障發(fā)生的部位不容易被檢測(cè)出來(lái)。因此，如何監(jiān)測(cè)、區(qū)分發(fā)電機(jī)的故障這個(gè)問(wèn)題越來(lái)越被人們重視，發(fā)電機(jī)的故障檢測(cè)成為近年來(lái)研究的主要方向。

1 發(fā)電機(jī)繞組匝間故障的類型

1.1 發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路

發(fā)電機(jī)繞組匝間故障種類較多，但從故障發(fā)生的破壞性這方面來(lái)說(shuō)，比較典型的故障即為發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路。發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路是發(fā)電機(jī)繞組匝間故障中的一種破壞性很強(qiáng)的故障。[1]發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)荷載過(guò)大、發(fā)電機(jī)的電壓過(guò)大、發(fā)電機(jī)導(dǎo)線絕緣材料的質(zhì)量不好、等均會(huì)造成發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路。尤其是當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，空氣中的灰塵粉粒等東西大量堆積在發(fā)電機(jī)的匝與匝之間，然后，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)，匝與匝之間的灰塵粉粒受到力的作用，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)起來(lái)，開(kāi)始摩擦導(dǎo)線的絕緣層，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)將導(dǎo)線的絕緣層磨破，從而直接形成發(fā)電機(jī)匝間短路。然而，在發(fā)生定子繞組匝間短路后，如果故障不能及時(shí)得到處理，則發(fā)電機(jī)定子繞組匝間故障就可能發(fā)展成為更為破壞性更強(qiáng)的更為嚴(yán)重的發(fā)電機(jī)相間故障，給發(fā)電機(jī)造成重大的損壞。

1.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路

發(fā)電機(jī)繞組匝間故障從故障發(fā)生的常見(jiàn)性這方面來(lái)說(shuō)，比較典型的故障即為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是發(fā)電機(jī)故障中一種較為常見(jiàn)的故障。發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的原因有很多，比如：發(fā)電機(jī)在制造時(shí)，因?yàn)槠渲谱鞴こ听嫶?，工序?fù)雜，制作過(guò)程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，都可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)制作不佳，質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，如果發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子固定不好，轉(zhuǎn)子在繞組運(yùn)行時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)，發(fā)生匝與匝之間的接觸，造成匝間短路。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行時(shí)很容易造成的轉(zhuǎn)子固定不牢靠，發(fā)生匝與匝之間的接觸，從而直接造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部匝間短路。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與固定轉(zhuǎn)子的焊接處發(fā)生摩擦，導(dǎo)致焊接部位發(fā)生磨損，時(shí)間一長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子焊接處被磨破，或者是焊接時(shí)焊接處處理不好，這些情況都容易造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。相較定子繞組匝間短路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的破壞性較弱。所以，輕微的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路經(jīng)常不容易被檢測(cè)出來(lái)，如果繼續(xù)使用下去，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，局部電流急劇增大，短路接觸處過(guò)熱，從而損壞轉(zhuǎn)子，最終會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成很大的破壞。[2]發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路分為穩(wěn)定性匝間短路和不穩(wěn)定性匝間短路（即動(dòng)態(tài)匝間短路）。穩(wěn)定性匝間短路比較容易判斷，故障發(fā)生的部位也比較容易被檢測(cè)出來(lái)，不穩(wěn)定性的匝間短路故障檢測(cè)起來(lái)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難，發(fā)生頻率也相對(duì)較高，很難確定故障發(fā)生的具體部位。

2 用新型探測(cè)線圈檢測(cè)發(fā)電機(jī)繞組匝間故障

2.1 新型探測(cè)線圈的簡(jiǎn)介

發(fā)電機(jī)使用過(guò)程中，比較容易發(fā)生的故障即為轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路又分為穩(wěn)定性匝間短路和不穩(wěn)定性匝間短路。這兩種短路故障不容易區(qū)分，檢測(cè)起來(lái)也比較困難，而且故障發(fā)生的部位也不容易被檢測(cè)出來(lái)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路檢測(cè)方法雖然比較成熟，但都是在檢測(cè)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性匝間短路方面比較有經(jīng)驗(yàn)，不能檢測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路，而且對(duì)于故障發(fā)生的部位也不能準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)，因此轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)匝間短路故障的檢測(cè)是當(dāng)前的主要研究方向。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路按照故障發(fā)生的時(shí)間可以分為兩個(gè)階段：故障發(fā)生前和故障發(fā)生時(shí)。在故障發(fā)生前準(zhǔn)確地診斷出故障到底是穩(wěn)定性匝間短路還是動(dòng)態(tài)性匝間短路，并確定故障發(fā)生的部位和嚴(yán)重程度是故障檢測(cè)的主要目的，也是目前研究的重要方向。現(xiàn)有的檢測(cè)故障的方法對(duì)于檢測(cè)故障類型和故障發(fā)生的部位，有很大的局限性，針對(duì)這個(gè)現(xiàn)狀，本研究主要提出了用新型探測(cè)線圈法來(lái)檢測(cè)故障類型和故障發(fā)生的部位。

2.2 新型探測(cè)測(cè)線線圈的布置

如圖1表示，分別在相鄰的兩個(gè)位置中將兩個(gè)相同長(zhǎng)度的線圈進(jìn)行并聯(lián)，同時(shí)將這兩個(gè)線圈，采用正向連接的方式連接，使其能夠形成一個(gè)線圈，圖中P代表級(jí)對(duì)數(shù)。

正常情況下，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和極端外部的故障情況，會(huì)導(dǎo)致氣隙的磁場(chǎng)只是存在于空間基波以及少量的奇數(shù)諧波。詳情參考圖1，因?yàn)榫€圈11和22兩者間的距離相差1個(gè)極距，因此，空間基磁場(chǎng)會(huì)在這兩個(gè)線圈的作用下，產(chǎn)生大小、方向相等的磁鏈，因此，它們不會(huì)再探測(cè)線圈中產(chǎn)生反應(yīng)，同理，在這樣的條件下，其他的奇數(shù)諧波也不會(huì)有電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)的探測(cè)線圈當(dāng)中。

此外，在一些對(duì)極的發(fā)電機(jī)當(dāng)中，當(dāng)繞組與轉(zhuǎn)子內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，氣隙中還是會(huì)有諧波磁場(chǎng)存在。如圖1中的（b）表示，空間的2次諧波磁場(chǎng)在線圈中體現(xiàn)出來(lái)的方向與大小依然與11和22中產(chǎn)生的磁鏈相等。線圈中產(chǎn)生的能量只會(huì)增加并不會(huì)減少。因此，這些故障附加的功能會(huì)在一定的程度上增加氣隙空間的諧波磁場(chǎng)，它能夠在探測(cè)線圈中將交流電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)出來(lái)。

2.3 新型探測(cè)線圈檢測(cè)故障的方法

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果發(fā)電機(jī)發(fā)生繞組匝間短路，就會(huì)引起發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)發(fā)生變化，故障發(fā)生的部位的電磁波也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)中添加一個(gè)探測(cè)線圈，這樣探測(cè)線圈的電磁波的波形就可以反映的發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的變化，通過(guò)與正常情況下發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的波形進(jìn)行對(duì)比，可以判斷故障發(fā)生的類型和故障發(fā)生的具體部位。

3 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)作為產(chǎn)生電力的裝置，在電力系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。然而，發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工程較大，在制作過(guò)程中和發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都容易造成發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，最常見(jiàn)的、破壞性最強(qiáng)的故障即為發(fā)電機(jī)繞組匝間短路的，對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生極大的傷害，進(jìn)而直接對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，發(fā)電機(jī)故障的監(jiān)測(cè)、診斷極為重要。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李永剛，李和明，趙華.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷新判據(jù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003（6）：112-116.

[2]李永剛，李和明.基于定子線圈探測(cè)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識(shí)別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004（2）：107-112.

[責(zé)任編輯：張濤]