大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司海外事業(yè)部 張旭梁

發(fā)電機(jī)的事故預(yù)防和安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，而轉(zhuǎn)子繞阻匝間短路又是發(fā)電機(jī)經(jīng)常發(fā)生的故障之一，較輕的故障可能僅導(dǎo)致局部過熱和振動增大，嚴(yán)重的故障可發(fā)展為轉(zhuǎn)子接地和大軸磁化，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)和整個電網(wǎng)安全運(yùn)行。大修之后或新安裝的發(fā)電機(jī)，都有可能在長期運(yùn)行、檢修過程中、運(yùn)輸途中或現(xiàn)場安裝過程中發(fā)生轉(zhuǎn)子線圈松動、損壞或絕緣破損故障。所以在發(fā)電機(jī)投運(yùn)之前，要通過一系列試驗(yàn)檢查發(fā)電機(jī)各部件是否存在缺陷或隱患，而交流阻抗試驗(yàn)就是檢查轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路最有效的檢測手段[1]。

1 試驗(yàn)原理分析

1.1 阻抗計算

感抗計算。轉(zhuǎn)子線圈感抗計算公式為XL=ωL=2πfL，電感計算公式為L=（k×μ0×μs×N2×S）/l，從公式能夠看出，感抗值與線圈匝數(shù)的平方成正比。如果轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路，則轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)就會減少，所以交流感抗就會減小。其中：XL為線圈電感值，單位為Ω；L 為線圈電感值，單位為H；μ0為真空磁導(dǎo)率=4π×10-7；μs為線圈內(nèi)部磁芯的相對磁導(dǎo)率；N 為線圈匝數(shù)；S 為線圈的截面積，單位為m2；L 為線圈的長度，單位為m；k 為系數(shù)。

電阻計算。轉(zhuǎn)子線圈電阻值為R=ρL/S，從公式可以看出，電阻值和線圈的長度成正比，當(dāng)線圈發(fā)生匝間短路時，線圈的長度L 變短，而線圈面積和電阻率保持不變，從而導(dǎo)致電阻值也變小。其中：P 為線圈電阻，單位為Ω·m；S 為線圈橫截面積，單位為m2；R 為線圈電阻值，單位為Ω；L 為線圈的長度，單位為m。

阻抗計算。由感抗計算公式和電阻計算公式可以得到轉(zhuǎn)子線圈的阻抗計算公式為｜Z｜=（XL2+R2）1/2，其中：｜Z｜為線圈的阻抗，單位Ω。由感抗計算公式和電阻計算公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈發(fā)生匝間短路時感抗XL和電阻R 都減小，所以根據(jù)阻抗計算公式可以判斷線圈阻抗｜Z｜必然減小。因此，通過測量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗與其出廠或歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可有效判斷轉(zhuǎn)子繞組是否有匝間短路，并可根據(jù)感抗值的變化大小知道短路的嚴(yán)重程度。

1.2 功率損耗計算

對轉(zhuǎn)子匝間短路的功率損耗進(jìn)行定性分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈發(fā)生匝間短路時，在交流電壓作用下，流過短路匝的電流會比正常繞組中的電流大N 倍（N 為轉(zhuǎn)子繞組線圈的匝數(shù)），這個短路電流會有很強(qiáng)的去磁作用，使得轉(zhuǎn)子繞組的功率損耗明顯增大。對轉(zhuǎn)子匝間短路的功率損耗進(jìn)行定量分析，轉(zhuǎn)子線圈功率損耗可由公式Q=ωL×I×I 或Q=U×U/(ωL)進(jìn)行計算。電感L 由于匝間短路減小，但線圈中的電流卻會以平方的倍數(shù)增加，或者說當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈外加交流電壓不變時，電感L 由于匝間短路減小從而使得線圈功率損耗Q 會明顯增大。其中：Q 為線圈無功功率損耗，單位為Var；I 為流過線圈的電流有效值，單位為A；U 為線圈兩端的有效電壓有效值，單位為V。

2 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之前，測量不同轉(zhuǎn)速、不同外加電壓下轉(zhuǎn)子的交流阻抗和功率損耗；發(fā)電機(jī)超速試驗(yàn)結(jié)束后，再次測量轉(zhuǎn)子的交流阻抗和功率損耗，檢查轉(zhuǎn)子線圈在超速試驗(yàn)之后是否有松動或者損壞[2-3]。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備試驗(yàn)用轉(zhuǎn)子交流阻抗測試儀、調(diào)壓器等試驗(yàn)設(shè)備；在現(xiàn)場沒有轉(zhuǎn)子交流阻抗測試儀時，可使用調(diào)壓器、標(biāo)準(zhǔn)CT、交流電壓表、交流電流表、有功功率表按照圖1接線進(jìn)行試驗(yàn)；拆除發(fā)電機(jī)碳刷與勵磁整流柜出線連接螺栓，為試驗(yàn)臨時接線做準(zhǔn)備；將汽機(jī)轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在0～3000prm 之間幾個規(guī)定的某個試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。

圖1 交流阻抗試驗(yàn)接線圖

2.3 試驗(yàn)過程

由試驗(yàn)人員將試驗(yàn)設(shè)備連接好之后，首先測量轉(zhuǎn)子靜止時的數(shù)據(jù)，然后將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升至規(guī)定轉(zhuǎn)速保持不變，通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整轉(zhuǎn)子繞組兩端電壓的大小，每次增加幅度為10V，逐漸將試驗(yàn)電壓增加至200V 左右，安排專人每間隔10V 記錄一次轉(zhuǎn)子電流、功率數(shù)值。上一轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)測量完畢后，升高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速至下一轉(zhuǎn)速，重復(fù)進(jìn)行測量，直到轉(zhuǎn)速升至3000prm 進(jìn)行最后一次測量。整個試驗(yàn)過程要注意轉(zhuǎn)子外加交流電壓的幅值不能大于轉(zhuǎn)子額定電壓，否則可能發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組絕緣損壞、擊穿事故[4]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄完成后，通過計算可以得到不同試驗(yàn)電壓下的轉(zhuǎn)子阻抗值并記錄到數(shù)據(jù)單中存檔，作為故障分析的依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至0prm，拆除交流阻抗試驗(yàn)試驗(yàn)臨時接線，恢復(fù)原有系統(tǒng)正常接線。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過某廠在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子0prm 和3000prm 時的兩次轉(zhuǎn)子交流阻抗測量的記錄數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)果：相同試驗(yàn)條件下，兩次測量的結(jié)果基本一致，偏差很??；在0prm 時，外加試驗(yàn)電壓為190V，阻抗變化率為0.28%，功率損耗偏差為20W，符合電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求；在3000prm 時，外加試驗(yàn)電壓為190V，阻抗變化率為0.77%，功率損耗偏差為65W，符合電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求；從圖2和圖3可以明顯的看出，在0prm 和3000prm時，兩次試驗(yàn)的測量阻抗與試驗(yàn)電壓形成的曲線基本重合，無明顯偏差，符合電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求。

圖2 轉(zhuǎn)子0rpm 時兩次交流阻抗測試結(jié)果對比圖

圖3 轉(zhuǎn)速3000rpm 時兩次交流阻抗測試結(jié)果對比圖

以上結(jié)果可以充分說明在兩次測量期間回轉(zhuǎn)子路沒有發(fā)生絕緣不良或者匝間短路故障，轉(zhuǎn)子繞組處于正常狀態(tài)，發(fā)電機(jī)可以投入運(yùn)行，并且能夠保證轉(zhuǎn)子繞組運(yùn)行的安全性。

3 結(jié)語

從原理上分析，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗的變化，判斷出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組存在的匝間短路問題。而交流阻抗試驗(yàn)接線簡單、方便，可以快速、準(zhǔn)確地測量出轉(zhuǎn)子交流阻抗和功率損耗，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際條件。對匝間短路故障的判斷應(yīng)將二者結(jié)合起來進(jìn)行綜合分析、判斷才比較有效、準(zhǔn)確。同時，數(shù)據(jù)要與出廠資料和歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，與同種設(shè)備再進(jìn)行比較，如果結(jié)果都在合格范圍內(nèi)，說明轉(zhuǎn)子回路良好。如果有些數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，可反復(fù)用不同接線方法或重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行再次確認(rèn)，防止試驗(yàn)中由于某種因素的干擾影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，說明轉(zhuǎn)子回路確實(shí)存在一定問題，那么就一定要查明原因，將轉(zhuǎn)子匝間短路故障消滅在萌芽狀態(tài)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。