发电机转子绕组匝间短路测试分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第６卷第２期　２００６年６月　南京工业职业技术学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．６，Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．，２００６　文章编号：１６７１—４６４４（２００６）０２—００２１—０４　发电机转子绕组匝间短路测试分析　徐雯霞　（南京工业职业技术摘电气与自动化系，江苏　南京２１００４６）　要：对测试发电机转子绕组匝间短路故障的几种常用方法进行了评述，指出测量转子绕组的交流阻抗和功率损　耗是判断转子绕组是否存在匝间短路的一种比较灵敏的方法。通过分析磁路的磁阻变化解析了转子绕组的交流阻　抗和功率损耗的测试机理及各种因素对测量结果的影响，阐述了对生产实践的指导意义。　关键词：发电机；转子绕组；交流阻抗；功率损耗；匝间短路　中图分类号：ＴＭ９３４　文献标识码：Ａ　发电机转子绕组由于制造或运行方面的原因，　可能会发生匝间短路。当转子绕组发生匝间短路　综合诊断时的参考。　１．３　比较空载和短路特性曲线　当转子绕组发生匝间短路后，其空载特性曲线　将会出现下降，短路特性曲线的斜率也将会减小¨　。　但由于受测量精度的限制，一般在转子绕组短路的　匝数超过总匝数的３％　５％时，才能在空载和短路　特性曲线上明确地反映出来。所以，这种方法灵敏　度较低，也只能作为综合诊断转子绕组有无匝间短　路的参考。　１．４测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗　对发电机转子绕组交流阻抗和功率损耗的测量　是判断转子绕组是否存在匝间短路的比较简便、灵　敏的方法。当绕组中发生匝间短路时，交流阻抗大　时，将使转子电流增大，绕组温度升高，限制电机的　无功功率，严重者会因磁场失去平衡而引起振动增　加，导致被迫停机。及时判断出转子匝间短路故障，　将避免事故的发生，对于安全生产具有重要意义。　１　转子绕组匝间短路的常用测试方法　１．１分析运行记录　发电机在运行中，通过对照相同负荷下转子电　流的变化来粗略确定转子是否存在匝间短路，就是　把正常情况下的发电机典型运行参数作为基准，与　运行中发电机参数进行比较，从而确定发电机转子　是否存在匝间短路。因而分析现有发电机运行参数　就能达到在线检测的目的。这种方法对检测１、２匝　短路可能不灵敏，但对１、２包短路的情况将能及时　发现。　大下降，功率损耗却明显增加　。但是由于转子绕　组的交流阻抗和功率损耗受诸多因素影响，如果对　ｉ贝０量条件和结果不加以认真分析，会得出错误的　结论。　１．２测量转子绕组的直流电阻　《电力设备预防性试验规程》中规定，发电机大　修时应在冷态下测量转子绕组的直流电阻，与初次　（交接或大修）所测结果比较，其差别不应超过２％。　理论上，当绕组发生匝间短路时，直流电阻值会减　小，但因汽轮发电机转子绕组的总匝数较多，如果其　２转子绕组交流阻抗和功率损耗的测　试机理　２．１测试时转子绕组的等效回路　发电机转子铁心是汽轮发电机最关键部件之　一一，般都采用高强度和良好导磁性能的合金钢整　中只有一、两匝短路，即使测量很精确，直流电阻减　小值也不超过１％，因此，直流电阻法的灵敏度是很　低的，不能作为诊断匝间短路的主要方法，只能作为　收稿日期：２００５—１１—２９　体锻压而成，属于铁磁材料。转子绕组直流电阻值　很小，产生的铜耗很小。在交变磁场作用下，涡流和　磁滞特性将会产生铁耗Ｐｍ铁耗是有功损耗中的主　作者简介：徐雯霞（１９６６一），女，江苏泰州人，南京工业职业技术学院高级工程师。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２２　南京工业职业技术学院学报　第６卷第２期　要部分。　电磁学试验表明，对常用的铁磁材料，磁滞损耗　Ｐ　与磁通的交变频率厂成正比，与磁通密度的幅值　Ｂ　的平方成正比，即：　Ｐ＾ＯＣ　：　（１）　式中：Ｂ　为磁通密度的幅值；ｌ厂为磁通交变　频率。　（２）　式中：ｄ为钢片厚度；ｒ　为涡流回路的等效　电阻。　铁耗为磁滞损耗和涡流损耗之和，即：　Ｐ　ＦＥ＝Ｐ　十Ｐ　由（１）式、（２）式可分析得出：在转子位置一定　的情况下，铁耗与磁通密度的幅值平方Ｂ　成正　比，即：　ＰＦＥ　ｏＣＢ２　（３）　试验中转子绕组直流电阻和漏抗值均较小，简　化等效电路图如图１所示。图１中，ｒｍ　Ｐ陌　是　转子绕组的等效电阻，　是转子绕组电抗。　图１简化等效电路　测量膛外转子绕组交流阻抗时，外施交流电压　于绕组中，绕组中电流产生磁通。对位置一定、工艺　特性一定的转子，磁通的路径也就固定了。　根据电磁学原理，可得：　＝ＮＩ／Ｒ　式中：　为磁通；Ｎ为绕组匝数；，为测量电流；　尺　为磁通所经过的回路的总磁阻。　磁通密度Ｂ为：　Ｂ＝鲁＝　（４）　式中：　为磁通经过转子铁心本体的截面积。　由（３）式、（４）式可分析得出：　ｏＣＲ　，ｒｍ　ＫｌＲ二　（５）　式中：　１一在转子位置一定、试验电压一定时为　一常数。　即：转子绕组的等效电阻ｒｍ反比于磁路的磁阻　的平方。　２　，，因为转子绕组的电抗　＝　・Ｌ＝　・　』Ｌｍ　式中：　为电流的角频率，　＝２，ｒｒｆ；Ｌ为线圈的　电感；Ｗ为线圈的匝数。　所以Ｘ　＝Ｋ２　Ｒ．７　（６）　式中：　为在转子位置一定时，　为一常数。　即：转子绕组的电抗值　反比于磁路的磁阻。　由此看出：转子绕组交流阻抗中，等效电阻反比　于磁路的磁阻的平方，电抗反比于磁路的磁阻。　２．２转子绕组匝间短路时。交流阻抗与功率损耗的　变化情况　当转子绕组中发生匝间短路时，短路线匝中的　短路电流很大，它有着强烈的去磁作用，因而导致磁　路中的磁阻变大　ｊ，从上面的分析可知，转子绕组的　等效电阻ｒｍ、电抗　均变小，即：匝间短路后，交流　阻抗变小。　设转子绕组正常时，功率损耗为Ｐ。，整个磁路　的磁阻为Ｒ　。，发生匝间短路后，功率损耗为Ｐ　，整　个磁路的磁阻为尺　。　Ｐ－　。　．ｒＪ　‘　１　２　－　Ｐ１＝　‘　÷霹　。霹　１蕊’　尺：　在相同的试验电压下，　Ｐｌ　Ｒ　＋　／１、　Ｐ２一　２ｌ　ｌ２＋琏　因为转子绕组发生匝间短路时，磁路中的磁阻　变大，即Ｒ　＞Ｒ　由（７）式可知：Ｐ。＜Ｐ２，即在相同的试验电压　下，匝间短路后，功率损耗变大。　３　转子绕组匝间短路测量实例分析　某厂２号发电机在一次大修过程中转子处于膛　外时测其交流阻抗和功率损耗，并与前次正常值比　较，结果如表１所示：　表１　２号发电机转子的测试结果对比　转子状态电压／ｖ电流／Ａ功率／Ｗ阻抗／ｎ电抗／ｔｌ等效电阻／ｎ　正常　８Ｏ　５．９３　３２４，８　１３，４９　９，８３　９，２４　匝间短路　８Ｏ　７，５５　４１４，４４　１０，６０　７，７１　７，２１　从表１计算得出，转子绕组在８０Ｖ试验电压下，　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６卷第２期　徐雯霞：发电机转子绕组匝间短路测试分析　２３　膛外的阻抗与正常值比较下降２１．４％，膛外的功率　损耗与正常值比较增大２７．６％。试验人员仔细检　查转子线圈匝间、端部及引线的绝缘情况，发现转子　线圈存在匝间短路，分析判断是由于发电机转子绝　缘陈旧老化，再加通风带来的灰尘滞积、吸潮后至使　匝间绝缘损坏。更换绝缘后测试结果恢复正常。　由表１的测量结果可知，当绕组中发生匝间短　路时，交流阻抗大大下降，功率损耗明显增加，其损　耗增加比阻抗下降值明显。用测量阻抗和损耗的变　化来判断绕组有无匝间短路是很灵敏的。　４各种因素对测量结果的影响　４．１试验电压值的影响　铁磁材料的磁导率不是常数，在磁场强度很低　时，磁导率较小；随着磁场强度的增加，磁导率也相　应增大，到饱和时磁导率又逐渐减小。　由于在本试验中，磁场不会达到饱和，因此当施　加在转子绕组两端的电压升高后，转子电流随之增　大，磁路中的磁场强度相应增加，铁磁材料的磁导率　增加，磁路总磁阻减小，使得通过测量所得到的转子　绕组交流阻抗随着试验电压的上升而增加。　在１号、２号发电机大修过程中转子处于膛外　时，我们测取了转子绕组在不同试验电压下的交流　阻抗，实测结果表２所示：　表２　２台机在不同电压下转子交流阻抗实测数据　由表２所测结果可知，转子绕组交流阻抗随着　试验电压的上升而增加，我们应在相同的电压下比　较交流阻抗的测量值。　４．２转子位置的影响　转子处于定子膛内时，因磁阻比在膛外时要小，　所以转子处于膛内时的交流阻抗比膛外时大。其差　值大小与定子、转子间的气隙大小有关，气隙大的，　转子处于膛内时定子磁路对阻抗的影响不大，膛内、　外转子交流阻抗的差值也较小；气隙小的，定子磁路　对阻抗的影响较大，阻抗差值就大。　转子处于定子膛内时，在与功率损耗相应的电　阻中，除了转子本体铁损的等效电阻、绕组铜损的电　阻外，还要包括定子铁损的等效电阻在内。所以在　相同试验电压下，测得的功率损耗一般比转子处于　定子膛外时大。两台发电机分别处于膛内膛外时所　测交流阻抗及功率损耗如表３所示：　表３　２台机转子处于膛内、膛外的测试结果对比　由表３计算得出，１号、２号发电机其膛内阻抗　比膛外阻抗分别增加２．６％和４．１％，其膛内功率损　耗比膛外分别增加５．２％和３．４％。故应对相同的　转子位置所测结果进行分析判断。　４．３转子转速的影响　当转子在定子膛内旋转时，是处在非均匀的导　磁体内转动。如气隙不均匀、转子和定子槽齿的相　对变动等，均会引起交流损耗增加，并且它将随着频　率和磁通密度的升高而增长，从而引起相应的等效　电阻增加，即导致交流阻抗上升。但是，交流阻抗值　还与线匝在槽内占据的高度和转子本体的阻尼作用　有关。当转子旋转时，槽内线匝在离心力的作用下　压向槽楔，既减少了线匝在槽内的有效高度，又使槽　楔与转子槽齿接触更紧密，增强了槽楔的阻尼效应，　这两者都起到减小阻抗的作用。ｌ＿３　在上述使阻抗变化的两种因素中，使阻抗减小　的因素起主要作用。在相同电压下，阻抗值随转速　ｎ增加而均匀下降。　２号发电机在恒定电压、不同转速下的测试结　果如表４所示。　表４　２号发电机转子在不同转速下的实测数据　由表４计算结果分析，当试验电压恒定为８０Ｖ，　维普资讯 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南京工业职业技术学院学报　转速从５００～３０００转／分时，阻抗约下降１０％。我们　量值具有可比性。　第６卷第２期　应在相同的转速下对所测结果作分析比较。　（３）因为定子、转子之间气隙不均匀会引起功　５对生产实践的指导意义　通过上述分析可知，测量转子绕组的交流阻抗　率损耗增加，影响测试结果，所以我们在发电机大修　过程中，将转子由膛外装回膛内时，要校准轴心，保　证气隙均匀，各气隙相互间最大值与最小值的差不　大于气隙平均值的±５％。　（４）历次试验报告必须完整存档，以便分析　比较。　和功率损耗是判断转子绕组是否存在匝间短路的一　种较灵敏的方法。转子绕组交流阻抗和功率损耗的　测试受诸多因素影响，在根据交流阻抗和功率损耗　测量值的变化来分析判断转子绕组是否有匝间短路　故障时，必须在相同电压、相同状态下将测量值与前　次测量值进行比较，才能得出正确结论。因此在我　厂生产过程中，为保证对转子绕组匝间短路准确实　以上规定对保证发电机安全运行和检修质量的　提高起到了良好的作用。　参考文献：　［１］周德贵，巩北宁．同步发电机运行技术与实践［Ｍ］．北京：　中国电力出版社，２００４．　时监控，我们制定了以下规定：　（１）在运行中，若发现转子电流增大，机组振动　增加、绕组温度升高等不正常现象，即应进行交流阻　抗的测试，分析判断是否存在匝间短路故障。　（２）交接及大修时要在相同的试验电压、转速　［２］能信银．发电机及电力系统［Ｍ］．北京：中国电力出版　社．２００４．　［３］李梅兰，卢文鹏．电力系统分析［Ｍ］．北京：中国电力出版　社．２００５．　及外部条件下测试交流阻抗和功率损耗，使历次测　Ｔｕｒｎ－－ｔｏ－－Ｔｕｒｎ　Ｓｈｏｒｔ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｒｏｔｏｒ　Ｗｉｎｄｉｎｇ　Ｘｕ　Ｗｅｎ—ｘｉａ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｎ　ｔｕｒｎ—ｔｏ—ｔｕｒｎ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｇｅｎｅｒａ—　ｔｏｒｓ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ＡＣ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇｓ　ｉｓ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ　ａｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｅｎｓｉ—　ｔｉｖｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｆａｕｌｔ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｏ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｃａｎ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ；ＡＣ　Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ；ｔｕｒｎ—ｔｏ—ｔｕｒｎ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　（责任编辑陈晓润）