故障原因与磁场分析

褚  岩

（辽宁华电铁岭发电有限公司）

摘要：本文阐述了汽轮发电机转子的一般结构和转子绕组匝间短路的原因，主要对转子绕组匝间短路的磁场进行了数学分析，得出转子匝间短路时磁场信号的故障特征，为信号的后续处理提供了良好的依据。

关键词：汽轮发电机；转子绕组；匝间短路；故障原因；磁场分析

0　引言

汽轮发电机转子绕组匝间短路与其结构有密切的关系，不同的转子结构，其短路的可能性也不同，目前，大型汽轮发电机组所采用的氢冷方式，使得转子绕组匝间短路的可能性较原空冷机组大大增加，发电机转子绕组匝间短路的在线监测与诊断已成为亟待解决的问题。本文对大型汽轮发电机组的转子冷却方式、结构、造成故障的原因及转子运行时的磁场做了较为详细的分析。

1　转子绕组匝间短路的故障原因分析

1.1　汽轮发电机的转子结构

汽轮发电机随容量的变化，转子采取的冷却方式有所不同。小容量机组采取空冷方式，空冷方式以其高可靠性和低维护量，深受运行部门的欢迎。然而随单机容量的增大，考虑机组体积、重量、材料利用率等原因，空冷不再适用。但目前国际上仍有一些国家，通过结构和材料性能的改进，制造出较高性能价格比的中等容量空冷机组。中等容量机组有两种冷却方式，即水内冷和氢冷。水内冷曾在70年代盛行，但由于可靠性的原因，现在已很少采用。大型机组都是采用氢冷方式。

采用不同冷却方式的转子绕组绝缘结构有很大区别。水内冷的转子绕组由空芯铜线制成，其绝缘结构为单匝绕包，极少出现匝间绝缘故障，而空冷和氢冷式转子绕组则由实芯铜带制成，其绝缘为组合结构，即由槽衬垫条、槽衬、层间绝缘、槽口垫块、端部绝缘等组合而成。由于冷却通风的需要，在绕组、槽口垫块、层间绝缘、槽楔上加工成对应孔组成风道。这种结构的转子，由于风道的存在，金属异物容易掉进转子内部，形成短路故障。同时，由于绝缘结构的位移，在高速旋转离心力的作用下，也易产生由于绝缘件的窜动、损坏，导致匝间短路的发生。

以下对转子绕组的磁场分析的对象就是我国电力系统的主力机组——国产300MW水氢氢冷汽轮发电机组的转子绕组，该型机组的定子绕组采用水内冷方式，定子铁芯、转子采用氢冷。其转子为目前国际上普遍采用的结构型式，气隙取气、隐极、显示风斗。

转子的基本数据如下：

转子总长度： 10.90m

转子本体长度： 8.1m

槽数： 32

每槽匝数： 9

每极串联线圈数：8

1.2　转子制造的主要工序

汽轮发电机转子生产过程极为复杂，技术工艺要求很高，涉及金属非金属加工、中频焊接、热套、机械、电气性能试验、动平衡等专用技术，各种工序有几百项，其主要工序如下：

转子本体及部件加工→下线→冷、热压型→打槽楔→端部槽楔配车→引线焊接→热套护环→半成品耐压→动平衡→热失败→超速→精平衡→成品转子耐压→通风检查→成品转子入库。

在转子诸多工序中，首序即开始短路故障的预防，从转子下线序开时短路故障的检验，可以说针对转子绕组匝间短路故障的预防及检验贯穿转子制造的全过程。由于转子的生产工序多、周期长、故障成因复杂，同时检验方法多样、数据采集量大，特别是在发电机运行过程中，受转子绝缘老化，电磁力等诸多因素的影响，发生短路的可能性也有所增加。到目前为止，在现场还没有针对这些故障的在线检测的方法，急需采用先进的计算机处理技术和数据的分析方法，在机组运行中准确地对机组是否存在转子绕组匝间短路做出判断。

1.3　短路的故障原因

（1）制造方面

（a）转子端部绕组固定不牢，垫块松动。发电机运行中由于铜铁温差引起的绕组相对位移，设计上未采取相应有效措施。

（b）绕组铜导线加工成型后不严格的导角与去毛刺；端部拐角整形不好和局部褶皱或凸凹不平；匝间绝缘垫片垫偏、漏垫或堵孔（直接冷却的绕组通风孔）；绕组导线的焊接头和相邻两套线圈间的连接线焊口整形不良；制造工艺粗糙留下的工艺性损伤；转子护环内残存加工后的金属切屑等遗物。

（2）运行方面

（a）运行中高速旋转的转子绕组承受着离心力等多种使其位移变形的动力；

（b）冷态起动机组，转子电流突增，由于铜铁温差使绕组铜线蠕变留下的残余塑性变型和积累，导致匝间绝缘核对地绝缘的损伤；

（c）多种原因导致转子绕组风道等冷却回路堵塞，造成局部严重过热，使匝间绝缘损伤。

由于上述设计制造方面的缺陷以及运行检修工艺不得当等原因，很容易造成转子绕组匝间短路故障并日趋严重。

2　转子绕组匝间短路的磁场分析

在汽轮发电机转子绕组匝间短路的检测方法中，探测线圈法的测量结果是“汽轮发电机转子绕组匝间短路”机械部部颁标准所规定的最终判据。本文在研究发电机转子绕组匝间短路的磁场分析时，也是在针对采用探测线圈法的基础上进行的。转子不存在匝间短路时，电压波形对称平滑，匝间短路时，电压波形畸变，某槽出现短路时，对应其电压波峰降低，同时可能会出现相邻槽对应电压波峰的增高，这是因为短路槽安匝数减少，磁通减少与相邻槽的磁通变化率增加的缘故；探测线圈法能有效的监测出汽轮发电机转子的动态情况下的匝间短路程度和所在槽位。

2.1　匝间短路的二维分析模型

二维分析的方法，其主要假设是模型的线性化。根据Ward的理论，可分析发电转子绕组短路的磁场。换句话说，在短路匝上增加一反方向电流，把它在气隙中产生的磁场加到原有均匀磁场上去，合成后就会形成有短路匝状态下的电机磁场。通常假设条件如下：

（1）定、转子铁芯的相对导磁率有恒定值；

（2）定、转子槽忽略不计，但要用Carter系数来增加气隙的长度；

（3）假设转子绕租仅在转子本体表面形成面电流；

（4）不计端部效应，因为汽轮发电机转子的长度与直径的比值很大。

根据下面的发电机转子示意图（1）我们计算发电机转子的磁场。

图1　发电机转子示意图

由于转子表面（区域1，半径R1）上的励磁电流仅仅延轴向流动，根据磁矢量位分量可来描述二维磁场：

                      ，                   （1-1）

为简便起见，或A满足—系中的拉普拉斯方程，其解为：

                （1-2）

下标I表示图（2）中三个区域中的一个，满足了的要求，因为区域1包含坐标原点。如果忽略定子铁芯的漏磁，则，时，有

                    （1-3）

另外的边界条件是在时，有

，                 （1-4）

在时，有

，              （1-5）

运用上式可求得气隙系数为：

，            （1-6）

其中：

， 

是含有气隙磁场对定子铁芯深度影响的系数，当深度到一定程度后趋于一致。参数不仅含有铁芯深度影响，也包含了相对导磁率的影响，当后者增加时趋于一致。运用上式可的气隙磁场分量。

在转子表面这一特殊情况时

             （1-7）

             （1-8）

在定子表面时

             （1-9）

2.2　气隙中探测线圈中感应的电动势

我们根据上节得到的相对转子径向的气隙磁密的分布，可求得2p极转子以转速沿增加方向旋转的相对定子的磁密度为：

            （1-10）

式中： 

探测线圈法是把定转子间气隙磁场的变化转化为其变化率（即感应电动势的变化），我们这里研究的是针对两极电机而言。通过磁场的分析知，发电转子绕组的匝间短路表现为其偶次磁通的畸变。理论上，其偶次磁通和为：

            （1-11）

当不考虑整个励磁绕组在气隙产生的均匀磁场，而仅考虑探测由匝间短路而产生的磁场时，感应电动势的偶次谐波和为：

          （1-12）

我们考虑把线圈放在定子表面这一特殊情况，并把带入，得此时电动势为：

       （1-13）

如果将主磁场分开，对于两极电机而言，其匝间短路产生磁场每周在探测线圈上感应电动势偶次谐波的和应该是一对相同脉冲。如下图（2）：

图2 电动势的同向脉冲对示意图

3　结论

汽轮发电机转子绕组匝间短路原因非常复杂，不仅与发电机结构有关，还与其生产工艺、运行方式有密切关系。本文通过对发电机可能出现匝间短路的原因进行了分析，并且在二维数学模型的基础上，通过有限元法对发电机转子绕组匝间短路的磁场变化做了详细推导，得出转子匝间短路时磁场信号的故障特征，为进一步信号分析提供了数学基础。

参考文献：

[1] 周德贵,汽轮发电机转子绕组静态匝间短路的实验研究 《电力技术》 1982 №.12 34-38

[2] R.L.Stoll,A.Hennache, 同步发电机转子绕组匝间短路的分析与探测，《国外大电机》，№.1，1987 pp35-40

[3] 胡之光. 《电机电磁场的分析计算》. 机械工业出版社，1980

[4] 汤蕴秋.《电机内电磁场》. 科学出版社， 1981下载本文