新型探测线圈浅析

董斌

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【摘 要】电力设备的安全运行至关重要，发电机作为产生电能的装置，其重要程度不容小视。目前，使用量最大，最常见的发电机即为汽轮发电机。汽轮发电机在运行时比较容易发生故障，最常见的故障即为定子绕组匝间短路和转子绕组匝间短路，但是在故障发生时，发生故障的类型和故障发生的部位并不容易确定。为了解决这个问题，本研究提出了一种新型的探测线圈，来区分发电机的故障类型，判断故障发生的部位，从而更好地监测和保护发电机。

【关键词】发电机绕组匝间故障；故障检测；新型探测线圈

0 前言

经济的快速发展带来人们生活水平的提高，电力电器在生活中的应用也越来越广泛。发电机作为产生电能的装置，是电气系统的源头和心脏，其重要程度可见一般。近年来，电器使用量的增加让传统的发电机渐渐不能适应社会的发展，汽轮发电机因为其功率大、效率高、污染小，使用量越来越大。但是汽轮发电机价格也比较昂贵，一旦出现故障，维修起来不但价格高而且难度大，故障发生的类型和故障发生的部位不容易被检测出来。因此，如何监测、区分发电机的故障这个问题越来越被人们重视，发电机的故障检测成为近年来研究的主要方向。

1 发电机绕组匝间故障的类型

1.1 发电机定子绕组匝间短路

发电机绕组匝间故障种类较多，但从故障发生的破坏性这方面来说，比较典型的故障即为发电机定子绕组匝间短路。发电机定子绕组匝间短路是发电机绕组匝间故障中的一种破坏性很强的故障。[1]发电机运行时荷载过大、发电机的电压过大、发电机导线绝缘材料的质量不好、等均会造成发电机定子绕组匝间短路。尤其是当发电机运行时间过长，空气中的灰尘粉粒等东西大量堆积在发电机的匝与匝之间，然后，当发电机运行时，高速旋转，匝与匝之间的灰尘粉粒受到力的作用，开始运动起来，开始摩擦导线的绝缘层，时间一长，就会将导线的绝缘层磨破，从而直接形成发电机匝间短路。然而，在发生定子绕组匝间短路后，如果故障不能及时得到处理，则发电机定子绕组匝间故障就可能发展成为更为破坏性更强的更为严重的发电机相间故障，给发电机造成重大的损坏。

1.2 发电机转子绕组匝间短路

发电机绕组匝间故障从故障发生的常见性这方面来说，比较典型的故障即为发电机转子绕组匝间短路。发电机转子绕组匝间短路是发电机故障中一种较为常见的故障。发电机发生转子绕组匝间短路的原因有很多，比如：发电机在制造时，因为其制作工程庞大，工序复杂，制作过程中任何一个环节出了问题，都可能会导致发电机制作不佳，质量出现问题，如果发电机的转子固定不好，转子在绕组运行时，高速旋转，发生匝与匝之间的接触，造成匝间短路。发电机在运行时，转子高速旋转，运行时很容易造成的转子固定不牢靠，发生匝与匝之间的接触，从而直接造成发电机转子端部匝间短路。发电机运行时，转子高速旋转，转子与固定转子的焊接处发生摩擦，导致焊接部位发生磨损，时间一长，转子焊接处被磨破，或者是焊接时焊接处处理不好，这些情况都容易造成发电机转子绕组匝间短路。相较定子绕组匝间短路，发电机转子绕组匝间短路的破坏性较弱。所以，轻微的发电机转子绕组匝间短路经常不容易被检测出来，如果继续使用下去，就会导致发电机问题越来越严重，局部电流急剧增大，短路接触处过热，从而损坏转子，最终会对发电机造成很大的破坏。[2]发电机转子绕组匝间短路分为稳定性匝间短路和不稳定性匝间短路（即动态匝间短路）。稳定性匝间短路比较容易判断，故障发生的部位也比较容易被检测出来，不稳定性的匝间短路故障检测起来相对来说比较困难，发生频率也相对较高，很难确定故障发生的具体部位。

2 用新型探测线圈检测发电机绕组匝间故障

2.1 新型探测线圈的简介

发电机使用过程中，比较容易发生的故障即为转子绕组发生匝间短路，转子绕组匝间短路又分为稳定性匝间短路和不稳定性匝间短路。这两种短路故障不容易区分，检测起来也比较困难，而且故障发生的部位也不容易被检测出来。传统的转子绕组匝间短路检测方法虽然比较成熟，但都是在检测转子稳定性匝间短路方面比较有经验，不能检测发电机运行时转子绕组动态匝间短路，而且对于故障发生的部位也不能准确地检测出来，因此转子动态匝间短路故障的检测是当前的主要研究方向。发电机转子绕组匝间短路按照故障发生的时间可以分为两个阶段：故障发生前和故障发生时。在故障发生前准确地诊断出故障到底是稳定性匝间短路还是动态性匝间短路，并确定故障发生的部位和严重程度是故障检测的主要目的，也是目前研究的重要方向。现有的检测故障的方法对于检测故障类型和故障发生的部位，有很大的局限性，针对这个现状，本研究主要提出了用新型探测线圈法来检测故障类型和故障发生的部位。

2.2 新型探测测线线圈的布置

如图1表示，分别在相邻的两个位置中将两个相同长度的线圈进行并联，同时将这两个线圈，采用正向连接的方式连接，使其能够形成一个线圈，图中P代表级对数。

正常情况下，电机的运转和极端外部的故障情况，会导致气隙的磁场只是存在于空间基波以及少量的奇数谐波。详情参考图1，因为线圈11和22两者间的距离相差1个极距，因此，空间基磁场会在这两个线圈的作用下，产生大小、方向相等的磁链，因此，它们不会再探测线圈中产生反应，同理，在这样的条件下，其他的奇数谐波也不会有电动势出现的探测线圈当中。

此外，在一些对极的发电机当中，当绕组与转子内部出现问题时，气隙中还是会有谐波磁场存在。如图1中的（b）表示，空间的2次谐波磁场在线圈中体现出来的方向与大小依然与11和22中产生的磁链相等。线圈中产生的能量只会增加并不会减少。因此，这些故障附加的功能会在一定的程度上增加气隙空间的谐波磁场，它能够在探测线圈中将交流电动势感应出来。

2.3 新型探测线圈检测故障的方法

发电机在运行时，周围产生磁场，如果发电机发生绕组匝间短路，就会引起发电机磁场发生变化，故障发生的部位的电磁波也会发生相应的变化。在发电机的气隙磁场中添加一个探测线圈，这样探测线圈的电磁波的波形就可以反映的发电机气隙磁场的变化，通过与正常情况下发电机气隙磁场的波形进行对比，可以判断故障发生的类型和故障发生的具体部位。

3 结语

发电机作为产生电力的装置，在电力系统中的作用至关重要。然而，发电机内部结构复杂，制作工程较大，在制作过程中和发电机运行过程中的任何一个环节出现问题，都容易造成发电机运行时发生故障，最常见的、破坏性最强的故障即为发电机绕组匝间短路的，对发电机产生极大的伤害，进而直接对电力系统产生影响。因此，发电机故障的监测、诊断极为重要。

【参考文献】

[1]李永刚，李和明，赵华.汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断新判据[J].中国电机工程学报，2003（6）：112-116.

[2]李永刚，李和明.基于定子线圈探测的转子匝间短路故障识别方法[J].中国电机工程学报，2004（2）：107-112.

[责任编辑：张涛]