发电机转子绕组匝间短路故障诊断建模及应用研究

台湾中原大学电机工程学系 翟天心

在当前的电力系统运行管理中，系统的稳定性和发电机的运行状态间有直接的联系。电力系统自身规模较大，一旦在运行过程中发生故障，不仅容易带来经济方面的损失也容易带来灾难性的后果。随着电力系统的发展，对发电机故障诊断工作也提出新的要求，必须不断创新故障诊断技术，从而为电力系统的安全、经济运行提供有效保障。发电子转子绕组匝间短路是发电机常见的一种电器故障，其将直接影响电网是否能够稳定运行，因此应对其诊断技术加以深入研究，确保电力系统稳定运行。

1 发电机转子绕组匝间短路故障研究现状、故障危害及分类

在发电机转子绕组匝间短路故障的相关研究主要针对两个方面进行研究，分别为在线和离线，且更加注重对在线监测方式的研究，所以在针对发电子转子绕组匝间短路的故障研究中也重点关注在线监测这种方式。

1.1 发电机转子绕组匝间短路故障危害

如无法提前预测发电机发生转子绕组匝间短路故障会直接影响到发电机的运行。通常发电机发生转子绕组匝间短路故障分为两种：一是在发生短路故障时产生大量热量，从而导致绝缘层被烧坏，影响到线路的正常接地，如热点持续膨胀则很容易造成变形，严重的话可能会出现融化情况，在短时间内如不及时进行处理可能导致故障的出现。如，在实施中如出现过热反应直接产生破坏，也会导致主轴承被磁化，对于转子产生直接性的影响；二是当发生短路故障时导致绕组的温度持续升高，进而影响了机组无用功功率的正常输出，同时也容易导致励磁电流上涨，当一个磁极匝间出现短路故障时会直接影响到旋转磁场的平衡状态、导致其被毁坏，破坏发电机磁场的平衡与稳定，使发电机组出现强烈的振动，且易对其他保护部件造成损伤[1]。

因此，对绕组间短路故障进行有效的检测能有效保护发电机，避免形成大规模事故，同时通过适当的维修与养护也能有效延长发电机的使用年限。

1.2 发电机转子绕组匝间短路故障的分类

发电机转子绕组匝间短路可分为稳定性和不稳定性匝间短路两种。动态短路故障的发生率较高且造成损失较大，一旦出现漏判、误判等情况会引发更为严重的后果，因此必须要对此类故障进行准确诊断，保护发电机运行及工作人员的安全。

一般整个故障的发生和发展可分为萌芽阶段、发展阶段及故障阶段。在萌芽阶段，发电机转子绕组匝间有发生故障的征兆，但不会影响到发电机组的正常运行且发电机组的无功功率、有功功率、机组的振动情况及机端电压、所有功率等均处于正常范围内，在该阶段中发电机组主要表现为匝间有漆片、局部过热或匝间有油污等污染物；在发展阶段，已对发电机的正常运行造成影响，且发电机组会出现明显异常情况并表现出匝间短路等特点，在此阶段内发电机振动频率逐渐增加，影响励磁和无功功率，但发电机组依然处于正常的状态，在这一阶段内尚未发生故障[2]；在故障阶段，会直接对发电机转子绕组匝间绝缘造成损害，并表现出非常明显的短路征兆，严重影响到机组正常运行，甚至会引发接地等多种故障。故障阶段发电机机组的运行情况将直接影响到整个发电机运行的安全性，因此在此阶段内需立即停止机器运行，避免造成难以挽回的损失。

2 发电机转子绕组匝间短路故障的发生原因

2.1 设计因素

设计因素是造成发电机转子绕组匝间短路故障主因之一：因发电机设计合理性不足，有一些发电机的转子结构不够合理；在制造过程中因多种因素的影响导致整个制造过程不严谨，所以在完成制造后绕组的铜导线不符合相关标准和规定，如匝间的绝缘材料质量不佳，其中含有金属性的硬刺，存在毛角、倒刺等问题，而后加上离心力作用的影响很容易刺穿绝缘、进而引发匝间短路故障；制造工艺过于粗糙容易造成工艺性损伤，引发匝间短路；还有一部分转子线匝局部的风量或风控制造不合格，最终造成其运行过程中热量较高，形成匝间短路故障。此外金属异物也易造成匝间短路故障问题[3]。

2.2 运行因素

绕组端部残余变形引发匝间短路故障问题，如，有一些发电机在运行过程中长时间受到热力、电力及机械力的影响，导致绕组端部发生残余变形或导致转弯处的线匝沿径向方向出现参差不齐的变化，造成匝间脱落、匝间绝缘磨损等问题，最终引发匝间短路故障；其次，处于运行状态的发电机转子持续高速运转，导致发电机需承受巨大的离心力或其他多种导致其变形移位的动态应力[4]；再次，因受到其他一些因素的影响导致内冷转子绕组堵塞，这样也易造成短路故障；最后，如氢气湿度较大会破坏端部绕组间的绝缘，从而引发短路故障。

除上述常见故障原因外，一些突发性事故也易造成电机发生故障，如，在进行组装时未对转子顶端的绕组进行有效固定处理，导致发电机在运行过程中垫块因震动的影响而更加不牢固，或是因转子顶部热量过高发生的变形、匝间绝缘片移动、废渣或较小的颗粒进入到转子线圈顶端及透风缝隙等，都容易造成短路故障。但无论因哪种原因造成的故障，如不及时加以处理不仅易导致发电机转子小面积过度发热，甚至造成一点或两点接地的危险情况出现[5]。

2.3 发电机匝间短路故障的相关分析

当发电机转子发生匝间短路故障后，励磁绕组分为短路励磁回路和正常励磁回路两种，前者会形成短路电流，其方向与正常励磁电流的方向相反（图1）。如电机磁场在没有饱和的情况下出现故障，其中励磁磁动势可等效成正常励磁回路产生的磁动势和故障回路产生的磁动势的叠加。正常励磁回路产生的磁动势在不同的磁极分布下会造成不良影响，如没有考虑到定子电枢反应磁动情况，则会出现更明显的故障。因此只需分析励磁故障回路产生的磁动势即可完成故障后励磁磁动势的分析，其表达式如下。式中，N 为各极下励磁线圈数；p 为极对数；j=1，2，...，n：

图1 转子匝间短路故障原理图

3 电机转子绕组匝间短路故障的诊断方法

探测线圈判别法。是检测短路问题时常用方法，最常用的方式是安装探测线圈，基本原理就是使用一个检测线圈（图2）。发电机组缝隙间的旋绕磁场可利用该装置进行感应计算，且缝隙磁场会在线圈上产生一定的感应电动势，然后对感应电动势进行细微的分析，能对所产生的波形进行观察，根据观察波形的具体情况，帮助检测工作人员及时发现发电机组运作过程中绕组是否发生故障，并及时了解故障的发生原因、具体发生位置等。

图2 探测线圈安装示意图

定子环流判别法。主要指的是通过观察偶次谐波电流，注意的是实现对匝间的检查，重点分析是否存在故障。如电流本身出现异常现象，主要是由于发电机组的每相绕组都有两个1/2相绕组组合而成。当发电机在实际运行阶段，如转子的部分磁动力出现不对称的反应，定子绕组也会出现谐波电流，此类电流的频率属于波形变化且其回旋环流的速度与转子相同。将线圈安装在定子上可实现对环流的实时、持续监测。

无功功率和励磁电流判别法。当发电机发生短路故障问题时会导致磁场产生去磁问题，进而影响到磁势、使其相对减弱，主要就是因为在磁势效果相同的条件下会产生相反的效果，从而造成绕组匝线发生短路的问题。虽然发电机转子中的电流会因转子匝间短路问题而不断增加，但发电机的无用功功率不会发生变化或轻微变小，根据上述故障的特点，应准确记录好发电机组运行过程中的各项数据信息，而后准确计算出发电机组在运行过程中所产生的励磁电流，将明确值与记录值进行对比就能准确判断绕组匝线是否发生故障[6]。

智能短路故障诊断方法。是随着科学技术水平不断提升而形成的一种新的诊断技术，可凭借自身系统的特殊性模仿人的反馈能力，且该系统具有良好的自我学习能力，在系统运行过程中通过自我条件和自行认知，并利用各个保护单元相互输入、相互输出这一反馈特点能够对故障进行有效的诊断[7]。总而言之，该系统能通过模拟人的方式，模仿人类进行自我学习与自我训练，自动调整单元与单元间的结合度，在网络上准确的反映出输出单元和输入单元间的关系，准确判断和预测位置故障。在智能短路故障诊断技术的实际应用中，有3个最为明显的应用优势。

首先，智能短路故障诊断技术具有自我认知优势，该优势与人们日常生活中对图片认知的原理相似，利用智能短路故障诊断系统可将很多未出现过的模板图与相关的数据信息进行有效处理，而后再利用系统的自我认知功能更好地了解与掌握图像处理技术。当有未知故障发生时，系统可直接将未知故障与已知故障进行对比，从而更加准确的进行预测未知故障信息，这样就能更加准确的检测出故障信息，总之其自我认知功能有助于提高故障诊断的灵敏度和准确度。其次，智能化系统应用中系统本身具备云端的储存功能，可将已收集的知识存储在云端上，如再次出现故障可及时准确的进行故障判断。如智能短路故障频繁出现则直接对系统产生影响，因此在处理比较复杂问题的时通常需经过大量的计算后才能寻求最佳的解决方案，但大量的计算往往会耗费大量时间。而智能短路故障诊断系统可通过模拟人类思考的方式进行快速计算，从而更快的找到解决问题的方法。