凸極同步電機(jī)匝間耐壓試驗(yàn)研究

王洪波，陳 健，張東東，馬賢好

(北京三一電機(jī)系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 102206)

0 引言

現(xiàn)階段，電機(jī)匝間耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及檢測設(shè)備都比較成熟，但常常在判斷繞組匝間是否短路問題上，仍存在很多疑惑。電機(jī)繞組匝間耐壓試驗(yàn)普遍依據(jù)沖擊電壓波形比較法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷匝間是否短路[1]。對于繞組線圈及電機(jī)定、轉(zhuǎn)子，只須根據(jù)波形重合度進(jìn)行判斷，而對于凸極同步電機(jī)整機(jī)進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)，若波形畸變，其匝間不一定短路，該問題一直困擾電機(jī)整機(jī)匝間檢測結(jié)果的判斷。本文對凸極同步電機(jī)整機(jī)匝間試驗(yàn)的判斷做了詳細(xì)研究與分析，得出了正確的判斷方法。

1 匝間耐壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

電機(jī)匝間耐壓試驗(yàn)結(jié)果判斷原理:當(dāng)電機(jī)定子某相出現(xiàn)繞組匝間短路時，短路相電感比正常值小，從而使沖擊電壓波形在短路相中的振蕩頻率和衰減速率發(fā)生變化，使其電壓衰減波形與參考波形不完全重合[2]。

1.2 試驗(yàn)步驟

(1)沖擊電壓峰值按JB/T 10098交流電機(jī)定子成型線圈耐沖擊電壓水平計(jì)算。確定試驗(yàn)電壓波形，標(biāo)準(zhǔn)視在波前時間為 0.2 μs，容差為(+0.3)/(－0.1)μs。

(2)打開設(shè)備電源，預(yù)熱3～5 min，連接標(biāo)準(zhǔn)試樣并升壓，調(diào)整示波器并捕捉基準(zhǔn)波形。例如，該匝間耐壓試驗(yàn)波形如圖1所示。其中圖1(a)顯示為電機(jī)未裝轉(zhuǎn)子的定子繞組匝間試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)波形，圖1(b)為凸極同步電機(jī)定子繞組匝間試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)波形。

(3)連接被測試樣，升壓進(jìn)行測試，捕捉波形，與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，判斷匝間耐壓試驗(yàn)是否合格。

圖1 匝間耐壓試驗(yàn)波形

2 凸極同步電機(jī)整機(jī)匝間試驗(yàn)研究與分析

2.1 凸極同步電機(jī)整機(jī)匝間波形分布

凸極同步電機(jī)整機(jī)定子匝間波形分布不完全重合的匝間試驗(yàn)問題波形有兩種形式，如圖2所示。其中，圖2(a)波形的相位、幅值均變化，圖2(b)相位發(fā)生變化，但幅值未變化。按照匝間試驗(yàn)原理判斷出現(xiàn)圖2中兩種不完全重合波形的電機(jī)匝間不合格。但在實(shí)際檢測過程中，拆除出現(xiàn)圖2波形的凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子后，對電機(jī)定子進(jìn)行匝間耐壓試驗(yàn)，有部分電機(jī)匝間耐壓試驗(yàn)合格。

2.2 凸極同步電機(jī)匝間波形變化分析

凸極同步電機(jī)的主電抗主要與繞組每相匝數(shù)N、基波繞組系數(shù)Kdp1、電樞的軸向計(jì)算長度lef及極距與氣隙比有關(guān)，關(guān)系式為

式中:μ0——真空磁導(dǎo)率;

f——頻率;

P——有功功率;

q——每極每相槽數(shù);

λm——主磁路的比磁導(dǎo)[3]。

圖2 電機(jī)線圈匝間試驗(yàn)問題波形

凸極同步電機(jī)的氣隙沿電樞周圍分布不均勻，磁極下面氣隙較小，兩極之間氣隙較大。氣隙比磁導(dǎo)λm如式(2)所示。直軸處氣隙比導(dǎo)磁λd比交軸處氣隙比導(dǎo)磁λq大很多，在極間區(qū)域電樞磁場出現(xiàn)明顯下凹，基波幅值 Baq1顯著減小[4]。凸極同步電機(jī)的氣隙比磁導(dǎo)如圖3所示。

圖3 凸極同步電機(jī)的氣隙比磁導(dǎo)

由于凸極同步電機(jī)沿電樞周圍的氣隙不同引起的比磁導(dǎo)不同，使電機(jī)三相主電抗不同，故其定子三相線路中每相線路的匝間耐壓試驗(yàn)波均不完全重合。

2.3 凸極同步電機(jī)整機(jī)匝間波形判斷

凸極同步電機(jī)裝入轉(zhuǎn)子后，其氣隙分布不均會使定子三相線路的阻抗(R、L)發(fā)生變化。電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時，其電樞周圍的氣隙分布如圖4所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時的定子繞組氣隙分布

根據(jù)定子各相線路的排布方式，以某一相繞組周圍的氣隙分布為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，變換電樞周圍的氣隙，可找到另外兩相繞組周圍氣隙分布與基準(zhǔn)繞組周圍氣隙分布相同的位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度根據(jù)定子槽數(shù)Q、極對數(shù)p、相數(shù)m確定，旋轉(zhuǎn)角度θ(可為該角度整數(shù)倍)為尋找是否有波形重合的位置的方法，來判斷其匝間絕緣是否損壞。按式(3)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，其結(jié)果為60°的整數(shù)倍。

以定子槽數(shù)為72、相數(shù)為3、極數(shù)為8的凸極同步電機(jī)為例，按式(3)計(jì)算其旋轉(zhuǎn)角度為60°。定子U相磁場基準(zhǔn)位置為如圖5(a)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)60°，即定子逆時針旋轉(zhuǎn)60°后U相磁場位置如圖5(b)所示。其V相繞組周圍氣隙分布與圖5(a)中U相相同，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)60°，其W相磁場分布與圖5(c)中U相相同。按照式(3)角度的整數(shù)倍旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子后，在定子匝間無問題情況下，某一相與基準(zhǔn)相匝間沖擊試驗(yàn)波形應(yīng)重合。在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子過程中，若可找到波形與基波重合的位置，再改變沖擊波的幅值，波形僅幅值隨之改變，其相位不變，可說明該凸極同步電機(jī)匝間無故障;如果旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子找不到波形與基波重合的位置，其匝間可能有故障。

2.4 凸極同步電機(jī)匝間試驗(yàn)案例分析與判斷

以2臺勵磁發(fā)電機(jī)為例。電機(jī)為3相、8極凸極同步電機(jī)，槽數(shù)為72，在進(jìn)行整機(jī)匝間試驗(yàn)時，其試驗(yàn)波形如圖6(a)所示，波形畸變較大。對此采用轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，改變轉(zhuǎn)子與定子的相對位置，

圖5 電機(jī)定子繞組氣隙分布(轉(zhuǎn)子靜止)

以U相匝間耐壓試驗(yàn)波形為基波，檢查V、W相，其波形如圖6(a)所示。緩慢旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子分別連續(xù)2次順時針旋轉(zhuǎn)60°后，三相繞組的匝間波形均能與基波重合，如圖6(b)所示。不改變轉(zhuǎn)子的位置(某一相的沖擊電壓波形與基波重合的位置)提高沖擊電壓幅值，其波形僅幅值發(fā)生變化，相位不變，如圖6(c)所示。又拆掉一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子后，對定子進(jìn)行匝間試驗(yàn)，三相繞組的沖擊電壓試驗(yàn)波形重合，即該電機(jī)定子匝間無故障。證實(shí)了判斷方法的正確性。

圖6 凸極同步電機(jī)匝間耐壓試驗(yàn)波形

以1臺小型水輪發(fā)電機(jī)為例。電機(jī)為3相、4極勵磁同步同步電機(jī)、槽數(shù)為72，在進(jìn)行整機(jī)匝間試驗(yàn)時，其試驗(yàn)波形如圖7(a)所示，波形畸變嚴(yán)重。根據(jù)上述方法旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子，沒有找到三相繞組沖擊電壓試驗(yàn)波形重合的位置，按找上述方法可判斷該電機(jī)定子匝間存在故障。

測量其三相電流分別為:187、239、206 A，其不平衡度分別為13.4%(要求＜10%為三相電流平衡)，即其三相電流不平衡;拆掉該電機(jī)轉(zhuǎn)子，對其進(jìn)行匝間沖擊電壓試驗(yàn)，其波形如圖7(b)所示，仍不重合。說明其匝間絕緣有故障，證明上述判斷是正確的。

3 結(jié)語

通過分析凸極同步電機(jī)整機(jī)電樞周圍氣隙分布不均及氣隙與電機(jī)主電抗的相互關(guān)系，說明了在轉(zhuǎn)子位置不變時，定子三相繞組匝間試驗(yàn)波形受轉(zhuǎn)子電機(jī)電樞周圍氣隙分布不均的影響，其三相繞組匝間耐壓試驗(yàn)波形不同。分析凸極同步電機(jī)電樞相對分布，說明可調(diào)整轉(zhuǎn)子相對定子的位置，找出定子三相繞組磁場分布相同的位置，即三相繞組匝間波形重合的位置。通過研究電機(jī)定子的布線方式，得出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度(波形與基波重合的位置)的計(jì)算方法。此方法可較便捷地判斷凸極同步電機(jī)匝間故障，極大提高凸極同步電機(jī)整機(jī)匝間沖擊耐壓的檢查效率，為電機(jī)整機(jī)出廠試驗(yàn)提供了有效的指導(dǎo)方法。

圖7 凸極同步電機(jī)整機(jī)匝間故障波形

[1]王先勇，余文武，羅廣生，等.關(guān)于匝間沖擊耐壓試驗(yàn)的淺析[C]∥絕緣材料學(xué)術(shù)會議論文集，2011(10):467-469.

[2]孫雪明.電機(jī)整機(jī)匝間絕緣檢測[J].微電機(jī)，2002(1):38-40.

[3]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.