大型發(fā)電機(jī)繞組電氣故障分析

丁鵬飛

（山西魯晉王曲發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 047500）

0 引言

在現(xiàn)代電力生產(chǎn)中，大型發(fā)電機(jī)非常常見，是最為重要的電力生產(chǎn)設(shè)備，且價(jià)格非常昂貴?？梢哉f大型發(fā)電機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行是電力系統(tǒng)穩(wěn)定供電的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人們的正常生產(chǎn)生活尤為重要。在大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，電氣繞組電氣故障是較為常見的電氣故障之一，按照電氣故障的發(fā)生的位置以及原因不同，其主要分為定子繞組電氣故障、轉(zhuǎn)子繞組電氣故障，以及由大型發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行引起的繞組電氣故障。這些電氣故障都會(huì)造成突然短路問題，引起大型發(fā)電機(jī)繞組破壞，會(huì)對(duì)大型發(fā)電機(jī)造成極大的危害。因此，在實(shí)際工作中，要根據(jù)實(shí)際情況，分析大型發(fā)電機(jī)繞組電氣故障產(chǎn)生的原因與部分，并針對(duì)性采取措施，快速查找和排除電氣故障，并設(shè)置一定的預(yù)防措施，以保證大型發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電力的穩(wěn)定供應(yīng)[1]。

1 定子繞組的電氣故障分析

1.1 定子繞組電氣故障概述

大型發(fā)電機(jī)內(nèi)繞組電氣故障常見于同步電機(jī)的定子繞組中，此類故障的主要類別包括以下幾個(gè)，分別是同支路匝間短路、同相不同支路匝間短路、相間短路以及支路開焊等。同步電機(jī)定子繞組故障在大型發(fā)電機(jī)中比較常見，而且可以造成較為嚴(yán)重的后果。主要是由于同步電機(jī)出現(xiàn)定子繞組電氣故障后，可以產(chǎn)生非常大的短路電流，從而引起過熱問題導(dǎo)致大型發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)部件燒毀，并且會(huì)引發(fā)破壞性極大的電磁力，引起強(qiáng)大的負(fù)序磁場(chǎng)，其可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)的允許值，并嚴(yán)重?fù)p壞轉(zhuǎn)子。此外，在定子繞組電氣故障中，單相接地引起的繞組故障也是較為常見的起因之一，一般指的是鐵芯和定子繞組之間的絕緣被擊穿，從而導(dǎo)致的短路引發(fā)定子繞組電氣故障[2]。

1.2 定子繞組電氣故障原因

多數(shù)情況下，導(dǎo)致定子繞組故障的原因都是由于電子繞組的絕緣層破壞。絕緣層破壞主要包括自然老化過程以及絕緣層被擊穿，大多數(shù)情況下是兩種因素共同作用的結(jié)果。如果發(fā)電機(jī)的端口發(fā)生相間短路，則發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大電流，該電流是額定電流的4~5倍。由于產(chǎn)生極大的瞬時(shí)短路電流，會(huì)引起破壞性極強(qiáng)的電磁力以及電磁轉(zhuǎn)矩，并對(duì)電子繞組、轉(zhuǎn)軸以及機(jī)座等產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，巨大的沖擊力可能會(huì)損壞以上部件，并可能直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子短桿產(chǎn)生嚴(yán)重的變形、斷裂和絕緣損壞。除以上因素外，繞組絕緣層損壞也肯能由其他原因引起，比如定子鐵芯疊層松動(dòng)、磁性物體掉落在絕緣表面等。而且一些生產(chǎn)廠家制造發(fā)電機(jī)時(shí)，由于缺乏嚴(yán)格的安裝，導(dǎo)致運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子的固定部件的掉落以及由于的接頭焊接脫落而導(dǎo)致的電線絕緣部分缺陷。以上這些因素都可能損壞定子繞組的絕緣層，從而引發(fā)定子繞組電氣故障[3]。

1.3 定子繞組電氣故障分析方法

對(duì)定子繞組電氣故障進(jìn)行分析時(shí)，有多種方法，常采用的主要有以下三種，以下分別進(jìn)行介紹：（1）解析計(jì)算法：最為常用的解析計(jì)算法是依據(jù)多回路理論的多回路分析法。通過多回路理論可以建立凸極同步發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，作為分析定子繞組電氣故障的主要基礎(chǔ)。然后可以根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子的實(shí)際回路寫出電壓以及磁鏈方程。對(duì)回路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要先計(jì)算單個(gè)線圈以先獲得單個(gè)線圈的參數(shù)，然后根據(jù)不同線圈的實(shí)際參數(shù)計(jì)算每個(gè)線圈的參數(shù)，并通過實(shí)際組成計(jì)算回路參數(shù)。需要注意的時(shí)，在運(yùn)行過程中要考慮定子和轉(zhuǎn)子之間的相互運(yùn)動(dòng)引起隨時(shí)間變化的電感系數(shù)，從而建立時(shí)變微分方程。根據(jù)以上方程進(jìn)行求解，可以獲得凸極同步發(fā)電機(jī)定子繞組的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分量。（2）試驗(yàn)研究法：發(fā)電機(jī)的故障行為以及校準(zhǔn)接地保護(hù)裝置主要使用試驗(yàn)研究法。大型發(fā)電機(jī)價(jià)格非常高，因此具有非常高的使用成本，該方法被認(rèn)為是安全，經(jīng)濟(jì)和可行的方法，因此被廣泛使用。其主要是在實(shí)驗(yàn)室中，采用動(dòng)模機(jī)組動(dòng)態(tài)模擬發(fā)電機(jī)的故障試驗(yàn)，以獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)，并與實(shí)際運(yùn)行情況相比較，以采取一定的預(yù)防措施對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。（3）數(shù)字仿真法：該方法顧名思義，就是通過以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)，通過對(duì)發(fā)電機(jī)真實(shí)系統(tǒng)的所有參數(shù)輸出仿真軟件，建立真實(shí)的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析。主要如下：①測(cè)量計(jì)算機(jī)真實(shí)參數(shù)，建立基于發(fā)電機(jī)真實(shí)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型；②根據(jù)數(shù)學(xué)模型通過仿真軟件建立仿真模型；③編制仿真模型的調(diào)試程序；④利用調(diào)試程序?qū)Ψ抡娼Y(jié)果驗(yàn)證分析。數(shù)字仿真法具有經(jīng)濟(jì)、安全、靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，在實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛，且取得了非常好的效果。

2 轉(zhuǎn)子繞組電氣故障分析

匝間電氣故障和接地電氣故障是轉(zhuǎn)子繞組電子故障中最為常見的兩類故障，以下分別進(jìn)行介紹。

2.1 匝間短路電氣故障

匝間短路電氣故障極為常見，我國(guó)的多數(shù)大型發(fā)電機(jī)都存在這一故障。導(dǎo)致這一故障的主要因素時(shí)繞組絕緣層損壞，從而會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，并引起非常大的短路電流形成局部過熱點(diǎn)。局部過熱點(diǎn)如果長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行處理，則會(huì)由于高溫引絕緣層進(jìn)一步損壞，又會(huì)造成匝間短路問題更為惡劣，由此導(dǎo)致惡性循環(huán)。匝間短路電氣故障還會(huì)引起磁通量不對(duì)稱的問題，磁通量不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受力不平衡，引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。此外，磁通量不對(duì)稱還會(huì)造成電子繞組的各類組件出現(xiàn)磁化問題，并進(jìn)一步引發(fā)轉(zhuǎn)子接地故障。引發(fā)該類故障的主要原因是由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中含有較多的磁極線圈、線圈引線、阻尼繞組等，且在運(yùn)行過程中存在比較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量，產(chǎn)生一定的離心力。在離心力的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)造成繞組絕緣移動(dòng)，而繞組的端部會(huì)受熱變形，從而導(dǎo)致端部的墊塊松動(dòng)，或者繞組絕緣層老化等問題，此外還可能會(huì)有一些微小的導(dǎo)電性離子或者雜物落入到端部與轉(zhuǎn)子中間的通風(fēng)溝，從而引起匝間短路電氣故障[4]。

2.2 接地電氣故障

單點(diǎn)接地故障與兩點(diǎn)接地故障是轉(zhuǎn)子繞組電氣故障中最為常見的兩種故障。引起接地電氣故障的主要原因是勵(lì)磁電阻的絕緣層出現(xiàn)破壞問題，導(dǎo)致勵(lì)磁繞組的導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子鐵銹接觸。其中繞組接地的單點(diǎn)接地故障非常常見，被認(rèn)為是一種常見的異常運(yùn)行狀態(tài)，其一般不會(huì)造成較為嚴(yán)重的后果。導(dǎo)致這種認(rèn)知的主要原因是單點(diǎn)接地故障發(fā)生后，勵(lì)磁電源會(huì)產(chǎn)生非常大泄漏電阻，因此在一定程度上限制了接地泄漏的電流大小。但是當(dāng)出現(xiàn)另一個(gè)接地點(diǎn)時(shí)，即兩點(diǎn)接地故障時(shí)，則會(huì)極大的降低勵(lì)磁電源的泄漏電阻，從而造成匝間短路問題，引起非常嚴(yán)重的短路故障。在我國(guó)大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，兩點(diǎn)接地故障已經(jīng)引發(fā)了多次嚴(yán)重事故。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地故障時(shí)，故障顯示一般在控制屏上表現(xiàn)為勵(lì)磁電流和定子電流突然增大、勵(lì)磁電壓和機(jī)端出口電壓下降，同時(shí)功率因素增加，伴隨著強(qiáng)烈的振動(dòng)。這種情況下，應(yīng)該執(zhí)行緊急停機(jī)操作，以確保不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地故障的危害較大，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地故障時(shí)，這種狀態(tài)下繞組部分會(huì)出現(xiàn)短接問題，那么會(huì)引起勵(lì)磁繞組的滯留電阻降低，同時(shí)勵(lì)磁電流上升。這種情況下，當(dāng)匝數(shù)比較多時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的的主磁通量的減少，那么發(fā)電機(jī)的感性無功輸出會(huì)下降，導(dǎo)致機(jī)端電壓下降，但是會(huì)引起定子電流快速升高；②如果發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地故障時(shí)，那么在繞組短接方向的磁極磁勢(shì)會(huì)降低，但是其他磁極的磁勢(shì)并不會(huì)因此而改變，仍然保持原有的大小。這就造成了轉(zhuǎn)子磁通量的平衡性被打破，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)徑向電磁力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子因受力不平衡而振動(dòng)。振動(dòng)的劇烈程度直接與短路的圈數(shù)以及勵(lì)磁電流的大小相關(guān)。該問題，在多極水輪機(jī)中尤為嚴(yán)重。另外，轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地故障也會(huì)以前你軸系或者汽機(jī)出現(xiàn)磁化問題。③發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地故障后，由于在兩個(gè)接地點(diǎn)之間形成了回路，那么會(huì)造成回路之間的勵(lì)磁繞組短路，如果兩點(diǎn)之間較遠(yuǎn)，那么會(huì)產(chǎn)生非常大的短路電流，短路電流會(huì)造成嚴(yán)重的過熱問題，在嚴(yán)重情況下，可能會(huì)引起火災(zāi)。

造成轉(zhuǎn)子接地電氣故障的主要原因是由于在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子處于不斷旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，因此，在其線圈上會(huì)持續(xù)承受較大的離心力。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，在持續(xù)離心力的作用下，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)有所松動(dòng)，從而可能導(dǎo)致繞組絕緣層老化或者損壞。同時(shí)由于勵(lì)磁電流引起的熱效應(yīng)會(huì)加速這一過程。此外，由于長(zhǎng)期運(yùn)行，繞組上不可避免會(huì)聚集灰塵污垢等，這就需要定期進(jìn)行維護(hù)，而維護(hù)過程中維修人員因各種原因可能出現(xiàn)失誤，從而導(dǎo)致繞組的絕緣層損壞，會(huì)惡化這一問題。

3 不對(duì)稱工作的影響

三相電流平衡對(duì)稱長(zhǎng)期運(yùn)行原則，是制造大型發(fā)電機(jī)的基本原則。因此，發(fā)電機(jī)的三相負(fù)載均衡對(duì)于其運(yùn)行尤為重要。即便是小容量的單相負(fù)載也應(yīng)該均勻分布由三相負(fù)載。然而，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)不可避免的遇到不對(duì)稱情況，例如具有大功率單相電爐、電力機(jī)車，以及雷擊和強(qiáng)風(fēng)將導(dǎo)致傳輸線斷開，從而導(dǎo)致單相斷電或不對(duì)稱短路等。以上問題均會(huì)造成發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱工作。而不對(duì)稱工作會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過熱和轉(zhuǎn)子振動(dòng)等問題，影響大型發(fā)電機(jī)的運(yùn)行[5]。

4 結(jié)語

在發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，電氣故障問題主要是由繞組電氣故障引起的。其中定子繞組電氣故障與轉(zhuǎn)子繞組故障較為常見，也是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī)的主要原因。因此，針對(duì)性分析上述故障的原因與危害，對(duì)于大型發(fā)電機(jī)的維護(hù)與優(yōu)化有非常重要的意義，也有助于供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。