大型發電機繞組電氣故障分析
發布時間：2011-09-30 共1頁
摘 要：綜述分析了大型發電機繞組所涉及的各類電氣故障與不正常運行工況及其危害和一些相應分析解決方法。在發電機內部分別從轉子和定子兩個方面分析發生在繞組之間和繞組對地之間的故障工況，在發電機外部則分析了機端突然短路和不對稱運行給繞組帶來的影響。
關鍵詞：大型發電機；定子故障；轉子故障；不對稱運行；機端短路
大型發電機是電力系統的核心，是十分重要和昂貴的設備，其運行可靠性對系統的正常運行、用戶的不間斷供電、保證電能質量以至整個社會的安全運轉都起著極其重要的作用。 發電機繞組的故障類型主要有：定子繞組相間短路；定子繞組一相匝間短路；定子繞組單相接地；轉子繞組一點接地或兩點接地；轉子勵磁回路勵磁電流消失。發電機的不正常運行狀態主要有：由于外部短路引起的定子繞組過電流；由于負荷超過發電機額定容量而引起的三相對稱過負荷；由外部不對稱短路或不對稱負荷引起的發電機負序過電流和過負荷；由于突然甩負荷引起的定子電流過電壓；由于勵磁回路故障或強勵時間過長引起的轉子繞組過負荷；由于汽輪機主汽門突然關閉引起發電機逆功率等。這些故障和不正常運行都和發電機繞組破壞有著直接的聯系。
1定子繞組故障分析
同步電機定子繞組內部故障主要包括同支路的匝間短路、同相不同支路的匝間短路、相間短路和支路開焊等。同步電機定子繞組內部故障是電機中常見的破壞性很強的故障，其很大的短路電流會產生破壞性嚴重的電磁力，也可能產生過熱而燒毀繞組和鐵心。故障產生的負序磁場可能大大超過設計允許值而造成轉子的嚴重損傷。定子繞組的單相接地也是發電機最常見的一種故障，通常指定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞。通過定性和定量分析故障電流后，機組需要設置相應的保護。
定子故障通常都是定子繞組絕緣損壞引起的。定子繞組絕緣損壞通常有絕緣體的自然老化和絕緣擊穿。當發電機端口處發生相間短路時，發電機可能出現4～5倍于額定電流的大電流，急劇增大的短路電流和產生的巨大的電磁力和電磁轉矩，對定子繞組、轉軸、機座都將產生極大的沖擊而損傷，巨大的沖擊力將直接損壞發電機定子端部線棒，使其嚴重變形、斷裂、造成絕緣損壞。由外部原因引起的繞組絕緣損壞也很常見，如定子鐵心疊裝松動、絕緣體表面落上磁性物體、繞組線棒在槽內固定不緊，在運行中因振動使絕緣體發生摩擦而造成絕緣損壞；在發電機制造中因下線安裝不嚴格造成的線棒絕緣局部缺陷、轉子零部件在運行中端部固定零件脫落、端部接頭開焊等都可能引起絕緣損壞，從而進一步造成定子繞組接地或相間短路故障。
定子繞組內部故障分析方法有：解析計算法、試驗研究法和數字仿真法。
解析計算法中用的比較多的有多回路分析法，以多回路理論為依據建立凸極同步發電機定子繞組內部故障瞬態數學模型的基本指導思想是按定、轉子繞組實際回路列寫電壓和磁鏈方程；在計算回路參數時從單個線圈出發，先得到單個線圈的參數，然后根據各回路的實際組成情況用有關線圈的參數計算回路參數。由于定轉子之間有相對運動，一些電感系數是時變的，最后形成的是一組時變系數的微分方程，利用數值解法即可求取凸極同步發電機定子繞組內部故障的瞬態與穩態分量。
試驗研究法是研究發電機故障行為和校核繼電保護裝置的重要方法。由于大型發電機造價昂貴，所以該方法從安全性、經濟性和可行性等因素上考慮，一般是在實驗室通過動模機組進行故障的動態模擬試驗研究。
數字仿真是利用數字計算機為工具對實際系統的數學模型進行求解分析的方法。數字仿真過程可分為4個步驟:實際系統的數學模型建立、仿真模型建立、編制和調試仿真程序、仿真結果分析和驗證。這種研究方法由于具有經濟性、安全性、靈活性以及方便性等優勢,所以國內外數字仿真技術發展很快,并得到廣泛應用。
2轉子繞組故障分析
發電機轉子繞組故障的表現形式主要為匝間短路和接地故障。
匝間短路：國內運行的大型汽輪發電機組中大多數都發生過或存在轉子線圈匝間短路故障。由于繞組絕緣損壞造成轉子繞組匝間短路后，會形成短路電流，從而形成局部過熱點。在長期運行下，局部過熱點又會進一步引起絕緣損壞，導致更為嚴重的匝間短路，形成惡性循環的局面。轉子匝間短路同時會引起磁通的不對稱和轉子受力不平衡現象，而引起轉子振動；定子繞組每相并聯支路的環流；主軸、軸承座及端部磁化。同時較大的短路電流可能會導致轉子接地故障發生。
故障原因：發電機轉子通常包括多個磁極線圈，線圈引線和阻尼繞組等，具有較大的轉動慣量。由于離心力的作用，在運行中線匝絕緣的移動，轉子繞組端部的熱變形，線匝端部墊塊松動或護環絕緣襯墊老化，小的導電粒子或碎物進入轉子線匝端部和轉子通風溝導致轉子繞組匝間短路發生。通常可以根據下面這些特征較準確地識別轉子線圈是否發生匝間短路故障: ①振動幅值增大；②風溫提高；③在勵磁電壓不變的條件下, 勵磁電流增大；④勵磁電流增大，而無功變小或不變。
接地故障：發電機轉子繞組的接地故障包括一點接地和兩點接地。接地是指勵磁繞組絕緣損壞或擊穿而使勵磁繞組導體與轉子鐵芯相接觸。發電機轉子一點接地是一種較為常見的不正常的運行狀態。勵磁回路一點接地故障對發電機一般不會造成危害，因為發電機發生轉子繞組一點接地故障時，勵磁電源的泄露電阻（對地電阻）很大，限制了接地泄露電流的數值，但如果再有另外一個接地點，即發生兩點接地故障時會形成部分線匝短路，這是一種非常嚴重的短路事故。近幾年來，國內大型發電機由轉子繞組接地所引起的嚴重運行事故并不少見。轉子兩點接地在控制屏上一般表現為勵磁電流及定子電流增大，勵磁電壓及機端出口電壓下降，功率因數上升（甚至進相），并伴有劇烈的振動等現象，這時應做事故緊急停機處理。
兩點接地故障的危害有：①發電機勵磁繞組發生兩點接地之后，繞組部分被短接，使得繞組直流電阻變小，勵磁電流增大；若短路匝數較多，會使發電機磁路中主磁通減少，使得機組向外輸出的感性無功減少，引起機端出口電壓下降，同時定子電流可能會急劇上升。②由于繞組短接的磁極磁勢減小，而其它磁極的磁勢則未改變，轉子磁通的對稱性受到破壞，轉子上出現了徑向的電磁力，因此引起機組的振動。振動的程度與勵磁電流的大小及短接線圈的多少有關，在多極水輪機上振動尤其嚴重。此外，汽輪發電機勵磁回路兩點接地，還可能使軸系和汽機磁化。③當轉子發生兩點接地之后，兩點之間構成回路，一部分勵磁繞組被短接，兩接地點之間將可能流過很大的短路電流，電流產生的電弧可能會燒壞勵磁線圈及轉子本體，甚至引發火災。故障原因：當發電機組運行時，轉子在不停地運轉，使線圈受到較大的離心力作用，經過長期的運行后，會使轉子繞組產生輕微松動而使繞組的絕緣受到損傷。同時線圈內通過勵磁電流，由于熱效應作用，會加速轉子繞組絕緣的老化變質。此外長時間的運轉，空氣中的灰塵及其它污垢會積附在繞組上面。檢修時檢修人員不小心將異物自轉子大蓋的網孔中掉入而損傷繞組的絕緣。
3不對稱運行的影響
發電機是根據三相電流平衡對稱的工況下長期運行的原則設計制造的。一般情況下同步發電機所帶三相負載均為對稱，即使有小容量的單相負載，如照明負載等，也會均勻的分配在三個相中。但同步發電機在運行時要遇到不對稱運行問題，如發電機帶有大功率的單相電爐、電力機車這一類負載；輸電線路由于雷擊、狂風而斷線使一相斷開或發生不對稱短路時。當三相電流對稱時，其所合成的旋轉磁場與轉子是同方向且轉速相等的即旋轉磁場相對于轉子來說是靜止的，旋轉磁場的磁力線不會切割到轉子。當三相電流不對稱時，即在發電機中會有正序、負序、零序三組對稱分量電流產生，不對稱運行的物理本質在于所接負載不對稱產生不穩恒磁場，磁勢幅值要發生變化，不能合成一個穩定的旋轉磁勢，分析需要按正、負、零序分解。
不對稱運行對發電機本身的影響：①引起轉子過熱。不對稱運行時的負序電流所產生的負序磁場對轉子有兩倍同步速相對速度，將在轉子的勵磁繞組、阻尼繞組以及轉子表面感應電流，這些電流將在相應的部分引起損耗和發熱，特別是隱極機的勵磁繞組，散熱條件差容易因過熱而燒壞。②引起附加交變力矩并產生振動。負序電流產生的負轉磁場對轉子以兩倍同步速作相對運動，這時候負序磁場和轉子勵磁磁場作用，產生100周/秒頻率的震動，隨之還會伴生出強烈的噪音，長時間的振動會造成發電機的材料出現疲勞損傷和機械損傷。
4機端突然短路的影響
同步電機的突然短路是電力系統的最嚴重的故障。雖然短路過程所經歷的時間極短（通常約為0.1～0.3 s），但對電樞短路電流和轉子電流的分析計算卻非常重要。三相突然短路電流遠大于穩定短路電流的宏觀能量物理解釋：三相電流短路后，從暫態過度到穩態，從大規模的能量交換到小規模能量交換，電樞反應重組適宜當前需要的能量場規模，在暫態過程中要釋放能量，將其消耗在電阻上。
短路電流中包含了許多自由分量使短路電流大大增加。由于定子非周期分量的存在，使包絡線對橫軸不對稱，因而最大瞬時值進一步加大。當短路電流發生在轉子d軸與定子繞組某一項軸線重合時，該項出現最大沖擊電流，其值可達20倍額定值以上，對機電設備的機械強度危害性是很大的。突然短路時沖擊電流同時將產生很大的電磁力與電磁轉矩。
電磁力對電機的影響：定子繞組槽內部分固定可靠性高，但端接部分緊固條件比槽內差，在突然短路的強大電磁力的沖擊下，端接部分很容易受損傷；電磁轉矩對電機的影響：突然短路時氣隙磁場變化不大，而定子電流卻增加很多，于是將產生巨大的電磁轉矩。由于定、轉子繞組中都有周期性和非周期性電流，因此，由它們的磁場相互作用而產生的電磁轉矩比較復雜，總起來說，該電磁轉矩可分為單項轉矩和交變轉矩兩大類。這些轉矩都隨相關的電流一起衰減，它們對電機危害最嚴重的情況發生在突然短路的初瞬，在不對稱突然短路時，所產生的電磁轉矩更大，可達額定轉矩的10倍以上。它們對定子繞組的直接破壞在前面已有提及。
5結束語
發電機的基本電氣結構是由定子、轉子本體和線圈組成的，其基本的電磁行為也是圍繞在此四者之間進行的。在發電機的運行過程當中，繞組的結構遠比本體脆弱，通常發電機的機械損傷先破壞到的也是繞組，再引發電氣故障。電氣故障先燒損的都是繞組，總之絕大多數故障是先源于繞組。發電機的各種異常運行和短路對繞組也很容易產生破壞影響。因此對繞組電氣故障的有效分析和預防對整個系統的安全穩定供電意義很大。
關鍵詞：大型發電機；定子故障；轉子故障；不對稱運行；機端短路
大型發電機是電力系統的核心，是十分重要和昂貴的設備，其運行可靠性對系統的正常運行、用戶的不間斷供電、保證電能質量以至整個社會的安全運轉都起著極其重要的作用。 發電機繞組的故障類型主要有：定子繞組相間短路；定子繞組一相匝間短路；定子繞組單相接地；轉子繞組一點接地或兩點接地；轉子勵磁回路勵磁電流消失。發電機的不正常運行狀態主要有：由于外部短路引起的定子繞組過電流；由于負荷超過發電機額定容量而引起的三相對稱過負荷；由外部不對稱短路或不對稱負荷引起的發電機負序過電流和過負荷；由于突然甩負荷引起的定子電流過電壓；由于勵磁回路故障或強勵時間過長引起的轉子繞組過負荷；由于汽輪機主汽門突然關閉引起發電機逆功率等。這些故障和不正常運行都和發電機繞組破壞有著直接的聯系。
1定子繞組故障分析
同步電機定子繞組內部故障主要包括同支路的匝間短路、同相不同支路的匝間短路、相間短路和支路開焊等。同步電機定子繞組內部故障是電機中常見的破壞性很強的故障，其很大的短路電流會產生破壞性嚴重的電磁力，也可能產生過熱而燒毀繞組和鐵心。故障產生的負序磁場可能大大超過設計允許值而造成轉子的嚴重損傷。定子繞組的單相接地也是發電機最常見的一種故障，通常指定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞。通過定性和定量分析故障電流后，機組需要設置相應的保護。
定子故障通常都是定子繞組絕緣損壞引起的。定子繞組絕緣損壞通常有絕緣體的自然老化和絕緣擊穿。當發電機端口處發生相間短路時，發電機可能出現4～5倍于額定電流的大電流，急劇增大的短路電流和產生的巨大的電磁力和電磁轉矩，對定子繞組、轉軸、機座都將產生極大的沖擊而損傷，巨大的沖擊力將直接損壞發電機定子端部線棒，使其嚴重變形、斷裂、造成絕緣損壞。由外部原因引起的繞組絕緣損壞也很常見，如定子鐵心疊裝松動、絕緣體表面落上磁性物體、繞組線棒在槽內固定不緊，在運行中因振動使絕緣體發生摩擦而造成絕緣損壞；在發電機制造中因下線安裝不嚴格造成的線棒絕緣局部缺陷、轉子零部件在運行中端部固定零件脫落、端部接頭開焊等都可能引起絕緣損壞，從而進一步造成定子繞組接地或相間短路故障。
定子繞組內部故障分析方法有：解析計算法、試驗研究法和數字仿真法。
解析計算法中用的比較多的有多回路分析法，以多回路理論為依據建立凸極同步發電機定子繞組內部故障瞬態數學模型的基本指導思想是按定、轉子繞組實際回路列寫電壓和磁鏈方程；在計算回路參數時從單個線圈出發，先得到單個線圈的參數，然后根據各回路的實際組成情況用有關線圈的參數計算回路參數。由于定轉子之間有相對運動，一些電感系數是時變的，最后形成的是一組時變系數的微分方程，利用數值解法即可求取凸極同步發電機定子繞組內部故障的瞬態與穩態分量。
試驗研究法是研究發電機故障行為和校核繼電保護裝置的重要方法。由于大型發電機造價昂貴，所以該方法從安全性、經濟性和可行性等因素上考慮，一般是在實驗室通過動模機組進行故障的動態模擬試驗研究。
數字仿真是利用數字計算機為工具對實際系統的數學模型進行求解分析的方法。數字仿真過程可分為4個步驟:實際系統的數學模型建立、仿真模型建立、編制和調試仿真程序、仿真結果分析和驗證。這種研究方法由于具有經濟性、安全性、靈活性以及方便性等優勢,所以國內外數字仿真技術發展很快,并得到廣泛應用。
2轉子繞組故障分析
發電機轉子繞組故障的表現形式主要為匝間短路和接地故障。
匝間短路：國內運行的大型汽輪發電機組中大多數都發生過或存在轉子線圈匝間短路故障。由于繞組絕緣損壞造成轉子繞組匝間短路后，會形成短路電流，從而形成局部過熱點。在長期運行下，局部過熱點又會進一步引起絕緣損壞，導致更為嚴重的匝間短路，形成惡性循環的局面。轉子匝間短路同時會引起磁通的不對稱和轉子受力不平衡現象，而引起轉子振動；定子繞組每相并聯支路的環流；主軸、軸承座及端部磁化。同時較大的短路電流可能會導致轉子接地故障發生。
故障原因：發電機轉子通常包括多個磁極線圈，線圈引線和阻尼繞組等，具有較大的轉動慣量。由于離心力的作用，在運行中線匝絕緣的移動，轉子繞組端部的熱變形，線匝端部墊塊松動或護環絕緣襯墊老化，小的導電粒子或碎物進入轉子線匝端部和轉子通風溝導致轉子繞組匝間短路發生。通常可以根據下面這些特征較準確地識別轉子線圈是否發生匝間短路故障: ①振動幅值增大；②風溫提高；③在勵磁電壓不變的條件下, 勵磁電流增大；④勵磁電流增大，而無功變小或不變。
接地故障：發電機轉子繞組的接地故障包括一點接地和兩點接地。接地是指勵磁繞組絕緣損壞或擊穿而使勵磁繞組導體與轉子鐵芯相接觸。發電機轉子一點接地是一種較為常見的不正常的運行狀態。勵磁回路一點接地故障對發電機一般不會造成危害，因為發電機發生轉子繞組一點接地故障時，勵磁電源的泄露電阻（對地電阻）很大，限制了接地泄露電流的數值，但如果再有另外一個接地點，即發生兩點接地故障時會形成部分線匝短路，這是一種非常嚴重的短路事故。近幾年來，國內大型發電機由轉子繞組接地所引起的嚴重運行事故并不少見。轉子兩點接地在控制屏上一般表現為勵磁電流及定子電流增大，勵磁電壓及機端出口電壓下降，功率因數上升（甚至進相），并伴有劇烈的振動等現象，這時應做事故緊急停機處理。
兩點接地故障的危害有：①發電機勵磁繞組發生兩點接地之后，繞組部分被短接，使得繞組直流電阻變小，勵磁電流增大；若短路匝數較多，會使發電機磁路中主磁通減少，使得機組向外輸出的感性無功減少，引起機端出口電壓下降，同時定子電流可能會急劇上升。②由于繞組短接的磁極磁勢減小，而其它磁極的磁勢則未改變，轉子磁通的對稱性受到破壞，轉子上出現了徑向的電磁力，因此引起機組的振動。振動的程度與勵磁電流的大小及短接線圈的多少有關，在多極水輪機上振動尤其嚴重。此外，汽輪發電機勵磁回路兩點接地，還可能使軸系和汽機磁化。③當轉子發生兩點接地之后，兩點之間構成回路，一部分勵磁繞組被短接，兩接地點之間將可能流過很大的短路電流，電流產生的電弧可能會燒壞勵磁線圈及轉子本體，甚至引發火災。故障原因：當發電機組運行時，轉子在不停地運轉，使線圈受到較大的離心力作用，經過長期的運行后，會使轉子繞組產生輕微松動而使繞組的絕緣受到損傷。同時線圈內通過勵磁電流，由于熱效應作用，會加速轉子繞組絕緣的老化變質。此外長時間的運轉，空氣中的灰塵及其它污垢會積附在繞組上面。檢修時檢修人員不小心將異物自轉子大蓋的網孔中掉入而損傷繞組的絕緣。
3不對稱運行的影響
發電機是根據三相電流平衡對稱的工況下長期運行的原則設計制造的。一般情況下同步發電機所帶三相負載均為對稱，即使有小容量的單相負載，如照明負載等，也會均勻的分配在三個相中。但同步發電機在運行時要遇到不對稱運行問題，如發電機帶有大功率的單相電爐、電力機車這一類負載；輸電線路由于雷擊、狂風而斷線使一相斷開或發生不對稱短路時。當三相電流對稱時，其所合成的旋轉磁場與轉子是同方向且轉速相等的即旋轉磁場相對于轉子來說是靜止的，旋轉磁場的磁力線不會切割到轉子。當三相電流不對稱時，即在發電機中會有正序、負序、零序三組對稱分量電流產生，不對稱運行的物理本質在于所接負載不對稱產生不穩恒磁場，磁勢幅值要發生變化，不能合成一個穩定的旋轉磁勢，分析需要按正、負、零序分解。
不對稱運行對發電機本身的影響：①引起轉子過熱。不對稱運行時的負序電流所產生的負序磁場對轉子有兩倍同步速相對速度，將在轉子的勵磁繞組、阻尼繞組以及轉子表面感應電流，這些電流將在相應的部分引起損耗和發熱，特別是隱極機的勵磁繞組，散熱條件差容易因過熱而燒壞。②引起附加交變力矩并產生振動。負序電流產生的負轉磁場對轉子以兩倍同步速作相對運動，這時候負序磁場和轉子勵磁磁場作用，產生100周/秒頻率的震動，隨之還會伴生出強烈的噪音，長時間的振動會造成發電機的材料出現疲勞損傷和機械損傷。
4機端突然短路的影響
同步電機的突然短路是電力系統的最嚴重的故障。雖然短路過程所經歷的時間極短（通常約為0.1～0.3 s），但對電樞短路電流和轉子電流的分析計算卻非常重要。三相突然短路電流遠大于穩定短路電流的宏觀能量物理解釋：三相電流短路后，從暫態過度到穩態，從大規模的能量交換到小規模能量交換，電樞反應重組適宜當前需要的能量場規模，在暫態過程中要釋放能量，將其消耗在電阻上。
短路電流中包含了許多自由分量使短路電流大大增加。由于定子非周期分量的存在，使包絡線對橫軸不對稱，因而最大瞬時值進一步加大。當短路電流發生在轉子d軸與定子繞組某一項軸線重合時，該項出現最大沖擊電流，其值可達20倍額定值以上，對機電設備的機械強度危害性是很大的。突然短路時沖擊電流同時將產生很大的電磁力與電磁轉矩。
電磁力對電機的影響：定子繞組槽內部分固定可靠性高，但端接部分緊固條件比槽內差，在突然短路的強大電磁力的沖擊下，端接部分很容易受損傷；電磁轉矩對電機的影響：突然短路時氣隙磁場變化不大，而定子電流卻增加很多，于是將產生巨大的電磁轉矩。由于定、轉子繞組中都有周期性和非周期性電流，因此，由它們的磁場相互作用而產生的電磁轉矩比較復雜，總起來說，該電磁轉矩可分為單項轉矩和交變轉矩兩大類。這些轉矩都隨相關的電流一起衰減，它們對電機危害最嚴重的情況發生在突然短路的初瞬，在不對稱突然短路時，所產生的電磁轉矩更大，可達額定轉矩的10倍以上。它們對定子繞組的直接破壞在前面已有提及。
5結束語
發電機的基本電氣結構是由定子、轉子本體和線圈組成的，其基本的電磁行為也是圍繞在此四者之間進行的。在發電機的運行過程當中，繞組的結構遠比本體脆弱，通常發電機的機械損傷先破壞到的也是繞組，再引發電氣故障。電氣故障先燒損的都是繞組，總之絕大多數故障是先源于繞組。發電機的各種異常運行和短路對繞組也很容易產生破壞影響。因此對繞組電氣故障的有效分析和預防對整個系統的安全穩定供電意義很大。
