大型发电机绕组电气故障分析
北极星电力网技术频道
作者:佚名
2007/12/26 21:37:26
大型发电机绕组电气故障分析党晓强，刘俊勇，杨 可，雷 霞(四川大学电气信息学院，四川成都610065) 摘 要：综述分析了大型发电机绕组所涉及的各类电气故障与不正常运行工况及其危害和一些相应分析解决方法。在发电机内部分别从转子和定子两个方面分析发生在绕组之间和绕组对地之间的故障工况，在发电机外部则分析了机端突然短路和不对称运行给绕组带来的影响。
关键词：大型发电机；定子故障；转子故障；不对称运行；机端短路 Abstract:Allkindsofelectricalfaultsandabnormaloperatingconditionoflargesynchronousgeneratorwindinghavebeenanalyzedaswellastheirharmsandsomerelevantresolutionmethods.Theturntoturnandturntogroundfaultinsidethesynchronousmachinehavebeendiscussedforstatorandrotorrespectively.Fortheoutsideofgenerator,theinfluencesonwindingsbroughtbyshort-circuitofmachine''sportandasymmetricoperationhavealsobeendiscussed.
Keywords:largesynchronousgenerator;statorfault;rotorfault;asymmetricoperation;short-circuitofmachine''sport 大型发电机是电力系统的核心，是十分重要和昂贵的设备，其运行可靠性对系统的正常运行、用户的不间断供电、保证电能质量以至整个社会的安全运转都起着极其重要的作用。
发电机绕组的故障类型主要有：定子绕组相间短路；定子绕组一相匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流消失。发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由外部不对称短路或不对称负荷引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷引起的定子电流过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭引起发电机逆功率等。这些故障和不正常运行都和发电机绕组破坏有着直接的联系。1定子绕组故障分析
同步电机定子绕组内部故障主要包括同支路的匝间短路、同相不同支路的匝间短路、相间短路和支路开焊等。同步电机定子绕组内部故障是电机中常见的破坏性很强的故障，其很大的短路电流会产生破坏性严重的电磁力，也可能产生过热而烧毁绕组和铁心。故障产生的负序磁场可能大大超过设计允许值而造成转子的严重损伤。定子绕组的单相接地也是发电机最常见的一种故障，通常指定子绕组与铁芯间的绝缘破坏。通过定性和定量分析故障电流后，机组需要设置相应的保护。
定子故障通常都是定子绕组绝缘损坏引起的。定子绕组绝缘损坏通常有绝缘体的自然老化和绝缘击穿。当发电机端口处发生相间短路时，发电机可能出现4～5倍于额定电流的大电流，急剧增大的短路电流和产生的巨大的电磁力和电磁转矩，对定子绕组、转轴、机座都将产生极大的冲击而损伤，巨大的冲击力将直接损坏发电机定子端部线棒，使其严重变形、断裂、造成绝缘损坏。由外部原因引起的绕组绝缘损坏也很常见，如定子铁心叠装松动、绝缘体表面落上磁性物体、绕组线棒在槽内固定不紧，在运行中因振动使绝缘体发生摩擦而造成绝缘损坏；在发电机制造中因下线安装不严格造成的线棒绝缘局部缺陷、转子零部件在运行中端部固定零件脱落、端部接头开焊等都可能引起绝缘损坏，从而进一步造成定子绕组接地或相间短路故障。
定子绕组内部故障分析方法有：解析计算法、试验研究法和数字仿真法。
解析计算法中用的比较多的有多回路分析法，以多回路理论为依据建立凸极同步发电机定子绕组内部故障瞬态数学模型的基本指导思想是按定、转子绕组实际回路列写电压和磁链方程；在计算回路参数时从单个线圈出发，先得到单个线圈的参数，然后根据各回路的实际组成情况用有关线圈的参数计算回路参数。由于定转子之间有相对运动，一些电感系数是时变的，最后形成的是一组时变系数的微分方程，利用数值解法即可求取凸极同步发电机定子绕组内部故障的瞬态与稳态分量。
试验研究法是研究发电机故障行为和校核继电保护装置的重要方法。由于大型发电机造价昂贵，所以该方法从安全性、经济性和可行性等因素上考虑，一般是在实验室通过动模机组进行故障的动态模拟试验研究。
数字仿真是利用数字计算机为工具对实际系统的数学模型进行求解分析的方法。数字仿真过程可分为4个步骤:实际系统的数学模型建立、仿真模型建立、编制和调试仿真程序、仿真结果分析和验证。这种研究方法由于具有经济性、安全性、灵活性以及方便性等优势,所以国内外数字仿真技术发展很快,并得到广泛应用。2转子绕组故障分析
发电机转子绕组故障的表现形式主要为匝间短路和接地故障。
匝间短路：国内运行的大型汽轮发电机组中大多数都发生过或存在转子线圈匝间短路故障。由于绕组绝缘损坏造成转子绕组匝间短路后，会形成短路电流，从而形成局部过热点。在长期运行下，局部过热点又会进一步引起绝缘损坏，导致更为严重的匝间短路，形成恶性循环的局面。转子匝间短路同时会引起磁通的不对称和转子受力不平衡现象，而引起转子振动；定子绕组每相并联支路的环流；主轴、轴承座及端部磁化。同时较大的短路电流可能会导致转子接地故障发生。
故障原因：发电机转子通常包括多个磁极线圈，线圈引线和阻尼绕组等，具有较大的转动惯量。由于离心力的作用，在运行中线匝绝缘的移动，转子绕组端部的热变形，线匝端部垫块松动或护环绝缘衬垫老化，小的导电粒子或碎物进入转子线匝端部和转子通风沟导致转子绕组匝间短路发生。通常可以根据下面这些特征较准确地识别转子线圈是否发生匝间短路故障:①振动幅值增大；②风温提高；③在励磁电压不变的条件下,励磁电流增大；④励磁电流增大，而无功变小或不变。
接地故障：发电机转子绕组的接地故障包括一点接地和两点接地。接地是指励磁绕组绝缘损坏或击穿而使励磁绕组导体与转子铁芯相接触。发电机转子一点接地是一种较为常见的不正常的运行状态。励磁回路一点接地故障对发电机一般不会造成危害，因为发电机发生转子绕组一点接地故障时，励磁电源的泄露电阻（对地电阻）很大，限制了接地泄露电流的数值，但如果再有另外一个接地点，即发生两点接地故障时会形成部分线匝短路，这是一种非常严重的短路事故。近几年来，国内大型发电机由转子绕组接地所引起的严重运行事故并不少见。转子两点接地在控制屏上一般表现为励磁电流及定子电流增大，励磁电压及机端出口电压下降，功率因数上升（甚至进相），并伴有剧烈的振动等现象，这时应做事故紧急停机处理。
两点接地故障的危害有：①发电机励磁绕组发生两点接地之后，绕组部分被短接，使得绕组直流电阻变小，励磁电流增大；若短路匝数较多，会使发电机磁路中主磁通减少，使得机组向外输出的感性无功减少，引起机端出口电压下降，同时定子电流可能会急剧上升。②由于绕组短接的磁极磁势减小，而其它磁极的磁势则未改变，转子磁通的对称性受到破坏，转子上出现了径向的电磁力，因此引起机组的振动。振动的程度与励磁电流的大小及短接线圈的多少有关，在多极水轮机上振动尤其严重。此外，汽轮发电机励磁回路两点接地，还可能使轴系和汽机磁化。③当转子发生两点接地之后，两点之间构成回路，一部分励磁绕组被短接，两接地点之间将可能流过很大的短路电流，电流产生的电弧可能会烧坏励磁线圈及转子本体，甚至引发火灾。故障原因[1][2]下一页
来源：中国电力资料网
