摘要：本文以设备故障诊断为基础，从发电机转子结构出发，分析了转子回路故障表现形式和故障机理。结合伊敏发电厂＃2发电机转子匝间短路在线监测装置的实际应用，阐述了发电机转子在线监测的重要性。
关键词：故障诊断发电机转子匝间短路在线监测
1　引言
设备故障在线诊断技术是70年代兴起的一门新技术，它能实现设备在带负载运行在不停机的情况下，通过使用先进的技术手段对设备状态参数监测和分析，判断设备是否存在异常或故障，故障的部位和原因以及故障的劣化趋势，以确定合理检修时间和方案。这项技术包括了检查和发现异常、诊断故障状态和部位、分析故障类型三个基本环节，同时也包括了检测技术、信号处理技术、识别技术、预测技术四项基本技术。
随着生产的发展，生产设备更为先进和现代化、设备变得更加精密和复杂，设备故障造成的经济损失和影响也越来越大。设备维修方式和监视方法更加受到关注，其发展历经变革，由事后维修到定期维修，再到状态维修。其中以状态维修是最先进和最合理的维修方式，它是以监测和诊断技术为基础，通过对运行状态的监测，发现并消除可能的故障，避免事故的发生。
同样，设备检测(监视)方法也在不断地作适应性变革，它们经历五个方面的发展:
1)依靠人的五官感觉和简单工具进行检查和监视;
2)利用简单的检测计器进行检查和监视;
3)离线监测;
4)连续状态监测;
5)在线状态监测:
其中在线监测是通过安装在设备上的传感器，随时获取机器运行的各种状态信号，可对机器进行连续的监测，其特点是能在早期阶段发现故障，并严密监视其发展情况，实现提前预测，这样就有可能选择在最合适的条件下有准备的停机和检修设备，能节约时间并减少损失。
在线连续状态监测，能够提供设备运行和维修两方面的信息，它所提供的趋势分析信息能进一步改进设备维修计划，使设备维修更加准确有效，更节约费用，操作者通过它所显示的状态信息;及时地不断改进操作方式，进一步提高设备运行的可靠性和效率，这两者的经验和积累数据，又向设备设计和制造者提供了改进设备性能和可靠性的重要信息。在线连续监测在设备运行中的地位，可用图1-1来表示。
图1一1

发电机是电力系统的核心。随着电力工业的发展和单机容量的不断增大，提高发电机的产品质量，实现发电机在线监测和诊断，对其可靠运行非常重要。发电机在线监测的主要目的是检出发电机在初始阶段出现的缺陷，以便有计划地安排检修，从而避免事故的发生，减少事故发生造成的财产损失，也减少强迫停机的次数，降低发电机的维护费和提高发电机的可用性。
长期以来，发电厂中发电机运行所用的监测与控制方法大多都针对机组运行工况的调整，以及非正常或事故状态的控制，很少或几乎没有针对潜伏性故障的早期发现或诊断。发电机交接和大修时沿用的试验方法及标准也属于诊断方法，其中大部分只适合停机状态，不能满足防止在运行中出现突发性事故的要求。
发电机在线监测与诊断系统需观测和采集发电机运行状态下许多电气的、机械的、物理的、化学的数据与特性，并建立正确的数据处理系统，最后给出说明发电机运行异常或存在某种缺陷的信息。目前，发电机在线监测和诊断系统研制和采用的内容比较广泛，包括定子绕组、铁芯、转子、氢油水系统及机组轴系各个方面。同时随着计算机硬件与软件技术水平的不断提高，它们与监测技术相结合，新的功能完善的综合在线监测系统也不断问世，在进行在线监测的同时，还具备了趋势分析，故障诊断功能，为实现预测维修提供了有效的技术手段，也显著地提高了发电机运行的安全性和经济性。
2　问题的提出
发电机转子通常有多个励磁线圈、线圈引线、阻尼绕组，这些部件在设备运行过程中承受较大的电流及离心力，在超过部件极限强度的情况下，将导致大的事故发生。例如某水电站一台75MW的水轮发电机因转子引线在运行中断裂，引起发电机失磁，进而导致失步，引起阻尼条过热，开焊断裂的阻尼条敲击定子端部，使定子发生相间短路，进而造成三相短路，使发电机组连同变压器侧绕组烧毁、损失惨重。无独有偶，另外某厂一台机组因转子两点间隙接地，产生过压击穿隔离变，引发一系列的严重后果，最后导致转子报废，这些事故都是触目惊心的。
现在，转子绕组的断线一般都是在停机状态下测出的，测量转子的匝间短路都是在发电机空载及三相稳定短路状态下进行的，这些情况表明很有必要对转子绕组进行在线监测，其目的在于在故障或缺陷的初始阶段，提出预警，最终避免事故的发生。
3　故障分析
发电机的转子作为发电机组的重要组成部分之一，也是较易出现故障的部位。转子一般由磁极，励磁绕组，转子磁扼和阻尼绕组及转轴和转子风扇等其它辅件构成。励磁绕组大多数采用扁铜线绕制成同心式线圈套在磁极的极身上。线圈的匝与匝之间由绝缘材料进行绝缘隔离。
我们通过对转子的结构分析，可以确定转子的故障表现形式，它分为三个方面:一方面是转子支承轴承故障。另一方面表现为转子本体故障，再一方面是转子绕组的故障。
转子支承轴系故障主要是转子轴承和电机轴瓦的故障，故障的诊断主要依据振动特性分析，理论上比较成熟。
转子本体故障一方面表现为纯粹的机械故障，另一方面电源中的负序电压引起的转子涡流损耗会导致过热引起的疲劳裂纹。
转子绕组的故障可分为断线、接地故障、匝间短路，下面主要对其故障机理作一番分析和说明。
转子引线的断裂是一个渐变过程。在机组大小修时处于静态常温下，通过对转子绕组直流电阻的测量，稍有裂纹，从直流电阻上很难反映出来，只有在运行当中，绕组处于高速离心力和高温环境下，才能反映出来。当出现裂痕时，使其通流密度增大，局部温度升高，引起导体局部膨胀变形，机械强度低，加之高速向外的离心力，使其断裂在欲断不断之时，伴有电弧使之烧毁，由此推断，有裂纹到断裂是随时间发展的，再则通流面积减小，局部温度升高，在此过程中，都表现为回路电阻增大。
大多数发电机都发生过或存在转子绕圈匝间短路的故障，由于其对机组正常运行影响不大或故障特征不明显，许多匝间短路故障都被忽略，但长期运行下去，匝间短路故障会导致转子线圈一点甚至多点接地。匝间短路发生的主要原因是线匝绝缘的移动，转子端部的热变形，线圈端部垫块的松动或护环绝缘衬垫的老化，小的导电粒子或碎渣进入线圈端部及通风沟。
匝间短路能引起转子热不平衡，转子漏磁场发生变化，定子绕组并联支路的环流及主轴轴承座的磁化，其影响程度多少取决于短路的程度及部位。当线圈发生匝间短路时，不同的接触电阻将使热损耗发生变化，接触电阻越小，短路损耗越大，当绕组有一半电流被旁路时，短路损耗将达线圈总损耗的四分之一，短路会导致绕组总损耗减小，转子平均温度降低，而故障点短路损耗增加导致局部温度升高、热膨胀在很小范围内发生.因而转子发生不同程度的弯曲，振动增加。随着励磁电流的增加，振动也随着增加。
转子线圈发生匝间短路故障时，会出现这样几个征兆:
1)振动增大;
2)励磁电流增大，振动幅值增大;
3)在励磁电压不变的情况下，励磁电流增大。
因此及早发现发电机转子匝间短路对发电机安全运行有着重要意义。
3.1　匝间短路在线检测装置应用实例
伊敏发电厂2004年5月＃2发电机检修中发现转子汽、励两侧轴颈和连轴器位置存在不同程度的剩磁，在电气试验报告发现：转子静态交流阻抗基本正常，额定转速下交流阻抗电流较大,在3000r/min时，#2发电机转子绕组的阻抗电流明显的高于#1发电机，电流增量达到7.59，严重超标。这是发生匝间短路故障的重要判据之一；
另外伊敏发电厂#2发电机转子绕组的阻抗电流已经与盘山发电厂#2发电机转子绕组的阻抗电流相等，而盘山电厂#2发电机转子已经被证实：在3000r/min时，转子绕组是存在稳定的、金属性的匝间绝缘短路故障；
从损耗功率曲线看，伊敏发电厂#2发电机转子的损耗功率为6240W，比伊敏发电厂#1发电机的损耗功率高出10.9，这也可以得到同样的结果：伊敏发电厂#2发电机转子绕组的匝间绝缘在动态工况（3000r/min）时有问题；由于在静态下匝间绝缘短路故障不出现，为了准确判定在动态时伊敏发电厂#2发电机转子绕组匝间绝缘的状态、同时确定可能的故障点的大致位置，决定安装一套转子在线监测装置－转子槽漏磁感应线圈，对发电机转子动态槽漏磁感应电势进行测定。
在发电机定、转子气隙中安装测试用转子槽漏磁感应线圈，并将信号引至发电机外部，通过计算发电机动态下转子槽漏磁感应电势波形的畸变程度，可以准确判定转子绕组匝间是否存在短路现象。并且通过参照轴系测振系统中的“键相器”信号准确判断故障点的极号和槽号。
2004年7月9日分别在#2机启机前的空载试验和短路试验中对转子槽漏磁感应电势进行了测试，根据实际测试的波形，依照JB/T8446-1996标准给定的方法计算分析发现：我厂#2发电机正极（外环）转子绕组#8线圈、正极（外环））转子绕组#7线圈的感应电势较小，判定为匝间短路。（测试波形及结果见图2－1和表2－1）
图2－1伊敏发电厂#2发电机短路试验额定电流状态下转子槽漏磁感应线圈的感应电势波

根据波形计算结果见下表
表2－1伊敏发电厂#2发电机短路（试验）状态下转子槽漏磁感应线圈的感应电势统计表

另外，转子的故障形式在某种程度上可以通过影响转子回路电阻的阻值大小显现出来，故对于转子回路的在线监测还可以通过回路电阻变化的监测来实施。对各个方面因素的综合考虑和现有数据的情况下，可以采用建立模型和利用数理统计的方法，提出一种在线监测实施的新思路，目前在这方面国内已经有比较专业的研究。
从回路电阻的角度来看，整个回路电阻有减小的趋势。不论是转子引线的断裂还是转子匝间短路的故障，都可在转子回路电阻大小变化之间体现出来。对于转子回路实施监测，也就是对回路整体电阻变化的监测.它是以温度的形式来反映，一般通过对回路电阻的测量经换算得到，它是一种平均温度的表现。由于光凭测量的结果并不能说明问题的实质，因为测量电阻的同时可能已存在故障现象，而对于故障的出现并未有评判的依据，只能根据测量前后所得的值加以比较得出较为模糊的结论。为了获得这种判别标准，主要是通过实验数据为基础深入分析故障发生时发电机所处的各种工况因素，选择用逐步回归分析法建立稳态数学模型，以期获得在一定工况条件下，转子回路温度变化的模型，以此为基础，结合数理统计方面的内容，求出在一定置信水平下，转子回路电阻(温度)波动的大致范围。并以此为上下限的标准去评判实际测量的结果，从而得出相应的结论。这种方法是针对回路的平均温度而言，也是对测量转子平均温度提出一种新的思路。在转子回路局部温度测量方面，采取对应布点测量，数据通过红外光形式进行传输的方式，这主要综合考虑现场测量所处的工作环境和数据传输的几种方式而提出的，在实际中有很强的针对性和适用性。综合上述两个方面形成对转子回路整体和局部的监测。
4　结束语
发电机运行在线监测与故障诊断技术是最近十几年发展起来的，它能及时监测出发电机内部的隐患，避免意外灾难性事故的发生，减少强迫停机次数和延长电机大修间隔，从而显著提高发电机运行的安全性和经济性.发电机转子回路的在线监测主要是针对发电机的转子一个方面而言。由于转子回路这一部分所发生的故障可能在发电机当时运行时所引起的后果并不一定较为严重，只有当故障现象积累到一定程度，才会引发质的突变，产生严重的事故。本文通过对发电机转子故障分析，说明发电机转子在线监测的重要意义。