船舶同步发电机电枢绕组匝间短路的成因探析

林洪贵

（集美大学轮机工程学院， 厦门 361021）

1 引言

船舶同步发电机是船舶电站的电源供应者，其运行的安全、可靠直接关系到船舶的航行安全和高效的运营，是船舶其他设备工作和人员生活的保证[1]。发电机绕组线圈匝间短路故障是发电机的故障之一，电枢绕组匝间短路故障会导致发电机端电压波动和不平衡；由于电枢绕组的短路电流很大，其产生的极大热效应和机械应力，将使发电机燃烧和爆裂，导致恶性事故的发生。笔者在一艘广州远洋公司的万吨级货轮工作期间，船舶在大连港抛锚，1号发电机单机运行在50℅多的负荷功率；在下午 3点 30分左右发电机电枢绕组突然发生爆裂燃烧，并同时跳闸；后经电机厂家的解体确认是电枢绕组发生了匝间短路故障。匝间短路就是指同匝绕组绝缘层的绝缘被破坏而发生的短路故障。那么是什么原因造成了本次匝间短路呢？在解体发电机电枢绕组时，发现绕组绝缘漆中存在有空隙，初步判断是热效应使绝缘失效致使短路故障的发生。

2 绝缘材料的老化导致的匝间短路

匝间短路是导线的匝间绝缘层的绝缘被破坏。绝缘层被破坏主要原因是：老化和过热。过热可分为机械和电气两种，另外还有杂物飞到绕组上，或者电机在嵌线时就有问题线受损伤了或是绝缘漆没浸好留有缺陷；还有可能是有杂物飞到绕组上，或者电机在下线时就有问题线受损伤了或是绝缘漆没浸好等多种原因[2,3]。

2.1 电老化

电老化是由介电材料上电场分布所产生的，主要表现为局部放电、漏电和电腐蚀；产生局部放电的原因是电机内部的电场不是均匀分布。在绝缘层内存在空隙，线圈与铁心之间也有空隙，这样就会使电场发生畸变，局部电场强度超强，引起局部放电；局部放电能在绝缘层内产生非常细小的树枝状的放电途径，最终导致绝缘的破坏。

2.2 热老化

绝缘在过热的长期作用下的老化称为热老化，热老化是由热因子引起的。绝缘材料在运行中，因长期受热会引起各种物理和化学变化（如挥发、裂纹、脱层、龟裂等），而且这种变化会逐渐恶劣，最终导致介电材料变质而劣化。

2.3 机械老化

机械老化主要表现为介电材料的疲劳、裂纹、磨损、脱层等等。其原因是在电机起动时会产生超强电磁力和热应力的冲击，以及运转过程中电机的振动、反复受热等引起介电材料的伤害。

2.4 环境老化

环境老化主要表现为粉尘、油污、盐分及其他腐蚀物质对绝缘的污染和侵蚀，以及绝缘表面的吸潮和露水等。这样介电材料的绝缘性能会逐渐丧失，耐热和耐压会逐渐降低。

3 电枢绕组匝间短路的其它成因

发电机绕组在制造过程中，不可避免地存在各种缺陷，例如裂纹、夹杂、错位、分层、空隙和孔洞等等。特别是电枢绕组在嵌线后，要进行浸漆处理工艺，其主要目的是：

1）提高电机绝缘的耐潮性和化学稳定性；改善电机绝缘的电气性能，使绕组匝间与绝缘层之间以及绝缘材料的空隙均被绝缘漆填充；

2） 增加电机绕组的导热能力，未浸漆前绕组当中存在有很多空隙，其中充满了空气，而空气的热导率为0.025 W/mk，导热性能差；经浸漆处理后，绝缘漆充满了绕组中的气隙，赶跑空气，而绝缘漆的热导率为0.3 W/mk[4]。

3.1 电致失效

电致失效是指铁磁或介电材料在电场载荷作用下的力学失效行为。例如：当含有缺陷的铁磁材料受到强电场作用时，缺陷内部的电场强度有可能达到外加电场的 1000倍，从而引起热效应和热应力集中最终导致材料失效。特别是当缺陷内的电场强度达到缺陷内气体的击穿电场强度时，缺陷将发生放电击穿并产生一系列的放电效应。因此，电击穿导致的失效已经成为电力电气系统中绝缘材料受到损害的主要原因。

3.2 绕组中空隙的热效应

绕组中气隙在运转的发电机中随着外加电场 Ea的增大，空隙的电场强度不断增大。当孔内电场升高到空气击 穿电压的临界值时，圆孔内的空气将产生一系列的放电效应，如光、声、电磁和热效应等[5]。在这些放电效应中，光、声、电磁等效应所消耗的能量是相当少的，热效应以热量的形式把放电产生的能量向介电材料周围耗散，消耗掉放电所产生的绝大部分能量。其放电热效应的温度场分布如图1所示[6]。显然，从再生原理来看，特种氧化物法、氧烛法、电解水法都属于化学再生；而高压氧瓶法则属于物理再生。上述种种不足的存在，也正是由现有再生方法所采用的这些再生原理决定的。

图1 绕组中的温度场分布图

热老化的速度和绝缘受热温度有着密切的关系，随着温度的上升，绝缘的热老化速度迅速加快，且温度越高，老化速度越快，其老化速度符合Arrhenius方程[7]：

其指数形式：

式中：k0为指数前因子（频率因子），Ea为实验活化能，单位为：kJ/mol。可见k与T的关系不是线性的，温度场分布明显不均，在空隙处周围产生了强烈的热效应。

3.3 绕组中空隙的热应力

假设在放电过程中空隙内的临界电场能全部释放转变为热能并沿周围均匀分布，向介电材料四周传递，于是在介电材料空隙产生热应力[8]。对此热应力进行分析，得到内半径为a，外半径为r的圆环，在圆内侧边界输入热量的解为[9]：

上式为圆孔在放电后的热应力表达式[10]。选取不同弹性模拟量作为参考值，得到圆孔半径a=0.1 m径向应力曲线[11]。如图2所示。

图2 圆孔半径a=0.1 m时径向应力曲线

图2表明：在圆孔附近径向应力急剧增大。也就是说，空隙周围产生了应力集中。

4 电枢绕组的匝间短路故障的演变过程

船舶同步发电机大多是低压发电机，其出现内部故障的几率很小，根据国标 GT14285-2006规定，发电机定子绕组应装设匝间短路保护，但实际上船舶大/中型发电机基本没有设置匝间短路保护。而且我国《钢质海船入级与建造规范》规定中，也没有针对其内部故障的专设保护措施。原因是发电机定子绕组匝间短路的保护或诊断是比较困难的，这样往往造成船舶检验和运营中，难以早期发现和处理发电机的内部故障。现在轴带发电机在新造船舶中得到广泛应用，辅助发电机组一般只配备两台；所以，任何一台发电机发生故障，都将对船舶的航行安全和生产带来极为不利的影响。

对发电机定子绕组内部故障进行研究的必要性早已得到国内外学者的肯定[12]。电机状态监测诊断分析和考虑绕组故障对电机径向振动影响的机械诊断研究[13]等等，得到各国的普遍重视。

电机在长期运行后绝缘性能逐渐劣化，绝缘结构的老化是各种劣化的综合表现[14]。其主要有：热因子、电因子、机械因子和环境因子等。它们对电机寿命影响很大，如图3所示为发电机电枢绕组绝缘劣化的演变过程。

图3 绕组绝缘劣化过程图

从上文分析得出：由于发电机制造缺陷，即绕组绝缘中存在空隙。由它所引起的热效应使得介电材料的绝缘性能变差；由空隙导致了热应力集中，使得电枢绕组的导线产生了弯曲、变形，相互距离变近；最终导致了电枢绕组匝间短路的发生。其绝缘失效的演变过程如图4所示。

图4 发电机电枢绕组绝缘失效的演变过程

5 结束语

由于发电机电枢绕组的制造缺陷，也就是绝缘中空隙的存在，使得介电材料的空隙所产生热效应和热应力集中，通过对发电机温度场和热应力的变化规律进行了分析，得出电击穿导致的失效已成为电力电气系统中绝缘材料受到损害的主要原因。通过对材料在电场载荷作用下的失效行为的研究，发现材料在电场载荷作用引起失效的根源在于应力引起的破坏。这两种原因导致了发电机运行时定子绕组内部匝间短路故障发生，因此制造缺陷是导致匝间短路的可能原因之一，为低压同步发电机电枢绕组匝间短路的研究提供一种新思路。

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