凸极同步电机匝间耐压试验研究

王洪波，陈 健，张东东，马贤好

(北京三一电机系统有限责任公司，北京 102206)

0 引言

现阶段，电机匝间耐压试验标准及检测设备都比较成熟，但常常在判断绕组匝间是否短路问题上，仍存在很多疑惑。电机绕组匝间耐压试验普遍依据冲击电压波形比较法及相关标准判断匝间是否短路[1]。对于绕组线圈及电机定、转子，只须根据波形重合度进行判断，而对于凸极同步电机整机进行匝间耐压试验，若波形畸变，其匝间不一定短路，该问题一直困扰电机整机匝间检测结果的判断。本文对凸极同步电机整机匝间试验的判断做了详细研究与分析，得出了正确的判断方法。

1 匝间耐压试验

1.1 试验原理

电机匝间耐压试验结果判断原理:当电机定子某相出现绕组匝间短路时，短路相电感比正常值小，从而使冲击电压波形在短路相中的振荡频率和衰减速率发生变化，使其电压衰减波形与参考波形不完全重合[2]。

1.2 试验步骤

(1)冲击电压峰值按JB/T 10098交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平计算。确定试验电压波形，标准视在波前时间为 0.2 μs，容差为(+0.3)/(－0.1)μs。

(2)打开设备电源，预热3～5 min，连接标准试样并升压，调整示波器并捕捉基准波形。例如，该匝间耐压试验波形如图1所示。其中图1(a)显示为电机未装转子的定子绕组匝间试验标准波形，图1(b)为凸极同步电机定子绕组匝间试验标准波形。

(3)连接被测试样，升压进行测试，捕捉波形，与标准波形进行比较，判断匝间耐压试验是否合格。

图1 匝间耐压试验波形

2 凸极同步电机整机匝间试验研究与分析

2.1 凸极同步电机整机匝间波形分布

凸极同步电机整机定子匝间波形分布不完全重合的匝间试验问题波形有两种形式，如图2所示。其中，图2(a)波形的相位、幅值均变化，图2(b)相位发生变化，但幅值未变化。按照匝间试验原理判断出现图2中两种不完全重合波形的电机匝间不合格。但在实际检测过程中，拆除出现图2波形的凸极同步电机转子后，对电机定子进行匝间耐压试验，有部分电机匝间耐压试验合格。

2.2 凸极同步电机匝间波形变化分析

凸极同步电机的主电抗主要与绕组每相匝数N、基波绕组系数Kdp1、电枢的轴向计算长度lef及极距与气隙比有关，关系式为

式中:μ0——真空磁导率;

f——频率;

P——有功功率;

q——每极每相槽数;

λm——主磁路的比磁导[3]。

图2 电机线圈匝间试验问题波形

凸极同步电机的气隙沿电枢周围分布不均匀，磁极下面气隙较小，两极之间气隙较大。气隙比磁导λm如式(2)所示。直轴处气隙比导磁λd比交轴处气隙比导磁λq大很多，在极间区域电枢磁场出现明显下凹，基波幅值 Baq1显著减小[4]。凸极同步电机的气隙比磁导如图3所示。

图3 凸极同步电机的气隙比磁导

由于凸极同步电机沿电枢周围的气隙不同引起的比磁导不同，使电机三相主电抗不同，故其定子三相线路中每相线路的匝间耐压试验波均不完全重合。

2.3 凸极同步电机整机匝间波形判断

凸极同步电机装入转子后，其气隙分布不均会使定子三相线路的阻抗(R、L)发生变化。电机转子静止时，其电枢周围的气隙分布如图4所示。

图4 电机转子静止时的定子绕组气隙分布

根据定子各相线路的排布方式，以某一相绕组周围的气隙分布为基准转动转子，变换电枢周围的气隙，可找到另外两相绕组周围气隙分布与基准绕组周围气隙分布相同的位置。转子转动角度根据定子槽数Q、极对数p、相数m确定，旋转角度θ(可为该角度整数倍)为寻找是否有波形重合的位置的方法，来判断其匝间绝缘是否损坏。按式(3)计算旋转角度，其结果为60°的整数倍。

以定子槽数为72、相数为3、极数为8的凸极同步电机为例，按式(3)计算其旋转角度为60°。定子U相磁场基准位置为如图5(a)所示。当转子顺时针旋转60°，即定子逆时针旋转60°后U相磁场位置如图5(b)所示。其V相绕组周围气隙分布与图5(a)中U相相同，转子继续顺时针旋转60°，其W相磁场分布与图5(c)中U相相同。按照式(3)角度的整数倍旋转转子后，在定子匝间无问题情况下，某一相与基准相匝间冲击试验波形应重合。在转动转子过程中，若可找到波形与基波重合的位置，再改变冲击波的幅值，波形仅幅值随之改变，其相位不变，可说明该凸极同步电机匝间无故障;如果旋转转子找不到波形与基波重合的位置，其匝间可能有故障。

2.4 凸极同步电机匝间试验案例分析与判断

以2台励磁发电机为例。电机为3相、8极凸极同步电机，槽数为72，在进行整机匝间试验时，其试验波形如图6(a)所示，波形畸变较大。对此采用转动转子，改变转子与定子的相对位置，

图5 电机定子绕组气隙分布(转子静止)

以U相匝间耐压试验波形为基波，检查V、W相，其波形如图6(a)所示。缓慢旋转电机的转子，将两台电机的转子分别连续2次顺时针旋转60°后，三相绕组的匝间波形均能与基波重合，如图6(b)所示。不改变转子的位置(某一相的冲击电压波形与基波重合的位置)提高冲击电压幅值，其波形仅幅值发生变化，相位不变，如图6(c)所示。又拆掉一台电机的转子后，对定子进行匝间试验，三相绕组的冲击电压试验波形重合，即该电机定子匝间无故障。证实了判断方法的正确性。

图6 凸极同步电机匝间耐压试验波形

以1台小型水轮发电机为例。电机为3相、4极励磁同步同步电机、槽数为72，在进行整机匝间试验时，其试验波形如图7(a)所示，波形畸变严重。根据上述方法旋转电机转子，没有找到三相绕组冲击电压试验波形重合的位置，按找上述方法可判断该电机定子匝间存在故障。

测量其三相电流分别为:187、239、206 A，其不平衡度分别为13.4%(要求＜10%为三相电流平衡)，即其三相电流不平衡;拆掉该电机转子，对其进行匝间冲击电压试验，其波形如图7(b)所示，仍不重合。说明其匝间绝缘有故障，证明上述判断是正确的。

3 结语

通过分析凸极同步电机整机电枢周围气隙分布不均及气隙与电机主电抗的相互关系，说明了在转子位置不变时，定子三相绕组匝间试验波形受转子电机电枢周围气隙分布不均的影响，其三相绕组匝间耐压试验波形不同。分析凸极同步电机电枢相对分布，说明可调整转子相对定子的位置，找出定子三相绕组磁场分布相同的位置，即三相绕组匝间波形重合的位置。通过研究电机定子的布线方式，得出转子旋转角度(波形与基波重合的位置)的计算方法。此方法可较便捷地判断凸极同步电机匝间故障，极大提高凸极同步电机整机匝间冲击耐压的检查效率，为电机整机出厂试验提供了有效的指导方法。

图7 凸极同步电机整机匝间故障波形

[1]王先勇，余文武，罗广生，等.关于匝间冲击耐压试验的浅析[C]∥绝缘材料学术会议论文集，2011(10):467-469.

[2]孙雪明.电机整机匝间绝缘检测[J].微电机，2002(1):38-40.

[3]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社，2005.

[4]汤蕴璆，史乃.电机学[M].北京:机械工业出版社，2007.