发电机转子交流阻抗的影响因素分析

靳建坤

（神华国能天津大港发电厂）

0 引言

发电机转子交流阻抗试验是判断转子绕组有无匝间短路的实用方法，而发电机转子绕组若发生匝间短路严重威胁发电机的安全运行，其主要危害表现在：破坏磁势的正弦分布，机组振动加剧，励磁电流上升，产生局部过热。此时横差保护、转子回路过负荷保护可能动作，造成机组停机事故，给电厂带来重大损失。其次，当转子绕组匝间长期短路，使转子绕组局部过热、老化会导致发电机的低励磁或失磁故障。

低励、失磁故障对电力系统以及对发电机都有很大影响。

（1）对电力系统的危害

1）从电力系统中吸收无功功率，引起系统电压的下降，当无功功率储备不足时，可能使系统因电压崩溃而瓦解；

2）其他发电机无功功率输出增加，使某些发电机、变压器、线路过电流，扩大故障范围；

3）由于有功功率的摆动及电压的下降，使其他发电机或系统之间产生振荡，大量甩负荷。

（2）对发电机的危害

1）转子中出现差频电流，使得转子过热；

2）重负荷下失磁转差大，等效电抗小，吸收无功功率大，产生过电流使定子过热；

3）有功功率及转矩周期性摆动，作用在发电机轴系及机座上，发电机会周期性严重超速；

4）定子端部漏磁增强，使端部部件、铁心过热。

也正是由于以上的种种危害，根据《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—1996）的要求，隐极式发电机转子需在膛外或膛内以及不同转速下测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗，并与上次测量值相比较，以初步判定转子是否有发生匝间短路的趋势。

1 问题的提出

公司所属某电厂2012年8月1日凌晨2号机组停机，开始第二次 A级检修，根据《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—1996）的要求，隐极式发电机转子需在膛外或膛内以及不同转速下测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗，该电厂电气专业与河南中电投华新电力工程有限公司高压试验人员一起对待修 2号机组发电机转子绕组交流阻抗和功率损耗进行了测试。

电气专业人员对测试进行了分析，根据规程要求，所测数据在相同试验条件下与历年数值比较，不应有显著变化，该电厂2号发电机在试验电压相等、发电机转速相同的情况下发电机转子的电流和功率损耗比上次测量偏大、阻抗偏小，且发电机转速越高试验数据相差越大。

不同转速下对交流阻抗的测量值也有所降低，功率损耗有所上升。该电厂2号机组1000r/m in时转子绕组阻抗较上年低 4.8%，功率损耗增大 2.8%，2000r/min时转子绕组阻抗较上年低8.5%，功率损耗增大 1.3%，由此初步判断发电机转子绕组在动态状况下，由于受到转子离心力的影响，转子绕组可能存在不稳定匝间短路现象，但是由于试验时会受到定子附加损耗、转子剩磁、试验电压波形等多种因素的影响，轻微匝间短路无法准确判断，因此还需在抽出发电机转子后进行补充试验，进一步确认试验结果。

2 交流阻抗测量原理

利用交流阻抗法确定转子匝间短路的试验，因其实用、简洁的特点被广泛应用，在《电力设备预防性试验规程》（DL/T 596—1996）中明确规定大修中必须进行此项目。当转子绕组中发生匝间短路时，在交流电压下流经短路线匝中的短路电流，约比正常匝中的电流大n倍（一槽线圈总匝数），它有强烈的去磁作用，并导致交流阻抗大大下降，功率损耗大幅增加。

如图1所示，测试线要使用短粗线，600MW发电机转子试验电流在220V电压下可能达到60A，电压表直接接于转子集电环的正、负极上，调整调压器T1，并测量出电压、电流和功率P，然后按照下式计算出交流阻抗Z，即

式中，Z为交流阻抗，Ω；U为测量电压，V；I为测量电流，A。

图1 交流阻抗和功率损耗测量接线原理图

现在交流阻抗试验一般使用专用的转子交流阻抗试验仪，其能够把加压过程中各电压值、电流、阻抗、损耗自动显示出来，并可以曲线形式打印出来便于分析判断。将测量的Z与P值与原始数据比较，即可分析判断转子绕组有无匝间短路，当Z下降、P上升时反应出有不良发展趋势。规程规定在相同试验条件下与历史数值比较，不应有显著变化。一般超过上次值的 10%时应进一步分析并使用其他试验方法进行验证。

3 交流阻抗影响因素的分析

3.1 膛内、膛外

转子处于膛内时，磁场通过定子铁心形成回路，磁阻比在膛外时要小，磁导则比膛外要大，由于电抗与磁导的平方成正比，所以转子处于膛内时的交流阻抗Z一般比膛外时的大。同时与功率损耗P相应的电阻中，除了转子本体铁损的等效电阻、绕组铜损的电阻外，还要包括定子铁损的等效电阻在内。所以在相同电压下，其功率损耗一般比膛外的大。

转子处于膛外时， Z主要取决于试验电压、频率、转子本体和绕组的几何尺寸，在其功率损耗相应的电阻中，仅包括转子本体铁损的等效电阻和绕组铜损的电阻，没有定子铁损的等效电阻在内，所以 Z和P的值较膛内时要小。

3.2 定、转子间气隙大小的影响

气隙较小，转子处于膛内时定子磁路对阻抗的影响较大，对于同厂家、同容量的发电机定、转子间隙基本一致，可不考虑此因素影响。但对于不同厂家、不同容量的发电机因气隙不同，在进行交流阻抗数据比较时应加以区分。

3.3 静态、动态的影响

在恒定交流电压下，转子绕组的阻抗和损耗均随转速的升高而变化。例如该电厂600MW发电机转子绕组施加恒定电压180V时，测得转子阻抗Z与转速n的关系如表1所示。

表1 某电厂2号发电机停机交流阻抗试验

由上表可看出，随转速升高，转子绕组交流阻抗降低，损耗升高。这是因为随转速升高，线圈的离心力增大并且压向槽楔，使转子线圈底部距离槽楔的距离减小，槽磁导和计算磁导也随之减小，在恒定电压下磁势为一定值，根据公式F= ΦR，F为磁势，Φ为磁通，R为磁阻，它与磁导成反比关系，故可得磁通也将减小，电抗变小，阻抗下降。另外随转速升高，槽楔和线圈的离心力增大，使槽楔与转子齿的接触更加紧密，阻尼作用增强，去磁效应增加，导致阻抗下降，损耗增加。

3.4 护环和槽楔的影响

转子本体是否安装护环，对转子绕组阻抗和损耗的影响比较大，有一台发电机转子绕组在消除匝间短路缺陷时，测得阻抗Z与电压、功率损耗P与电压的曲线如图2、图3所示。

图2 交流阻抗Z与电压曲线

图3 功率损耗P与电压曲线

由图2、图3可看出，当转子绕组未套护环，在210V时阻抗最大，损耗最小（曲线1）；当一端套装护环后阻抗下降 19.5%，损耗增加 15%（曲线 2）；当两端均装上护环后，在相同电压下，阻抗下降23.2%，损耗增加29.1%（曲线3）；如果绕组有匝间短路时，则阻抗下降和损耗增加（曲线4）的幅度还要大。

造成上述现象的原因有两个，一是当一端装上护环时，端部线圈的交变磁通，在护环上产生了涡流去磁效应，但由于去磁效应不强，故使阻抗下降较少；二是当两端的护环均装上后，便构成了沿轴向的两端周围的电流闭合回路，且增加了涡流去磁效应，因而是阻抗下降显著。当转子装上槽楔后，转子线槽被槽楔填充，增大了转子表面的涡流去磁效应，即增加了阻尼作用，因而使阻抗下降。

3.5 短路电阻及部位的影响

当转子发生匝间短路时，其损耗增加比阻抗下降值明显，短路部位的电阻也是由大到小直至为0而转为金属性短路。在短路电阻逐渐下降的过程中其交流去磁效应会慢慢变大，另外短路部位在转子端部、直线部分、槽口等不同位置时其交流去磁效应也不同，因此在分析判断中应注意此因素的影响。

3.6 试验电压高低的影响

转子绕组是一个具有铁心的电感线圈，其等效电阻较小，电抗占主要部分。由铁心的磁化曲线可知，当电源频率一定时，其磁通密度随磁场强度上升而增加。在测量转子绕组的交流阻抗时，转子电流将随着电压上升而增大，并使磁场强度增高，由于Φ=BS=μHS=μNIS/L，F=ΦR=NI，故 R=NI/Φ=L/μS，又此时由于转子铁心远未达到饱和状态，根据μ 磁化曲线，得到随着I的增大，R是呈现减小的趋势，磁导Λ则变大，电抗跟着变大，所以转子绕组的交流阻抗，随电压上升而增加。表2为某电厂2012年8月2号机组检修盘车状态下的转子交流阻抗试验数据，可看出试验电压从49.7V上升到200.5V时，阻抗从3.7939Ω上升到5.4336Ω。

表2 某电厂2号发电机盘车状态交流阻抗试验

3.7 转子本体剩磁的影响

转子本体的剩磁会使阻抗减小，这是因为在测量交流阻抗时，转子本体的槽齿中不仅有交变磁通，而且还有剩磁的恒定磁通，当两者的方向一致时起助磁作用；当两者的方向相反时，则起去磁作用。因此，在相同电压下的阻抗，有剩磁比无剩磁时小。所以在测量转子绕组的阻抗时，应先检查其剩磁情况，当剩磁较大时可用直流去磁，剩磁较小时用交流去磁。在实际操作中为减小剩磁对阻抗的影响，在静态测量阻抗、损耗与电压的关系曲线时，应从高电压逐渐做到低电压；在动态测量阻抗与转速的关系曲线时，试验电压应尽量接近转子额定电压，以提高测量结果的准确度。

3.8 测量交流阻抗和功率损耗的注意事项

为了避免相电压中含有谐波分量的影响，应采用线电压测量，并应同时测量电源频率。试验电压不能超过转子绕组的额定电压，一般集电环上施加电压，静态试验时应将碳刷取下，动态时还应将励磁母线断开。在定子膛内测量阻抗时，定子绕组上有感应电压，故应将其绕组与外电路断开。当转子绕组存在一点接地或对水内冷转子绕组作阻抗测量时，一定要用隔离变压器加压，并在转子轴上加装接地线，以保证测量安全。

4 结束语

综上所述，用测量阻抗和损耗值的变化来判断转子绕组有无匝间短路，是简便、可靠、灵活的方法。但是，由于影响因素较多，在分析判断时必须注意在同状态（膛内、膛外、静态、动态、槽楔、护环、剩磁）、同电压下比较。多次试验结果表明，因各型发电机转子在同一交流电压下的阻抗值不同，即使在相同的短路状态下，由于短路线匝中的短路电流不同，其去磁作用所引起的阻抗下降和损耗增加的程度也不同。所以在应用转子交流阻抗和损耗值的变化量来判断绕组有无匝间短路及其程度时，难以出具统一的标准。

也正是如此，虽然此次该电厂2号机组转子交流阻抗测量在同转速下较上次偏低，功率损耗偏高，且随着转速的增大，差值也增大，由此初步判断发电机转子绕组在动态状况下，由于受到转子离心力的影响，转子绕组可能存在不稳定匝间短路现象，但是由于试验时会受到以上介绍的因素影响，轻微匝间短路无法准确判断，因此在发电机转子抽出后又进行了发电机转子线圈交流压降试验，试验数据如表3所示。

根据实验数据，并未发现异常，判断出转子在静态时不存在匝间短路，要想进一步确认需要在机组起动后，通过发电机转子匝间短路波形探测线圈测量转子在不同转速下的气隙波形，进一步判断转子是否存在动态匝间短路。故可以看出，交流阻抗试验仅能将现测量值与前次测量值及历史值进行比较，并结合其他的测试方法，综合判断后才能作定论。

表3 某电厂2号机组发电机转子线圈交流压降试验

[1] 辜承林, 陈乔夫, 熊永前. 电机学[M]. 2版. 武汉:华中科技大学出版社, 2001.

[2] 何仰赞. 电力系统分析[M]. 3版. 武汉: 华中科技大学出版社, 2002.

[3] DL/T 596—1996 电力设备预防性试验规程[S]. 北京: 中国电力出版社, 1997.