大型发电机绕组电气故障分析

丁鹏飞

（山西鲁晋王曲发电有限责任公司，山西 长治 047500）

0 引言

在现代电力生产中，大型发电机非常常见，是最为重要的电力生产设备，且价格非常昂贵。可以说大型发电机安全、可靠、稳定的运行是电力系统稳定供电的基础，对于社会稳定、经济发展以及人们的正常生产生活尤为重要。在大型发电机运行过程中，电气绕组电气故障是较为常见的电气故障之一，按照电气故障的发生的位置以及原因不同，其主要分为定子绕组电气故障、转子绕组电气故障，以及由大型发电机不对称运行引起的绕组电气故障。这些电气故障都会造成突然短路问题，引起大型发电机绕组破坏，会对大型发电机造成极大的危害。因此，在实际工作中，要根据实际情况，分析大型发电机绕组电气故障产生的原因与部分，并针对性采取措施，快速查找和排除电气故障，并设置一定的预防措施，以保证大型发电机的安全稳定运行，保证电力的稳定供应[1]。

1 定子绕组的电气故障分析

1.1 定子绕组电气故障概述

大型发电机内绕组电气故障常见于同步电机的定子绕组中，此类故障的主要类别包括以下几个，分别是同支路匝间短路、同相不同支路匝间短路、相间短路以及支路开焊等。同步电机定子绕组故障在大型发电机中比较常见，而且可以造成较为严重的后果。主要是由于同步电机出现定子绕组电气故障后，可以产生非常大的短路电流，从而引起过热问题导致大型发电机的结构部件烧毁，并且会引发破坏性极大的电磁力，引起强大的负序磁场，其可能会远远超过设计的允许值，并严重损坏转子。此外，在定子绕组电气故障中，单相接地引起的绕组故障也是较为常见的起因之一，一般指的是铁芯和定子绕组之间的绝缘被击穿，从而导致的短路引发定子绕组电气故障[2]。

1.2 定子绕组电气故障原因

多数情况下，导致定子绕组故障的原因都是由于电子绕组的绝缘层破坏。绝缘层破坏主要包括自然老化过程以及绝缘层被击穿，大多数情况下是两种因素共同作用的结果。如果发电机的端口发生相间短路，则发电机会产生大电流，该电流是额定电流的4~5倍。由于产生极大的瞬时短路电流，会引起破坏性极强的电磁力以及电磁转矩，并对电子绕组、转轴以及机座等产生强烈的冲击，巨大的冲击力可能会损坏以上部件，并可能直接导致发电机定子短杆产生严重的变形、断裂和绝缘损坏。除以上因素外，绕组绝缘层损坏也肯能由其他原因引起，比如定子铁芯叠层松动、磁性物体掉落在绝缘表面等。而且一些生产厂家制造发电机时，由于缺乏严格的安装，导致运行过程中转子的固定部件的掉落以及由于的接头焊接脱落而导致的电线绝缘部分缺陷。以上这些因素都可能损坏定子绕组的绝缘层，从而引发定子绕组电气故障[3]。

1.3 定子绕组电气故障分析方法

对定子绕组电气故障进行分析时，有多种方法，常采用的主要有以下三种，以下分别进行介绍：（1）解析计算法：最为常用的解析计算法是依据多回路理论的多回路分析法。通过多回路理论可以建立凸极同步发电机定子绕组内部故障瞬态数学模型，作为分析定子绕组电气故障的主要基础。然后可以根据定子和转子的实际回路写出电压以及磁链方程。对回路参数进行计算时，要先计算单个线圈以先获得单个线圈的参数，然后根据不同线圈的实际参数计算每个线圈的参数，并通过实际组成计算回路参数。需要注意的时，在运行过程中要考虑定子和转子之间的相互运动引起随时间变化的电感系数，从而建立时变微分方程。根据以上方程进行求解，可以获得凸极同步发电机定子绕组的暂态和稳态分量。（2）试验研究法：发电机的故障行为以及校准接地保护装置主要使用试验研究法。大型发电机价格非常高，因此具有非常高的使用成本，该方法被认为是安全，经济和可行的方法，因此被广泛使用。其主要是在实验室中，采用动模机组动态模拟发电机的故障试验，以获得相关的数据，并与实际运行情况相比较，以采取一定的预防措施对发电机进行优化。（3）数字仿真法：该方法顾名思义，就是通过以计算机为代表的信息技术，通过对发电机真实系统的所有参数输出仿真软件，建立真实的数学模型对其进行分析。主要如下：①测量计算机真实参数，建立基于发电机真实参数的数学模型；②根据数学模型通过仿真软件建立仿真模型；③编制仿真模型的调试程序；④利用调试程序对仿真结果验证分析。数字仿真法具有经济、安全、灵活、方便等优点。因此，在实际中应用非常广泛，且取得了非常好的效果。

2 转子绕组电气故障分析

匝间电气故障和接地电气故障是转子绕组电子故障中最为常见的两类故障，以下分别进行介绍。

2.1 匝间短路电气故障

匝间短路电气故障极为常见，我国的多数大型发电机都存在这一故障。导致这一故障的主要因素时绕组绝缘层损坏，从而会导致转子绕组匝间短路，并引起非常大的短路电流形成局部过热点。局部过热点如果长时间未进行处理，则会由于高温引绝缘层进一步损坏，又会造成匝间短路问题更为恶劣，由此导致恶性循环。匝间短路电气故障还会引起磁通量不对称的问题，磁通量不对称会导致转子受力不平衡，引起转子振动。此外，磁通量不对称还会造成电子绕组的各类组件出现磁化问题，并进一步引发转子接地故障。引发该类故障的主要原因是由于发电机的转子结构中含有较多的磁极线圈、线圈引线、阻尼绕组等，且在运行过程中存在比较大的转动惯性量，产生一定的离心力。在离心力的作用下，转子转动过程中会造成绕组绝缘移动，而绕组的端部会受热变形，从而导致端部的垫块松动，或者绕组绝缘层老化等问题，此外还可能会有一些微小的导电性离子或者杂物落入到端部与转子中间的通风沟，从而引起匝间短路电气故障[4]。

2.2 接地电气故障

单点接地故障与两点接地故障是转子绕组电气故障中最为常见的两种故障。引起接地电气故障的主要原因是励磁电阻的绝缘层出现破坏问题，导致励磁绕组的导体与转子铁锈接触。其中绕组接地的单点接地故障非常常见，被认为是一种常见的异常运行状态，其一般不会造成较为严重的后果。导致这种认知的主要原因是单点接地故障发生后，励磁电源会产生非常大泄漏电阻，因此在一定程度上限制了接地泄漏的电流大小。但是当出现另一个接地点时，即两点接地故障时，则会极大的降低励磁电源的泄漏电阻，从而造成匝间短路问题，引起非常严重的短路故障。在我国大型发电机运行过程中，两点接地故障已经引发了多次严重事故。当出现转子绕组两点接地故障时，故障显示一般在控制屏上表现为励磁电流和定子电流突然增大、励磁电压和机端出口电压下降，同时功率因素增加，伴随着强烈的振动。这种情况下，应该执行紧急停机操作，以确保不会导致设备的损坏。

转子绕组两点接地故障的危害较大，主要表现为以下几点：①当出现转子绕组两点接地故障时，这种状态下绕组部分会出现短接问题，那么会引起励磁绕组的滞留电阻降低，同时励磁电流上升。这种情况下，当匝数比较多时，则会导致发电机的的主磁通量的减少，那么发电机的感性无功输出会下降，导致机端电压下降，但是会引起定子电流快速升高；②如果发生转子绕组两点接地故障时，那么在绕组短接方向的磁极磁势会降低，但是其他磁极的磁势并不会因此而改变，仍然保持原有的大小。这就造成了转子磁通量的平衡性被打破，同时会出现径向电磁力导致转子因受力不平衡而振动。振动的剧烈程度直接与短路的圈数以及励磁电流的大小相关。该问题，在多极水轮机中尤为严重。另外，转子绕组两点接地故障也会以前你轴系或者汽机出现磁化问题。③发生转子绕组两点接地故障后，由于在两个接地点之间形成了回路，那么会造成回路之间的励磁绕组短路，如果两点之间较远，那么会产生非常大的短路电流，短路电流会造成严重的过热问题，在严重情况下，可能会引起火灾。

造成转子接地电气故障的主要原因是由于在发电机正常运行过程中，转子处于不断旋转的运行状态，因此，在其线圈上会持续承受较大的离心力。随着运行时间的延长，在持续离心力的作用下，转子绕组会有所松动，从而可能导致绕组绝缘层老化或者损坏。同时由于励磁电流引起的热效应会加速这一过程。此外，由于长期运行，绕组上不可避免会聚集灰尘污垢等，这就需要定期进行维护，而维护过程中维修人员因各种原因可能出现失误，从而导致绕组的绝缘层损坏，会恶化这一问题。

3 不对称工作的影响

三相电流平衡对称长期运行原则，是制造大型发电机的基本原则。因此，发电机的三相负载均衡对于其运行尤为重要。即便是小容量的单相负载也应该均匀分布由三相负载。然而，在发电机运行过程中会不可避免的遇到不对称情况，例如具有大功率单相电炉、电力机车，以及雷击和强风将导致传输线断开，从而导致单相断电或不对称短路等。以上问题均会造成发电机的不对称工作。而不对称工作会导致转子过热和转子振动等问题，影响大型发电机的运行[5]。

4 结语

在发电机的长期运行过程中，电气故障问题主要是由绕组电气故障引起的。其中定子绕组电气故障与转子绕组故障较为常见，也是导致发电机停机的主要原因。因此，针对性分析上述故障的原因与危害，对于大型发电机的维护与优化有非常重要的意义，也有助于供电系统的稳定运行。