发电机转子交流阻抗试验原理及试验分析

大唐环境产业集团股份有限公司海外事业部 张旭梁

发电机的事故预防和安全稳定运行十分重要，而转子绕阻匝间短路又是发电机经常发生的故障之一，较轻的故障可能仅导致局部过热和振动增大，严重的故障可发展为转子接地和大轴磁化，严重威胁发电机和整个电网安全运行。大修之后或新安装的发电机，都有可能在长期运行、检修过程中、运输途中或现场安装过程中发生转子线圈松动、损坏或绝缘破损故障。所以在发电机投运之前，要通过一系列试验检查发电机各部件是否存在缺陷或隐患，而交流阻抗试验就是检查转子绕组是否存在匝间短路最有效的检测手段[1]。

1 试验原理分析

1.1 阻抗计算

感抗计算。转子线圈感抗计算公式为XL=ωL=2πfL，电感计算公式为L=（k×μ0×μs×N2×S）/l，从公式能够看出，感抗值与线圈匝数的平方成正比。如果转子绕组出现匝间短路，则转子绕组有效匝数就会减少，所以交流感抗就会减小。其中：XL为线圈电感值，单位为Ω；L 为线圈电感值，单位为H；μ0为真空磁导率=4π×10-7；μs为线圈内部磁芯的相对磁导率；N 为线圈匝数；S 为线圈的截面积，单位为m2；L 为线圈的长度，单位为m；k 为系数。

电阻计算。转子线圈电阻值为R=ρL/S，从公式可以看出，电阻值和线圈的长度成正比，当线圈发生匝间短路时，线圈的长度L 变短，而线圈面积和电阻率保持不变，从而导致电阻值也变小。其中：P 为线圈电阻，单位为Ω·m；S 为线圈横截面积，单位为m2；R 为线圈电阻值，单位为Ω；L 为线圈的长度，单位为m。

阻抗计算。由感抗计算公式和电阻计算公式可以得到转子线圈的阻抗计算公式为｜Z｜=（XL2+R2）1/2，其中：｜Z｜为线圈的阻抗，单位Ω。由感抗计算公式和电阻计算公式可知，当转子线圈发生匝间短路时感抗XL和电阻R 都减小，所以根据阻抗计算公式可以判断线圈阻抗｜Z｜必然减小。因此，通过测量转子绕组交流阻抗与其出厂或历次试验数据进行比较，就可有效判断转子绕组是否有匝间短路，并可根据感抗值的变化大小知道短路的严重程度。

1.2 功率损耗计算

对转子匝间短路的功率损耗进行定性分析，可以发现当转子线圈发生匝间短路时，在交流电压作用下，流过短路匝的电流会比正常绕组中的电流大N 倍（N 为转子绕组线圈的匝数），这个短路电流会有很强的去磁作用，使得转子绕组的功率损耗明显增大。对转子匝间短路的功率损耗进行定量分析，转子线圈功率损耗可由公式Q=ωL×I×I 或Q=U×U/(ωL)进行计算。电感L 由于匝间短路减小，但线圈中的电流却会以平方的倍数增加，或者说当转子线圈外加交流电压不变时，电感L 由于匝间短路减小从而使得线圈功率损耗Q 会明显增大。其中：Q 为线圈无功功率损耗，单位为Var；I 为流过线圈的电流有效值，单位为A；U 为线圈两端的有效电压有效值，单位为V。

2 转子交流阻抗试验

2.1 试验目的

发电机并网之前，测量不同转速、不同外加电压下转子的交流阻抗和功率损耗；发电机超速试验结束后，再次测量转子的交流阻抗和功率损耗，检查转子线圈在超速试验之后是否有松动或者损坏[2-3]。

2.2 试验准备

准备试验用转子交流阻抗测试仪、调压器等试验设备；在现场没有转子交流阻抗测试仪时，可使用调压器、标准CT、交流电压表、交流电流表、有功功率表按照图1接线进行试验；拆除发电机碳刷与励磁整流柜出线连接螺栓，为试验临时接线做准备；将汽机转速分别稳定在0～3000prm 之间几个规定的某个试验转速。

图1 交流阻抗试验接线图

2.3 试验过程

由试验人员将试验设备连接好之后，首先测量转子静止时的数据，然后将发电机转速逐渐升至规定转速保持不变，通过电压调节器调整转子绕组两端电压的大小，每次增加幅度为10V，逐渐将试验电压增加至200V 左右，安排专人每间隔10V 记录一次转子电流、功率数值。上一转速下的数据测量完毕后，升高发电机转速至下一转速，重复进行测量，直到转速升至3000prm 进行最后一次测量。整个试验过程要注意转子外加交流电压的幅值不能大于转子额定电压，否则可能发生转子绕组绝缘损坏、击穿事故[4]。试验数据记录完成后，通过计算可以得到不同试验电压下的转子阻抗值并记录到数据单中存档，作为故障分析的依据。试验结束后，将发电机转子转速降至0prm，拆除交流阻抗试验试验临时接线，恢复原有系统正常接线。

2.4 试验结果

通过某厂在发电机转子0prm 和3000prm 时的两次转子交流阻抗测量的记录数据，可以得出以下结果：相同试验条件下，两次测量的结果基本一致，偏差很小；在0prm 时，外加试验电压为190V，阻抗变化率为0.28%，功率损耗偏差为20W，符合电力设备预防性试验规程要求；在3000prm 时，外加试验电压为190V，阻抗变化率为0.77%，功率损耗偏差为65W，符合电力设备预防性试验规程要求；从图2和图3可以明显的看出，在0prm 和3000prm时，两次试验的测量阻抗与试验电压形成的曲线基本重合，无明显偏差，符合电力设备预防性试验规程要求。

图2 转子0rpm 时两次交流阻抗测试结果对比图

图3 转速3000rpm 时两次交流阻抗测试结果对比图

以上结果可以充分说明在两次测量期间回转子路没有发生绝缘不良或者匝间短路故障，转子绕组处于正常状态，发电机可以投入运行，并且能够保证转子绕组运行的安全性。

3 结语

从原理上分析，可以根据转子交流阻抗和功率损耗的变化，判断出发电机转子绕组存在的匝间短路问题。而交流阻抗试验接线简单、方便，可以快速、准确地测量出转子交流阻抗和功率损耗，非常适合生产现场的实际条件。对匝间短路故障的判断应将二者结合起来进行综合分析、判断才比较有效、准确。同时，数据要与出厂资料和历次试验数据比较，与同种设备再进行比较，如果结果都在合格范围内，说明转子回路良好。如果有些数据出现问题，可反复用不同接线方法或重复试验进行再次确认，防止试验中由于某种因素的干扰影响了试验数据的准确性。如果试验数据是准确的，说明转子回路确实存在一定问题，那么就一定要查明原因，将转子匝间短路故障消灭在萌芽状态，确保机组安全运行。