张俊俊
南告水电责任有限公司
摘要：水电机组匝间短路故障是机组运行中常见的故障，因此对水轮发电机组匝间短路故障的研究十分必要。分析了水轮发电机组转子绕组匝间短路故障的特点和原因，以及故障发生后的电磁特性。分析表明，水轮发电机转子绕组匝间短路故障会产生分数次谐波环，并随着故障严重程度的增加而增大；根据多匝式短路故障的原理，建立了多匝式短路故障的数学模型。仿真结果与理论分析相吻合，验证了多环模型的正确性。该模型能较准确地计算出水轮发电机转子绕组匝间短路故障的特征值，为解决水轮发电机组绕组匝间短路故障提供了理论依据。
关键词：水轮发电机；转子绕组匝间短路；多回路理论
引言
目前，我国电力工业已经进入了大电网、大电站、大机组、大功率和自动化的发展阶段。为保证我国电力和经济协调发展，在大力提高装机容量的同时，应注意保护好水轮发电机。由于水轮发电机转子始终处于动态状态，励磁绕组长期受电热影响，易造成匝间短路故障，绝缘损坏等。从而使发电机的输出功率大大降低。匝间短路不会影响机组正常运行，但短路点局部过热也会造成绕组绝缘损坏，发展到一点甚至两点接地故障，严重威胁到机组的安全运行，造成铁芯损坏、转子轴磁化和转子均匀烧损。发电事故一般是由于暴雨造成的，对故障的早期征兆缺乏清晰的认识，重视不够，小故障处理不及时，导致恶性事故的发生。为了减少短路故障造成的损失，有必要在故障发生之初就进行故障检测。
一、水轮发电机转子结构
由涡轮机控制的同步发电机，由于涡轮机的低速和磁极的增加，发电机转子的凸极可以分为垂直式和水平式两种。发动机、同步电动机、电容和发电机，主要用于水平结构，而低速大型水轮发电机则采用更垂直的结构。液力发电机由静子和转子组成，需要足够的空间来容纳励磁线圈。它的定子具有相同的结构，即隐极同步发电机。该定子由定子铁心，定子绕组及一些结构元件组成。定子固定芯及绕组。定子铁芯由硅层挤压而成。通过拉伸螺丝和无磁性夹子将所有铁芯压缩为一个整体。然后把板固定到底座。定子铁芯内侧开裂，线材插入槽口。按照某些规则，这些电线通过所谓的定子线圈连接起来。通常情况下，由多个线圈组成的线圈采用双层短距绕组，包括极线、轭线、励磁线圈、阻尼线圈、整流子线圈、轴和转子支架。一般用 LMM~3 mm厚的磁极形式压制磁体，这是转子磁路部分形成全磁路的原因。每一主磁极的磁芯上均装有线圈，线圈按一定规则连接，构成励磁绕组。用集极环和电刷将励磁连接到外部直流电源。每个电极都具有一定的极性，当激励线圈由直流电流引入时，极靴表面会出现许多沟槽，铜排插入沟槽转子铁芯的端面焊接在铜环上形成一个叫做阻尼线圈的短路线圈[1]。
二、水轮发电机转子绕组匝间短路故障的原因
1.转子绕组匝间绝缘的故障
（1）匝间绝缘材料老化，湿造常采用成匝间短路；
（2）加工粗糙，有单圈硬块，毛刺损坏匝间绝缘。
（3）运转时，线圈受到电、热、机械应力的综合作用，产生残余塑性变形，引起匝间绝缘损坏，造成匝间短路。
2.制造方面的原因
转子端部绕组的固定不正确，使垫块松动。绕组铜线加工成型后去毛刺，倒角不严密；匝间绝缘板跑偏漏磁；加工时产生的粗糙损伤。发电机转子磁极绕组外露，匝间绝缘易受湿气、污垢、灰尘等影响。
３短路的故障特征
绕组匝间短路会引起转子磁不平衡，使发电机振幅增大，甚至产生过转，使发电机转速下降，引起发电机剧烈振动，从而引起机械事故，使电压恶化。当发电机转子绕组发生短路时，其故障特征主要表现为：发电机励磁电流增大，无功功率下降；由于转子绕组的局部短路，线圈阻尼减小，有效励磁线圈匝数下降。发电机系统电压稍有变化，通过气隙磁场输出电池功率。在输入机发生短路故障时，其转子匝数减小，发电机提供磁场的能力下降，匝间短路在输出机械功率上变化不大，有效功率不变。在此基础上，在有功功率不变的情况下，水力发电机组转子圈间短路将导致励磁电流增大，无功功率增大。在轴向应力作用下，主磁流不再对称于极下面，(这将导致在空隙和轴向电压空间磁场中的谐波分布失真)。当短路电流的交变电压较小时，短路电流具有较强的去磁作用，即使匝数较少，这种作用也较明显。电阻率明显下降，出现时电阻值增大。在液压发电机振动的情况下，发电机工作正常，振幅不超过允许值。非均匀磁拉致转子匝间短路，对凸极转子影响最大，即使极少的短路线圈，也会使发电机匝间非均匀振动引起其它绕组温差增大。由于绕组短路而引起的磁拉力不平衡和转子加热不均而引起的发电机振动。转子匝间短路上述缺陷只在下列情况下出现：严重或不允许在线监测故障。早期发现故障是排除故障的关键。水电机组检修周期长度、转子磁极试验数据与空间位置有密切关系。由于试验条件的限制，使得判断匝间短路更加困难。因此，最直接的保护方法是定子绕组产生循环电流。每个相绕组由两个平行的分支组成。每根管子底部只有一组线圈。由于匝间短路故障引起磁极上两个不同分支的谐波电动势均匀，而在多极液力发电机中，由于匝间短路故障引起磁强转子绕组与平行分支断开后转动的调和分量定子绕组的耦合，导致磁强转子匝间短路故障[2]。
三、水轮发电机转子绕组匝问短路电磁特性分析
针对同步发电机周期中的典型短路电故障，国内外学者研究了两个平行分支，各一个线圈。在两个具有不同极性相分布的平行分支电路中，由短路激励线圈产生的平均谐波磁场产生等效的电动势，从而形成定子的平均谐波环。采用均匀谐波绕流消除直流励磁绕组匝间短路；利用定子的并联电路产生的应力及其它一些应力，对定子在4-x转子绕组短路时的并联分支中循环的谐波分量极同步发电机并在转子绕组短路后产生平行分支的故障特性进行分析，得出定子的3/2谐波循环，越短的圈匝数越多，多极液力发电机和四极涡轮发电机的定子循环经调和分量发电机的转子短路后，磁势波动就越大，这些谐波分量影响磁场和导磁体，改变了定子边缘的电参数，使电特性变短而非正常。可以利用这些特征来检测故障。失效是发现励磁线圈故障、防止匝间短路的基础。初探表明，故障后稳定电流的谐波特性与定子绕组的分布及耦合形式密切相关[3]。
四、结束语
在多回路法基础上建立的数学模型能够更准确地计算出故障后的电量，因为该模型能够模拟发电机转子绕组间短路，以确定故障类型和范围，因此需要对发电机转子线圈间短路进行更深入的研究，以提高故障诊断的准确性。针对故障电流的谐波特性还与极数、定子绕组的分布及连接公式等有关，研究了不同类型的定子绕组及平行电路故障后环流对谐波特性的影响，对水力发电机组转子的设计和实际应用提供参考。
参考文献
[1]刘攀,赵晓艳,成慧翔,李凯丽.发电机转子绕组匝间短路故障诊断研究[J].现代制造技术与装备,2018:109-110.
[2]徐晔,顾磊.发电机转子绕组匝间短路故障诊断的研究[J].百科论坛电子杂志,2018:369.
[3]武玉才,马倩倩,蔡波冲,唐劲飞.水轮发电机转子绕组匝间短路故障的新型在线诊断方法[J].电机与控制学报,2018:23-29.