臺灣中原大學(xué)電機工程學(xué)系 翟天心

在當(dāng)前的電力系統(tǒng)運行管理中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電機的運行狀態(tài)間有直接的聯(lián)系。電力系統(tǒng)自身規(guī)模較大，一旦在運行過程中發(fā)生故障，不僅容易帶來經(jīng)濟(jì)方面的損失也容易帶來災(zāi)難性的后果。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對發(fā)電機故障診斷工作也提出新的要求，必須不斷創(chuàng)新故障診斷技術(shù)，從而為電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運行提供有效保障。發(fā)電子轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是發(fā)電機常見的一種電器故障，其將直接影響電網(wǎng)是否能夠穩(wěn)定運行，因此應(yīng)對其診斷技術(shù)加以深入研究，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障研究現(xiàn)狀、故障危害及分類

在發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的相關(guān)研究主要針對兩個方面進(jìn)行研究，分別為在線和離線，且更加注重對在線監(jiān)測方式的研究，所以在針對發(fā)電子轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障研究中也重點關(guān)注在線監(jiān)測這種方式。

1.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障危害

如無法提前預(yù)測發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障會直接影響到發(fā)電機的運行。通常發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障分為兩種：一是在發(fā)生短路故障時產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致絕緣層被燒壞，影響到線路的正常接地，如熱點持續(xù)膨脹則很容易造成變形，嚴(yán)重的話可能會出現(xiàn)融化情況，在短時間內(nèi)如不及時進(jìn)行處理可能導(dǎo)致故障的出現(xiàn)。如，在實施中如出現(xiàn)過熱反應(yīng)直接產(chǎn)生破壞，也會導(dǎo)致主軸承被磁化，對于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生直接性的影響；二是當(dāng)發(fā)生短路故障時導(dǎo)致繞組的溫度持續(xù)升高，進(jìn)而影響了機組無用功功率的正常輸出，同時也容易導(dǎo)致勵磁電流上漲，當(dāng)一個磁極匝間出現(xiàn)短路故障時會直接影響到旋轉(zhuǎn)磁場的平衡狀態(tài)、導(dǎo)致其被毀壞，破壞發(fā)電機磁場的平衡與穩(wěn)定，使發(fā)電機組出現(xiàn)強烈的振動，且易對其他保護(hù)部件造成損傷[1]。

因此，對繞組間短路故障進(jìn)行有效的檢測能有效保護(hù)發(fā)電機，避免形成大規(guī)模事故，同時通過適當(dāng)?shù)木S修與養(yǎng)護(hù)也能有效延長發(fā)電機的使用年限。

1.2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的分類

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路可分為穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性匝間短路兩種。動態(tài)短路故障的發(fā)生率較高且造成損失較大，一旦出現(xiàn)漏判、誤判等情況會引發(fā)更為嚴(yán)重的后果，因此必須要對此類故障進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，保護(hù)發(fā)電機運行及工作人員的安全。

一般整個故障的發(fā)生和發(fā)展可分為萌芽階段、發(fā)展階段及故障階段。在萌芽階段，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間有發(fā)生故障的征兆，但不會影響到發(fā)電機組的正常運行且發(fā)電機組的無功功率、有功功率、機組的振動情況及機端電壓、所有功率等均處于正常范圍內(nèi)，在該階段中發(fā)電機組主要表現(xiàn)為匝間有漆片、局部過熱或匝間有油污等污染物；在發(fā)展階段，已對發(fā)電機的正常運行造成影響，且發(fā)電機組會出現(xiàn)明顯異常情況并表現(xiàn)出匝間短路等特點，在此階段內(nèi)發(fā)電機振動頻率逐漸增加，影響勵磁和無功功率，但發(fā)電機組依然處于正常的狀態(tài)，在這一階段內(nèi)尚未發(fā)生故障[2]；在故障階段，會直接對發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣造成損害，并表現(xiàn)出非常明顯的短路征兆，嚴(yán)重影響到機組正常運行，甚至?xí)l(fā)接地等多種故障。故障階段發(fā)電機機組的運行情況將直接影響到整個發(fā)電機運行的安全性，因此在此階段內(nèi)需立即停止機器運行，避免造成難以挽回的損失。

2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的發(fā)生原因

2.1 設(shè)計因素

設(shè)計因素是造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障主因之一：因發(fā)電機設(shè)計合理性不足，有一些發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不夠合理；在制造過程中因多種因素的影響導(dǎo)致整個制造過程不嚴(yán)謹(jǐn)，所以在完成制造后繞組的銅導(dǎo)線不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，如匝間的絕緣材料質(zhì)量不佳，其中含有金屬性的硬刺，存在毛角、倒刺等問題，而后加上離心力作用的影響很容易刺穿絕緣、進(jìn)而引發(fā)匝間短路故障；制造工藝過于粗糙容易造成工藝性損傷，引發(fā)匝間短路；還有一部分轉(zhuǎn)子線匝局部的風(fēng)量或風(fēng)控制造不合格，最終造成其運行過程中熱量較高，形成匝間短路故障。此外金屬異物也易造成匝間短路故障問題[3]。

2.2 運行因素

繞組端部殘余變形引發(fā)匝間短路故障問題，如，有一些發(fā)電機在運行過程中長時間受到熱力、電力及機械力的影響，導(dǎo)致繞組端部發(fā)生殘余變形或?qū)е罗D(zhuǎn)彎處的線匝沿徑向方向出現(xiàn)參差不齊的變化，造成匝間脫落、匝間絕緣磨損等問題，最終引發(fā)匝間短路故障；其次，處于運行狀態(tài)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子持續(xù)高速運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致發(fā)電機需承受巨大的離心力或其他多種導(dǎo)致其變形移位的動態(tài)應(yīng)力[4]；再次，因受到其他一些因素的影響導(dǎo)致內(nèi)冷轉(zhuǎn)子繞組堵塞，這樣也易造成短路故障；最后，如氫氣濕度較大會破壞端部繞組間的絕緣，從而引發(fā)短路故障。

除上述常見故障原因外，一些突發(fā)性事故也易造成電機發(fā)生故障，如，在進(jìn)行組裝時未對轉(zhuǎn)子頂端的繞組進(jìn)行有效固定處理，導(dǎo)致發(fā)電機在運行過程中墊塊因震動的影響而更加不牢固，或是因轉(zhuǎn)子頂部熱量過高發(fā)生的變形、匝間絕緣片移動、廢渣或較小的顆粒進(jìn)入到轉(zhuǎn)子線圈頂端及透風(fēng)縫隙等，都容易造成短路故障。但無論因哪種原因造成的故障，如不及時加以處理不僅易導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子小面積過度發(fā)熱，甚至造成一點或兩點接地的危險情況出現(xiàn)[5]。

2.3 發(fā)電機匝間短路故障的相關(guān)分析

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障后，勵磁繞組分為短路勵磁回路和正常勵磁回路兩種，前者會形成短路電流，其方向與正常勵磁電流的方向相反（圖1）。如電機磁場在沒有飽和的情況下出現(xiàn)故障，其中勵磁磁動勢可等效成正常勵磁回路產(chǎn)生的磁動勢和故障回路產(chǎn)生的磁動勢的疊加。正常勵磁回路產(chǎn)生的磁動勢在不同的磁極分布下會造成不良影響，如沒有考慮到定子電樞反應(yīng)磁動情況，則會出現(xiàn)更明顯的故障。因此只需分析勵磁故障回路產(chǎn)生的磁動勢即可完成故障后勵磁磁動勢的分析，其表達(dá)式如下。式中，N 為各極下勵磁線圈數(shù)；p 為極對數(shù)；j=1，2，...，n：

圖1 轉(zhuǎn)子匝間短路故障原理圖

3 電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的診斷方法

探測線圈判別法。是檢測短路問題時常用方法，最常用的方式是安裝探測線圈，基本原理就是使用一個檢測線圈（圖2）。發(fā)電機組縫隙間的旋繞磁場可利用該裝置進(jìn)行感應(yīng)計算，且縫隙磁場會在線圈上產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢，然后對感應(yīng)電動勢進(jìn)行細(xì)微的分析，能對所產(chǎn)生的波形進(jìn)行觀察，根據(jù)觀察波形的具體情況，幫助檢測工作人員及時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組運作過程中繞組是否發(fā)生故障，并及時了解故障的發(fā)生原因、具體發(fā)生位置等。

圖2 探測線圈安裝示意圖

定子環(huán)流判別法。主要指的是通過觀察偶次諧波電流，注意的是實現(xiàn)對匝間的檢查，重點分析是否存在故障。如電流本身出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，主要是由于發(fā)電機組的每相繞組都有兩個1/2相繞組組合而成。當(dāng)發(fā)電機在實際運行階段，如轉(zhuǎn)子的部分磁動力出現(xiàn)不對稱的反應(yīng)，定子繞組也會出現(xiàn)諧波電流，此類電流的頻率屬于波形變化且其回旋環(huán)流的速度與轉(zhuǎn)子相同。將線圈安裝在定子上可實現(xiàn)對環(huán)流的實時、持續(xù)監(jiān)測。

無功功率和勵磁電流判別法。當(dāng)發(fā)電機發(fā)生短路故障問題時會導(dǎo)致磁場產(chǎn)生去磁問題，進(jìn)而影響到磁勢、使其相對減弱，主要就是因為在磁勢效果相同的條件下會產(chǎn)生相反的效果，從而造成繞組匝線發(fā)生短路的問題。雖然發(fā)電機轉(zhuǎn)子中的電流會因轉(zhuǎn)子匝間短路問題而不斷增加，但發(fā)電機的無用功功率不會發(fā)生變化或輕微變小，根據(jù)上述故障的特點，應(yīng)準(zhǔn)確記錄好發(fā)電機組運行過程中的各項數(shù)據(jù)信息，而后準(zhǔn)確計算出發(fā)電機組在運行過程中所產(chǎn)生的勵磁電流，將明確值與記錄值進(jìn)行對比就能準(zhǔn)確判斷繞組匝線是否發(fā)生故障[6]。

智能短路故障診斷方法。是隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提升而形成的一種新的診斷技術(shù)，可憑借自身系統(tǒng)的特殊性模仿人的反饋能力，且該系統(tǒng)具有良好的自我學(xué)習(xí)能力，在系統(tǒng)運行過程中通過自我條件和自行認(rèn)知，并利用各個保護(hù)單元相互輸入、相互輸出這一反饋特點能夠?qū)收线M(jìn)行有效的診斷[7]?？偠灾?，該系統(tǒng)能通過模擬人的方式，模仿人類進(jìn)行自我學(xué)習(xí)與自我訓(xùn)練，自動調(diào)整單元與單元間的結(jié)合度，在網(wǎng)絡(luò)上準(zhǔn)確的反映出輸出單元和輸入單元間的關(guān)系，準(zhǔn)確判斷和預(yù)測位置故障。在智能短路故障診斷技術(shù)的實際應(yīng)用中，有3個最為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

首先，智能短路故障診斷技術(shù)具有自我認(rèn)知優(yōu)勢，該優(yōu)勢與人們?nèi)粘Ｉ钪袑D片認(rèn)知的原理相似，利用智能短路故障診斷系統(tǒng)可將很多未出現(xiàn)過的模板圖與相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效處理，而后再利用系統(tǒng)的自我認(rèn)知功能更好地了解與掌握圖像處理技術(shù)。當(dāng)有未知故障發(fā)生時，系統(tǒng)可直接將未知故障與已知故障進(jìn)行對比，從而更加準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)測未知故障信息，這樣就能更加準(zhǔn)確的檢測出故障信息，總之其自我認(rèn)知功能有助于提高故障診斷的靈敏度和準(zhǔn)確度。其次，智能化系統(tǒng)應(yīng)用中系統(tǒng)本身具備云端的儲存功能，可將已收集的知識存儲在云端上，如再次出現(xiàn)故障可及時準(zhǔn)確的進(jìn)行故障判斷。如智能短路故障頻繁出現(xiàn)則直接對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此在處理比較復(fù)雜問題的時通常需經(jīng)過大量的計算后才能尋求最佳的解決方案，但大量的計算往往會耗費大量時間。而智能短路故障診斷系統(tǒng)可通過模擬人類思考的方式進(jìn)行快速計算，從而更快的找到解決問題的方法。