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大型发电机绕组电气故障分析

  
评论: 更新日期:2012年02月27日

  接地故障:发电机转子绕组的接地故障包括一点接地和两点接地。接地是指励磁绕组绝缘损坏或击穿而使励磁绕组导体与转子铁芯相接触。发电机转子一点接地是一种较为常见的不正常的运行状态。励磁回路一点接地故障对发电机一般不会造成危害,因为发电机发生转子绕组一点接地故障时,励磁电源的泄露电阻(对地电阻)很大,限制了接地泄露电流的数值,但如果再有另外一个接地点,即发生两点接地故障时会形成部分线匝短路,这是一种非常严重的短路事故。近几年来,国内大型发电机由转子绕组接地所引起的严重运行事故并不少见。转子两点接地在控制屏上一般表现为励磁电流及定子电流增大,励磁电压及机端出口电压下降,功率因数上升(甚至进相),并伴有剧烈的振动等现象,这时应做事故紧急停机处理。
  两点接地故障的危害有:①发电机励磁绕组发生两点接地之后,绕组部分被短接,使得绕组直流电阻变小,励磁电流增大;若短路匝数较多,会使发电机磁路中主磁通减少,使得机组向外输出的感性无功减少,引起机端出口电压下降,同时定子电流可能会急剧上升。②由于绕组短接的磁极磁势减小,而其它磁极的磁势则未改变,转子磁通的对称性受到破坏,转子上出现了径向的电磁力,因此引起机组的振动。振动的程度与励磁电流的大小及短接线圈的多少有关,在多极水轮机上振动尤其严重。此外,汽轮发电机励磁回路两点接地,还可能使轴系和汽机磁化。③当转子发生两点接地之后,两点之间构成回路,一部分励磁绕组被短接,两接地点之间将可能流过很大的短路电流,电流产生的电弧可能会烧坏励磁线圈及转子本体,甚至引发火灾。故障原因:当发电机组运行时,转子在不停地运转,使线圈受到较大的离心力作用,经过长期的运行后,会使转子绕组产生轻微松动而使绕组的绝缘受到损伤。同时线圈内通过励磁电流,由于热效应作用,会加速转子绕组绝缘的老化变质。此外长时间的运转,空气中的灰尘及其它污垢会积附在绕组上面。检修时检修人员不小心将异物自转子大盖的网孔中掉入而损伤绕组的绝缘。
  3不对称运行的影响
  发电机是根据三相电流平衡对称的工况下长期运行的原则设计制造的。一般情况下同步发电机所带三相负载均为对称,即使有小容量的单相负载,如照明负载等,也会均匀的分配在三个相中。但同步发电机在运行时要遇到不对称运行问题,如发电机带有大功率的单相电炉、电力机车这一类负载;输电线路由于雷击、狂风而断线使一相断开或发生不对称短路时。当三相电流对称时,其所合成的旋转磁场与转子是同方向且转速相等的即旋转磁场相对于转子来说是静止的,旋转磁场的磁力线不会切割到转子。当三相电流不对称时,即在发电机中会有正序、负序、零序三组对称分量电流产生,不对称运行的物理本质在于所接负载不对称产生不稳恒磁场,磁势幅值要发生变化,不能合成一个稳定的旋转磁势,分析需要按正、负、零序分解。
  不对称运行对发电机本身的影响:①引起转子过热。不对称运行时的负序电流所产生的负序磁场对转子有两倍同步速相对速度,将在转子的励磁绕组、阻尼绕组以及转子表面感应电流,这些电流将在相应的部分引起损耗和发热,特别是隐极机的励磁绕组,散热条件差容易因过热而烧坏。②引起附加交变力矩并产生振动。负序电流产生的负转磁场对转子以两倍同步速作相对运动,这时候负序磁场和转子励磁磁场作用,产生100周/秒频率的震动,随之还会伴生出强烈的噪音,长时间的振动会造成发电机的材料出现疲劳损伤和机械损伤。
  4机端突然短路的影响
  同步电机的突然短路是电力系统的最严重的故障。虽然短路过程所经历的时间极短(通常约为0.1~0.3 s),但对电枢短路电流和转子电流的分析计算却非常重要。三相突然短路电流远大于稳定短路电流的宏观能量物理解释:三相电流短路后,从暂态过度到稳态,从大规模的能量交换到小规模能量交换,电枢反应重组适宜当前需要的能量场规模,在暂态过程中要释放能量,将其消耗在电阻上。
  短路电流中包含了许多自由分量使短路电流大大增加。由于定子非周期分量的存在,使包络线对横轴不对称,因而最大瞬时值进一步加大。当短路电流发生在转子d轴与定子绕组某一项轴线重合时,该项出现最大冲击电流,其值可达20倍额定值以上,对机电设备的机械强度危害性是很大的。突然短路时冲击电流同时将产生很大的电磁力与电磁转矩。
  电磁力对电机的影响:定子绕组槽内部分固定可靠性高,但端接部分紧固条件比槽内差,在突然短路的强大电磁力的冲击下,端接部分很容易受损伤;电磁转矩对电机的影响:突然短路时气隙磁场变化不大,而定子电流却增加很多,于是将产生巨大的电磁转矩。由于定、转子绕组中都有周期性和非周期性电流,因此,由它们的磁场相互作用而产生的电磁转矩比较复杂,总起来说,该电磁转矩可分为单项转矩和交变转矩两大类。这些转矩都随相关的电流一起衰减,它们对电机危害最严重的情况发生在突然短路的初瞬,在不对称突然短路时,所产生的电磁转矩更大,可达额定转矩的10倍以上。它们对定子绕组的直接破坏在前面已有提及。
  5结束语
  发电机的基本电气结构是由定子、转子本体和线圈组成的,其基本的电磁行为也是围绕在此四者之间进行的。在发电机的运行过程当中,绕组的结构远比本体脆弱,通常发电机的机械损伤先破坏到的也是绕组,再引发电气故障。电气故障先烧损的都是绕组,总之绝大多数故障是先源于绕组。发电机的各种异常运行和短路对绕组也很容易产生破坏影响。因此对绕组电气故障的有效分析和预防对整个系统的安全稳定供电意义很大。

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