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浅析发电机转子绕组交流阻抗的测量
杨洪涛
（葛洲坝机电建设有限公司，湖北宜昌 443002）
关键词：发电机、转子、定子、绕组、气隙、交流阻抗、匝间短路
一、 概述
　对发电机转子绕组交流阻抗的测量，是判断转子绕组是否存在匝间短路的最有效的方法。在现行国标中规定，在发电机出厂、交接与大修时，都应对转子绕组进行交流阻抗的测量，且要求相互之间应无明显差别。这是因为如果转子绕组存在匝间短路，会使转子电流增大，绕组温度升高，限制无功出力，甚至引起机组振动过大而造成更严重的事故。但是，由于转子绕组的交流阻抗受诸多因素的影响，如果对测量的结果及测量的方法和条件不加以认真的分析和判断，很容易得出错误的数据和结论。造成不必要的返工，浪费人力及物力，甚至直接影响到安装或检修的工期。因此，为了准确的测量转子绕组的交流阻抗以及得出正确的结论，我们将结合高坝洲电站转子绕组交流阻抗测量的结果来加以分析，来提高对转子绕组交流阻抗测量方法的认识及转子绕组是否存在匝间短路的判断能力。
二、 转子绕组匝间短路原因及测量方法
一般情况下，造成转子匝间短路的主要原因有以下几种情况：
１． 制造时，如果工艺不良，在绕组绕制过程中损伤了匝间绝缘，或匝间绝缘有缺陷等造成转子绕组匝间短路。
２． 安装时，由于施工工艺不当，如在磁极焊接时金属铁屑等硬粒附着在绕组层间，破坏了层间绝缘造成匝间短路。
３． 运行时，在长期的机械、电、热应力的作用下，绕组产生变形、磨损、脱落等造成匝间短路。
　 判断转子绕组匝间短路的方法有测量绕组直流电阻、录制发电机空载及短路特性曲线、测量绕交流阻抗等方法。前两种方法灵敏度比较低，效果并不明显。而测量交流阻抗则是一种比较灵敏的方法，当绕组中存在匝间短路时，在交流电压作用下流经短路线圈中的短路电流要比正常电流大许多，而该短路电流有强烈的去磁作用，即使在短路匝数很少时效果也十分明显。因此， 通过对转子绕组中每个磁极交流阻抗值的相互比较，或与以前测量值相比较，即可以判断绕组是否存在匝间短路现象。
三、影响测量结果的因素
转子绕组磁极交流阻抗的测量结果受诸多因素的影响，主要因素如下：
１． 磁极是否挂装。
２． 磁极是否已连接。
３． 试验电压的高低。
４． 转子在定子膛内或膛外。
５． 定子与转子间气隙的大小。
６． 磁极加垫厚度的影响等。
只有将这些外部影响因素综合考虑，才能正确判断转子绕组测量结果是否正确，因为在上述不同条件下，所测得到的结果均不相同，相互差别也较大。同时，在测量时还应注意以下几点：
1． 试验用电压应为线电压，以防止相电压中谐波分量的影响。
2． 试验电压应尽量接近额定电压，但不能超过其额定电压。
3． 若用指针式电流表直接串于一次回路中时，有时电流难以加入，可将此电流表换为一测量用CT，电流表改接于CT二次侧。
4． 转子在定子膛内测量时，在定子绕组中会感应电压，应将定子绕组与外部回路可靠断开。
四、 实例分析
下面以湖北清江高坝洲水电站3#机转子为例，来具体说明各种因素的影响及造成不同结果的原因。该转子直径为8.8m,绕组有48个磁极，每个磁极由32匝组成，转子绕组的额定励磁电压为325V，额定励磁电流为1130A。
1． 磁极挂装前与挂装后
尽管单个磁极的交流阻抗在挂装前，按照国标规定在交接试验时不需进行了交流阻抗的测量，但为了检验其在出厂或在运输中是否已造成匝间短路，还是需要对其进行检测。所测值见表〈一〉所示。（以下各表均以较典型的14个磁极为例 ）
表〈一〉 单个磁极挂装前交流阻抗
Table (1) AC impedance measure of single pole before installed
磁极号
交流阻抗 （Ω）
磁极号
交流阻抗 （Ω）
02
0．89
24
0．89
05
0．89
26
0．90
08
0．91
28
0．91
13
0．90
33
0．90
15
0．91
38
0．92
19
0．88
42
0．88
22
0．89
48
0．90
而磁极在挂装后相互连接前，再次进行交流阻抗的测量，所测单个磁极交流阻抗如表〈二〉所示：
表〈二〉磁极挂装后连接前，单个磁极交流阻抗
Table (2) AC impedance measure of single pole without connection
after installed
磁极号
交流阻抗 （Ω）
磁极号
交流阻抗 （Ω）
02
1．69
24
1．69
05
1．68
26
1．70
08
1．71
28
1．68
13
1．70
33
1．67
15
1．71
*38
1．01
19
1．71
42
1．71
22
1．70
48
1．70
由表〈一〉及表〈二〉所测结果可知：在磁极未挂装时，所测交流阻抗平均值Z1为0.898Ω,而挂装后磁极交流阻抗平均值Z2为1.696Ω(不包含38号磁极)。这是由于磁极在挂装后绕组之间存在漏磁通通过转子磁轭形成相互的匝链，增大了每个磁极的交流阻抗。
单个磁极的漏磁通阻抗Z0约为：
Z0=( Z2- Z1)/2 - - - - - - - (2)
Z0 =(1.696-0.898）/2 =0.399Ω
但是，38号磁极的交流阻抗却只有1.01Ω,与平均阻抗相差达到40.4%，将该磁极拔出后再次测其交流阻抗，仅为0.4Ω。仔细检查磁极绕组各层间绝缘，发现有几处焊碴烧熔于磁极绕组部分，正好位于层间绝缘上，将绝缘体烧熔而造成了匝间短路。分析可能是由于在磁极挂装后，施工人员在转子上进行焊接作业时，焊碴蹦入磁极绕组上所致。将该磁极修复完毕后，未挂装前测得Z=0.91Ω,挂装后测得Z=1.71Ω，与其它磁极阻抗值没有明显差别。
磁极全部连接及清扫完毕后，所测交流阻抗值见表〈三〉所示：
表〈三〉磁极挂装并连接后，单个磁极交流阻抗
Table (3) AC impedance measure single pole after installed
and connected
磁极号
交流阻抗 （Ω）
磁极号
交流阻抗 （Ω）
02
2．53
24
2．52
05
2．51
26
2．53
08
2．54
28
2．52
13
2．52
33
2．52
15
2．52
38
2．51
19
2．51
42
2．53
22
2．51
48
2．52
由表〈三〉所示，磁极连接后的阻抗比来连接时阻抗有所增加,平均值Z3为2.521Ω。这是由于磁极连接后，相互之间除了漏磁通外，还存在相互匝链的磁通阻抗Zφ ，单个磁极的匝链磁通阻抗Zφ约为：
Zφ =( Z3- Z2)/2 - - - - - - (3)
Zφ =(2.521-1.705）/2 =0.408Ω
当然，Zφ应受所加电流的影响，即电流越大，Zφ也越大，交流阻抗也随之增加。同时，如果我们所加的电压方式不一样，即假设电压加在2#-22#磁极之间，则2#磁极和22#磁极的交流阻抗值与其它相比要小0.408Ω左右。这是因为这两个磁极仅受3#或21#单个磁极匝链磁通的影响，而其它的均受两个磁极匝链磁通影响，所以测得值要小。
2． 定子膛内与膛外的影响
转子处于定子膛内时，磁阻比在膛外时小，因此其阻抗较膛外时大，同时还受定、转子间气隙大小的影响。转子处于定子膛内时所测交流阻抗如表〈四〉所示：
表〈四〉转子处于定子膛内时，单个磁极交流阻抗
Table (4) AC impedance measure of single pole after rotor is put into stator
磁极号
气隙（mm）
交流阻抗 （Ω）
磁极号
气隙（mm）
交流阻抗 （Ω）
02
20．9
3．89
24
19．1
4．01
05
20．5
3．95
26
18．2
4．10
08
20．0
3．93
28
18．1
4．10
13
21．8
3．77
33
19．5
3．97
15
22．3
3．76
38
21．3
3．82
19
21．4
3．95
42
21．7
3．78
22
19．6
3．99
48
21．7
3．79
由上表可知，在同一电流下，定、转子之间空气隙的大小也直接影响交流阻抗的大小，气隙越大则磁极交流阻抗越小，且处于膛内时Z值均大于膛外时的Z值。
3． 转子磁极加垫的影响
由于高坝洲电站3#机组转子圆度存在问题，机组启动并建压后机组振动严重超标，加配重也末能解决。所以机组启动委员会研究决定将转子重新吊出彻底检查。经与东方电机厂商讨后，决定调整转子圆度。在有些磁极后根据情况加垫不同厚度的普通钢片,将普通钢片分为三片均匀垫于磁极与转子本体之间。而有些磁极,则需将磁轭表面磨掉一定的厚度。全部处理完毕且磁极全部挂装后，相互未连接时，对单个磁极测量交流阻抗重新测量，测量结果见表〈五〉：
由于加垫了普通钢片，增加了转子表面的涡流去磁效应,即阻尼作用增强，使交流阻抗降低。由表〈五〉基本上可得出：加垫磁极阻抗比未加垫磁极阻抗均偏小，且加垫厚度越大，则阻抗越小。阻抗最大偏差为27.2%。
表〈五〉磁极加垫挂装后，末连接时单个磁极交流阻抗
Table (5) AC impedance measure of single pole without connection
after installed and added mat
磁极号
加垫厚度（mm）
交流阻抗 （Ω）
磁极号
加垫厚度（mm）
交流阻抗 （Ω）
02
1．0
2．84
24
-0．5
3．39
05
1．5
2．56
26
-0．5
3．40
08
1．5
2．52
28
-1．0
3．44
13
1．5
2．63
33
0．0
3．43
15
0．5
3．20
38
0．0
3．40
19
0．0
3．46
42
1．0
2．72
22
0．0
3．45
48
1．0
2．84
　 其中“－”表示磨掉了一部分
将磁极全部连接后所测交流阻抗见表〈六〉
表〈六〉磁极加垫挂装并连接后，单个磁极交流阻抗
Table (6) AC impedance measure of single pole with connection
after installed and added mat
磁极号
加垫厚度（mm）
交流阻抗 （Ω）
磁极号
加垫厚度（mm）
交流阻抗 （Ω）
02
1．0
4．68
24
-0．5
5．78
05
1．5
4．13
26
-0．5
5．80
08
1．5
4．08
28
-1．0
5．87
13
1．5
4．25
33
0．0
5．86
15
0．5
5．39
38
0．0
5．79
19
0．0
5．92
42
1．0
4．43
22
0．0
5．89
48
1．0
4．67
由上表可知，变化趋势依然同表〈五〉中变化趋势相似，最大偏差为31.1%。因此可以判定转子绕组不存在匝间短路。
4．试验电压高低的影响
由于转子绕组是一个具有铁芯的电感线圈，等效电阻很小，电抗占主要部分。在测量交流阻抗时，绕组电流将随着电压的上升而增加，其磁场强度也相应增加，导致磁通密度增加，使线圈间相互匝链的磁通相应增大，阻抗随之增加。因此阻抗随电流的升高而增加。故比较交流阻抗值应与相同的电流下测量值相互进行比较。
五、 结束语
经过以上分析，我们已经认识到：尽管转子绕组交流阻抗测量方法很简单，但是影响转子绕组交流阻抗测量结果的因素却很多。其中有些是实际工作中较常遇到的,必须要引起高度注意；而有些则较少遇见，但也容易给人造成误解或导致错误的判断。因此，为了准确测量转子绕组的交流阻抗，以及根据测量值来正确判断转子绕组中是否存在匝间短路，必须要根据以上的各种情况加以分析和判断，而不能断章取义。只有这样，才能确保测量结果的准确性和判断的正确性。