发电机转子交流阻抗测试及测试仪选型知识

摘要：测量发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗是判断发电机转子绕组有无匝间短路的zui有效、灵敏和可靠的方法之一。文章介绍了转子绕组匝间短路的危害及特点，分析了目前发电机转子交流阻抗测试方法存在的问题，提出了交流阻抗测试仪选型要求，zui后给出了发电机转子绕组交流阻抗测试应注意的几个问题。
        关键词：发电机转子；交流阻抗；测试；选型
        1、引言
        随着电力生产的迅猛发展，电气设备变得更加精密和复杂，设备故障造成的经济损失和影响也越来越大。设备维修方式和监视方法更加受到关注。
        发电机的转子作为发电机组的重要组成部分之一，是转易出现故障的部位。发电机转子通常有多个励磁线圈、线圈引线、阻尼绕组，这些部件在设备运行过程中承受较大的电流及离心力，在超过部件极限强度的情况下，将导致大的事故发生。
        发电机转子在运行中，由于受机械力、温度、油污等因素的影响，再加上制造工艺、绝缘材料存在的问题，易发生转子匝间短路故障。据统计，电力系统中发电机转子绕组发生匝间短路所占的比重较大。匝间短路严重时，转子电流增大，影响机组出力，短路点处会产生局部高温，转子电流增大，绕组温度增高，限制发电机的无功出力，影响电能质量，烧坏绝缘和导体，甚至发展为接地故障或因磁场拉力不均而强烈震动，影响发电机正常运行。因此发电机转子绕组发生匝间短路就应立即查明原因并将其消除。
        2、转子绕组匝间短路的危害及特点
        大多数发电机都发生过或存在转子绕圈匝间短路的故障，由于其对机组正常运行影响不大或故障特征不明显，许多匝间短路故障都被忽略，但长期运行下去，匝间短路故障会导致转子线圈一点甚至多点接地。匝间短路发生的主要原因是①转子端部绕组匝间绝缘在运行中受热应力和机械离心力的综合作用下被损坏，造成匝间短路。②小的导电粒子或碎渣进入线圈端部及通风沟，转子通风孔被异物堵塞，造成通风冷却不良，匝间绝缘过热损坏，导致匝间短路。③由于制造或大修时工艺不良，转子绕组铜线或焊接处有毛刺，在运行中受各种力的作用刺破匝间绝缘引起匝间短路。④护环下转子各线圈间绝缘垫块松动，在运行中受各种力的综合作用，垫块在转子线圈边缘做反复运动，由于线圈侧面裸露，垫块反复运动产生的铜末导致匝间绝缘发热，长时间发热使绝缘层烧坏炭化，引起*性的匝间短路。
        匝间短路能引起转子热不平衡、转子漏磁场发生变化、定子绕组并联支路的环流及主轴轴承座的磁化，其影响程度多少取决于短路的程度及部位。当线圈发生匝间短路时，不同的接触电阻将使热损耗发生变化，接触电阻越小，短路损耗越大，当绕组有一半电流被旁路时，短路损耗将达线圈总损耗的四分之一，短路会导致绕组总损耗减小，转子平均温度降低，而故障点短路损耗增加导致局部温度升高，热膨胀在很小范围内发生，因而造成转子发生不同程度的弯曲，振动增加。转子线圈发生匝间短路故障时，会造成机组振动增大；励磁电流增大，振动幅值增大；在励磁电压不变的情况下，励磁电流增大。发电机转子绕组匝间短路是电力系统中常见的故障。当此类故障发生时，转子电流增大，绕组温度升高，限制发电机的出力，严重时会影响发电机的正常运行。
        因此及早发现发电机转子匝间短路对发电机安全运行有着重要意义。
        3、发电机转子交流阻抗测试方法
        测量发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗是判断发电机转子绕组有无匝间短路的zui有效、灵敏和可靠的方法之一。
        发电机转子绕组交流阻抗测试时发电机在交接试验、预防性试验以及转子故障判断中必做的一个常规试验项目，国家标准GB 50150-2006《电气装置安装工程，电气设备交接试验标准》、DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》以及原国家电力公司公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中均有明确规定。目前，测量发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗，传统的测量方法是采用多个测量仪器仪表（如隔离变压器、调压器、电压表、电流表、功率表以及电流互感器等），在现场组装后进行测量。试验主要靠人工同时操作读表以及用对讲机，一般需要4人以上完成本试验，费时费力，读表精度差，有时还需返工。这种需要很多种测量仪器组建测量系统的方法存在试验设备笨重、整理数据繁琐、测量准确度不高且不安全等缺点。该试验一般在发电机启动阶段进行，为了节约锅炉燃油消耗，工期较紧张；更为突出的问题是由于受汽轮机两个临界转速的限制，发电机在升速过程中对交流阻抗测试不同转速的要求无法满足，有时只能测量几个点，这样，给试验造成很大压力。 
        4、发电机转子交流阻抗测试仪
        随着计算机测试技术的飞速发展，数字电路和数字信号处理技术大量应用于电力工业，新的微处理器和算法不断涌现，一种全新的智能测量装置——发电机转子交流阻抗测试仪应用而生，给广大电气试验人员提供了一种轻便、快捷、简单、安全的测试仪器。可完成电压、电流、功率、转速的测试以及交流阻抗的分析运算，采用单片微处理技术，全屏给出所有参数值，可在不同的转速下连续测量，并可进行打印。且为便携式设计，计算机数据分析、运算，一人操作即可进行，可大为缓解现场人员压力，同时，测量精度得到提高。同时，利用该仪器也可兼做电力变压器单相短路和空载特性试验以及电压互感器、电流互感器的伏安特性试验。
        5、交流阻抗测试仪选型要求
        发电机转子交流阻抗测试仪是现场使用频率较高的一种试验装置。由于目前发电机数量急增，新老机组维护需求必然加大，目前，此类仪器市场广大。产品主要用于检查发电机转子绕组有无静态及动态匝间短路缺陷，同时应具有如下功能特点：
       （1）可迅速测量各种同步发电机转子的静态、动态交流阻抗；
       （2）可做电力变压器的单相短路和空载特性试验；
       （3）可测量电压互感器、电流互感器、消弧线圈的伏安特性；
       （4）同步测量并显示交流电压、交流电流、交流阻抗、有功功率、转子转速、频率；
       （5）可选择自动测量和手动测量两种方式；
       （6）具有不同电压下交流阻抗~转子转速曲线实时绘制功能，实时显示测试数据和曲线，曲线坐标自动缩放，便于清晰读图；
       （7）具有存储和打印功能；
       （8）可与PC机联机实现数据下载和编辑测试报告；
       （9）全汉字菜单提示，简单直观、操作方便；
      （10）过压、过流保护；
      （11）不掉电日历，始终功能。
        6、参考技术指标
        交流阻抗测试仪的工作原理一般以交流欧姆定律Z=U/I为基础，采用V/A法接线，在单片机控制下由高速A/D转换器和电参数采集模块对电路中电流、电压、功率、转子转速等参数进行同步采样，并自动进行运算求出Z值。仪器精度一般为0.2/0.5级即可满足现场试验要求，相关参考技术指标如下：
        交流阻抗：0~99.99Ω
        交流电压：0~600V
        交流电流：0~120A
        有功功率 ：0~50kW 
        转速：0~4000rpm
        频率：45~55Hz
        仪器工作电源：交流220V±10%
         7、发电机转子绕组交流阻抗测试应注意的几个问题
      （1）转子交流阻抗试验是检查转子线圈有无匝间短路故障的一种常规有效的方法，由于发电机转子属重大电气设备，所以在试验方法上，对转子交流阻抗测试有着严格的要求，当转子冷却方式为水冷，转子存在一点接地故障以及在测量0~3000转/min下动态交流阻抗时，为避免在试验过程中转子才故意出现接地故障而烧坏线圈及铁芯，必须采用隔离调压方式。
     （2）测量交流阻抗应在相同条件和相同电压下进行。当转子存在匝间短路时，交流阻抗就会下降，在同一电流下外施电压必然降低。这样一来，交流损耗一方面会因为匝间短路而增加，另一方面又会随着电压的降低而降低，两方面的因素影响结果使得交流损耗可能增加也可能减小，这一不确定性会给判断造成困难。
     （3）转子电流是触发匝间短路的因素之一。一般在常规转子试验中仅能做静态、动态交流阻抗试验。而转子绕组匝间短路故障有时在静态、动态下不一定出现，而是在转子电流增大时才开始出现。转子电流的出现会产生电磁力和热膨胀两种效应。这两种效应都会对转子绕组产生挤压作用。匝间短路出现时，与旋转时的离心力、转子电流产生的电磁力和热膨胀力都可能有关。一般情况下，转子的交流阻抗会随着转速的增加有所降低。当存在动态匝间短路现象时，交流阻抗会发生突变。
     （4）转子单个磁极线圈的交流阻抗值小于平均阻抗值时，应进一步清扫后作转子交流阻抗试验，如清扫后测量值比清扫前无明显改善，可认为线圈内部存在匝间短路故障，应找出故障部位，进行修理。
     （5）试验时施加电压的峰值不应超过额定励磁电压值。