基于发电机运行数据分析在绕组匝间短路故障的应用

基于发电机运行数据分析在绕组匝间短
路故障的应用
摘要：发电机在运行中由于运行状态、运行环境等原因经常会出现诸多故障，常见的故障就包括例子绕组匝间短路的故障，发电机出现这种故障时会导致转子
励磁的无功输出减小，电流增加，当故障出现时如不立即采取措施可能就会引出
一些安全事故，从而影响发电机的正常运行。

所以在发电机运行过程中对发电机
励磁参数进行实时监测，在出现数据异常时能第一时间报警，发现故障点十分重要。

此文章通过发电机的震动以及参数，找出匝间短路故障的参数变化，对不良
的设备正在发生劣化的迹象达到一个提前的预警，预知诊断发电机的隐患，减少
设备重大事故的发生。

关键词：发电机励磁绕组故障在线检测分析
引言
随着我国经济发展的提升，对于电力的需求正在不断加大，强大的需求促进
发电行业发展，现代社会使用的电能为交流电能，是由同步发电机生产出的，而
在同步发电机使用的过程中由于种种原因会出现励磁绕组匝间短路，这一故障的
出现会影响电力系统的安全和稳定，因此，对同步发电机进行保护以及实时数据
监测是必不可少的。

一、发电机励磁系统的定义与作用
1.定义
所谓发电机励磁系统就是同步发电机在运行时，给发电机提供励磁电源与相
应的一系列配套设备的综合系统称之为励磁系统。

1.作用
1.根据发电机运行负荷的实时变化，弥补定子与转子的去磁效应或者
增磁效应确保电压保持恒定值；
2.控制并列运行发电机无功功率分配，并联运行时除了提供无功功率
确保相同的有差调节，确保发电机不会产生过大的电流；
3.提高发电机静态与动态的稳定性；
二、研究背景
我厂有卡特G3520C燃气发电机组多台，目前已运行数万小时，发电机组的
安全以及稳定直接影响厂里的发电效益，由于其具有一定的复杂性，并且其运行
环境比较恶劣，再加上使用年限在不断的增加，就会增加故障发生的概率，例如
励磁绕组匝间短路这一故障。

轻微的励磁绕组匝间短路不会严重影响同步发电机的正常运行，但是如果长
此以往就会增加短路的匝数，进而导致故障进一步加深。

另外励磁绕组匝间短路
点的温度还会升高，会导致转子铁芯受到破坏。

由此可见，励磁绕组匝间短路会
带来多方面的影响，通过对电机运行过程中的参数进行监控和分析，能够及时的
发现正在处于萌芽期的故障，对这些故障进行及时的检修，避免更多故障的出现，确保电力系统的安全运行。

通过建立故障模式与相应功能故障间的关系，对故障
进行深入分析，才能辨别出并消除慢性故障，并采取适当的预防措施，否则有些
故障难于预防。

[1]
附图：发电机转子匝间故障诊断系统
三、发电机运行数据的收集
（一）监测量
发电机的主要检测参数如下：
A.震动
B.励磁电压和电流
C.绕组和轴承温度
D.发电功率、无功功率
监测励磁绕组匝间短路故障时有官方的监测公式，相关研究标明，不同次数
的定子电流谐波存在不同，一般如果在5次以上则定子电流谐波较小。

（二）报警值
通过在线实时监测能够及时的发现处于早期阶段的故障，及时的发现参数的
异常，最终实现报警。

所以应该设置相关的报警值，为确保报警值的可靠性，应
该将报警值设置在大于实际正常运行时监测量的最大可能值。

1.震动，一般来讲发电机组振动主要由以下原因及设置：
1、转动部分不平衡、一般发生在25HZ频率时，震动体现最大。

2、电磁方面的原因引起的，电磁方面一般发生在50HZ时，震动体现最大
3、报警设置为±5HZ。

B.励磁电压和电流，在发电机运行过程中，一般情况下励磁电压和电流与发
电机功率大小之间存在一定比例的关系。

另外不同的运行工况有不同的励磁参数，以G3520C机组满载为例：励磁电压为33.11V,报警值为±5%，励磁电流为7.3A，报警值为±5%。

C.绕组和轴承温度，在发电机运行过程中，一般正常情况下情况下绕组温度
为130℃，轴承温度为85℃，报警值为±5%。

D.以G3520C为例，满载发电功率为2000Kwh，无功功率为1400Kwh，报警值为±5%。

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励磁绕组匝间短路故障发生后会导致转子励磁的输出无功减小，电流增加。

在发电机运行过程中，一般情况下励磁电流与电机固有的不平衡电流的大小之间存在正比例的关系。

另外不同的运行工况有相同的固有不平衡电流周期，均为160ms。

（三）对小匝比励磁绕组匝间短路故障的灵敏性分析
在进行实时监测之前对电动机固有的不平衡电流进行了测量，监测量以及报警值都根据相关的公式进行计算，现阶段在线监测装置的精度不够，所以在一些大型的发电机上还很难实施。

所以有必要在励磁电流和震动频率上进行检测。

四、改进发电电动机在线监测灵敏方案
A.通过本次研究发现，励磁绕组匝间短路故障在发电动机引起的震动谐波分量的含量最高的次数有，1 ／ 4 次以及1／ 2次和3 ／ 4次，另外，发电机的绕组温度和震动频率有着非常显著的关联特点，在制定相关的监测方案的时候要结合实际情况，我们将有效值最大的分数次谐波提取出来。

通过运用这种方案进行实时监测能够判断出发电电动机小匝数励磁绕组匝间短路故障，是由于采用数据联动预警的机制，能够有效提高预警精度，保证设备的运行的安全性。

B.通过观察发现，发电电动机正常运行时的中性点固有1/2分数次谐波分量较励磁绕组发生匝比为1% 的匝间短路故障而言，有更大的分量计算值，这就导致在提取中性点不平衡电流过程中，提取不同的谐波，对于反应发电电动机1% 及以下匝比的小匝数励磁绕组匝间短路故障都存在一定的难度，发电电动机固有不平衡电流的大小会影响监测的灵敏性，这也是这种监测方式存在的局限。

C. 通过检测励磁电流、发电机的震动频率，可以预判励磁绕组匝间短路故障，同时对机组运行绕组温度的影响因素进行分析，结合发电机各参数联动的具体特点，能够总结出关于提升监发电机匝间短路的预防性的预测方案，可以在实际的在线监测过程中运用。

五．发电机组振动故障形成原因
1.转动部分不平衡
主要原因是由转子、减膜套、联轴器队中不平衡的运行状态引起的。

处理方法为
A,拆卸检查转子进行动平衡实验，
B、采用专业的对中设备进行联轴器对中平衡的检查及调整。

2.电气部分的故障
主要包括发电机组定子接线不牢，同步发电机组励绕组匝间短路，同步发电机组励磁线圈联接虚接，电动机转子断条造成定、转子气隙不均，绕组温度升高导致绝缘破坏，导致匝间热短路。

附图：电路模型
附：机械原理图
六．电机绕组匝间短路处理方法
励磁绕组匝间绕组发生短路时通常会表现为励磁电流持续升高，发电机震动异常，如不及时处理电机绕组发生短路时会产生强大的电流从而使线圈迅速发热而烧毁，造成重大的设备安全事故等。

在发生短路预警时，我们可以通过以下的方法进行处理：
1、停机吹扫法
是利用高压气体，吹扫发电机绕组的灰尘及脏污，以保证电机的冷却通风。

2、补漆法
即工作人员观察一下绕组的端部、线槽里面的绝缘是否有损坏或烧焦、是否有异味，视情况进行补漆或置换处理。

3、万用表或兆欧表检查法
即用万用表或者兆欧表测试任意两相绕组间的绝缘电阻，读数极少或为零，则存在相间短路。

4、电桥测试法
这是一个相当简单的办法，就是用电桥表测试，若相间阻值差值在10%以内。

绕组可做相应的处理，如相间阻值差值大于10%，则应的更换绕组措施进行处理。

附：ros转子匝间测试设备图
七．发电机实际管理注意事项
1.发电机无功功率的调节
这是在机组运行中经常遇到的问题，问题的表面想象是如发现发电机运行时
观察功率表功率分配是均匀的但是观察电流表相差过大，电流表测量的是实际功率，是包括无功成分的，这说明无功分配不均匀，无功不均分会造成发电机支架
内有环流出现、发电机过热等现象发生，甚至会造成并网运行失败。

2.发电机的日常检查
在机组正常运行过程中，需要依托技术、科学监测、精细管理。

2.1运行期间观察发电机进出口温度日常使用时的变化（观察是应依据环境
温度、发电机负载情况判断）
2.2 发电机轴承的冷却与润滑情况，注意油质油位的变化，油位均不可过高
或过低。

换油后发电机运行时应专人观察一段时间，防止漏油烧毁发电机轴承的
出现（实际有发生）。

2.3 发电机的绝缘测量和检查
实际使用中，对发电机测量绝缘是一定要脱开发电机励磁系统中的AVR装置，否则绝缘测量会使AVR损坏，且不可盲目进行绝缘测量。

[3]
2.4发电机内部应定期进行检查
包括使用干燥的压缩空气对发电机内部进行清吹，检查是否有油污附着，测
量定转子间隙并记录和对比，对发电机顶部接线箱定期打开检查，观察发电机接
线是否有断裂、松动和磨损迹象，这是大型发电机经常会出现的，振动大导致断线、磨损时有发生，应持续定期检查，不可大意）
附：发电机内部剖析图
八．结语
发电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测是一个庞大而又复杂又具有科学性
的一项工作，最为困难的环节就是根据理论分析结果来进行具体实践监测时的理
论向实践的转化过程，但是做好对故障磁极位置进行定位，并且进行深入的研究
非常重要。

在研究的过程中，要对发电电动机内部的精度以及速度进行精确而科
学的计算，并逐渐构建励磁绕组匝间短路故障的场路结合数学模型，能够在此基
础上对分数次和偶数次定子固有不平衡电流含量较大的发电机制定出合理的在线
监测方案非常重要。

另外还要分析励磁绕组匝间短路故障的具体特征，以便对不同的监测对象制定出更加合理的、针对性的监测方案。

附：在线监测设计原理图。