旋转电机的结构原理及常见绝缘故障分析

旋转电机的结构原理及常见绝缘故障分析主要内容：一、旋转电机的结构原理（以三相交流同步发电机为例）二、旋转电机绕组（以我厂三相交流同步发电机定子绕组为例）三、旋转电机的绝缘老化诊断四、旋转电机常见绝缘故障分析五、典型绝缘故障实例分析一、旋转电机的结构原理（以三相交流同步发电机为例）旋转电机的分类直流电机交流电机同步电机异步电机交流电机绕组的形式直流发电机直流电动机同步发电机同步电动机单相同步发电机三相同步发电机现以三相同步发电机为例讲述旋转电机的结构原理同步发电机工作原理：利用磁场与导体之间的相对运动而使导体感应产生电动势发出电能。在定子铁心的槽内放置导线，导线按一定规律联成绕组；转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就会产生磁场。转动转子，则磁场与定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出交流电势。对称是指各相绕组的匝数相三相交流同步电机的结构模型绕组a-x、b-y、c-z等，空间位置彼此相距120°转子绕组通以直流电流定子上嵌放有对称的三相形成分布磁场匝链定子上的各相绕组设磁场在气隙中按正弦分布设转子以恒定速度旋转定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化，其感应电势按正弦规律变化。由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120°，从而三相电势时间相位差120°。电势波形：二、旋转电机绕组（以我厂三相交流同步发电机定子绕组为例）交流电机绕组单层绕组双层绕组同心式绕组链式绕组交叉式绕组等元件式绕组双层叠绕组双层波绕组交流电机绕组的形式什么是叠绕组？什么是波绕组？有何特点？叠绕组是任何两个相邻的线圈都是后一个线圈叠在前一线圈的上面。在制造上,这种绕组的一个线圈多为一次制造成,这种形式的线圈也称为框式绕组。这种绕组的优点是短矩时节省端部用铜,也便于得到较多的并联支路。其缺点是端部的接线较长,在多极的大电机中这些连接线较多,不便布置且用量也很大,故多用于中小型电机。波绕组是任何两个串联线圈沿绕制方向像波浪似的前进。在制造上,这种绕组的一个线圈多由两根条式线棒组合而成,故也为棒形绕组。在现场,波绕组的元件直接称呼为“线棒”。其优点是线圈组之间的连接线少,故多用于大型水轮发电机（也用于绕线式异步电动机的转子绕组）。我厂发电机定子绕组采用的形式：星型双层波绕组为什么？答：（1）发电机星型接线是为了消除三次谐波，而实际是并不是星型接线真的能把三次谐波消除了，而是使三次谐波的电动势互相抵消，而角型接线会使三次谐波叠加，产生较大的环流。（2）波绕组的线圈组之间的连接线少,对多极、支路导线截面积较大的交流电机，为节约极间连线用铜，常采用波绕组，故多用于大型水轮发电机。发电机定子绕组的主绝缘：（1）指的是发电机线棒的绝缘。（2）组成发电机线棒的各根股线（自带绝缘层的导线）经过编制、换位和胶化成型后，然后整体连续包绕绝缘层，以某种工艺固化成型。这个绝缘层就是发电机定子绕组的主绝缘。定子线棒局部剖析图线棒的绝缘工艺：1、定子绕组形式：采用双层条式波绕组，Y形连接。2、主绝缘材料：F级环氧粉云母绝缘材料（性能远高于沥青云母绝缘，耐电强度高，介电损失小，耐电热老化时间长，机械弯曲振动性能好等）。3、固化工艺：采用全模压一次成型工艺。（线棒连续包绕多胶云母带完成后，采用真空干燥除去绝缘层和云母带中的空气、挥发成分。再置于模具中加热、加压，使云母带中多余的树脂流动，填充绝缘层中的空隙，树脂固化后，绝缘层中基本无空隙。此种方法可以将防晕层与主绝缘同时包扎后一起固化，使得防晕层与主绝缘黏接为无气隙的整体，有效提高防晕效果。）4、防电晕措施：定子线圈包绕的外层保护采用玻璃丝带，槽内部分采用良好的半导体混合物作电晕保护层并一次成型，在1.5倍额定线电压下，定子单个线棒不产生电晕。5、线棒股线为软铜，由于线棒采用模压成型及定子铁芯叠装技术的提高，线棒和槽形尺寸非常规整，致使线棒半导体涂层与铁芯槽壁的接触间隙很小，对局部的间隙采用半导体垫条楔紧。6、为保证运行时线圈不松动，槽口和端部采用了适形材料和新的绑扎结构及无磁性高强度钢端箍，以防止发电机在承受最严重短路情况下所产生的应力引起的振动和变形。7、为了减小定子条形波绕组由于端部漏磁场而引起的附加损耗，定子线圈中部有216mm空换位的结构，实践证明：这是降低损耗降低绕组股线温差的有效方法。三、旋转电机的绝缘老化1、电机绝缘劣化因素及产生的劣化征象

劣化因子表现形式劣化征象热连续挥发、枯缩、化学变质、机械强度降低、散热性能变差冷热循环离层、龟裂、变形电运行电压局部放电腐蚀、表面漏电灼痕冲击电压树枝状放电机械力振动磨损冲击离层、龟裂弯曲离层、龟裂环境吸湿泄漏电流增大、形成表面漏电通道和炭化灼痕结露浸水导电物质污损油、药品污损浸蚀和化学变质2、电机绝缘劣化过程3、绝缘诊断4、绝缘诊断的程序

5、大型电机定子绕组绝缘诊断性试验项目目前对新机和在役机组普遍采用的诊断性试验主要包括：绝缘电阻及极化指数直流耐压及泄漏电流试验交流耐压试验介损增量试验局部放电测量另外还有手包绝缘表面对地电位试验、槽放电试验、紫外光检测电晕试验等四、旋转电机常见绝缘故障分析1、发电机转子接地故障：发电机正常运行时，励磁回路之间有一定的绝缘电阻和分布电容，它们的大小与发电机转子的结构、冷却方式等因素有关。当转子绝缘损坏时，就可能引起励磁回路接地故障，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。发生一点接地后，无电流流过故障点，不形成电流通路，无电流流过故障点，励磁电流仍保持正常，对发电机并无直接危害，但转子绕组对地已产生电压，当系统发生各种扰动时，电压可能出现较大值，极易造成另外一点接地，从而形成两点接地短路，即发生两点接地故障时会形成部分线圈短路，这是一种非常严重的短路事故。转子绕组两点接地后果：⑴转子绕组的一部分短路，另一部分绕组的电流增加，转子磁场发生畸变，力矩不平衡，这就破坏了发电机气隙磁场的对称性，引起发电机的剧烈振动，同时无功出力降低。⑵故障点流过很大的短路电流，接地电弧将烧坏励磁绕组和转子本体。

接地电流有时还造成转子和水轮机叶片等部件被磁化。⑶转子本体局部通过转子电流，引起局部发热，使转子发生缓慢变形，而造成偏心加剧机体震动。转子接地故障原因分析：1、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。2、接地碳刷与刷握之间配合过紧，造成接地碳刷磨损，一段时间后与转子大轴接触不良。3、转子大轴上的油管的泄漏点，造成大轴的污染及对绝缘层的破坏，引起接触电阻值的变化。4、由于长时间的运转，空气中的灰尘及其它污垢会积附在绕组上面。5、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。转子发生一点接地以后,对发电机有什么影响?怎样检查处理?运行中,转子发生一点接地以后,并不会构成电流通路,励磁绕组两端的电压可以保持正常,因此发电机可继续运行。但这时候加在励磁绕组对地绝缘上的电压会有所增加,有可能发生转子回路的第二点接地,这是不允许的。因此,转子一点接地以后要对机组检查处理：1、对发电机的励磁部分及发电机转子部分的绝缘检查，并对二次回路绝缘全面检查,保护继电器复核校验等，确认接地报警的正确性。2、对接地碳刷与刷握之间进行检查，检查是否配合过紧，造成接地碳刷磨损一段时间后与转子大轴接触不良，碳刷有无放电火花产生。3、对转子大轴上的油回路检查，检查是否有油污对大轴的污染及对绝缘层的破坏，使接触电阻变化，造成爬电现象。检查转子绕组接地点的试验方法：可以分为稳定性接地试验法和不稳定性接地试验法。1、稳定性接地试验法（1）直流压降法采用直流压降法能够确定接地点的接地电阻值，及接地点在转了绕阻中距滑环的电气距离，其试验接线如图所示：

（2）直流电阻比较法用直流电阻比较法检查转子接地点，其原理与直流压降法基本一样，试验接线如图所示，先用双臂电桥测量，得到值后，即可计算出：

（3）直流测量故障点的轴向位置用测量接地点距滑环的距离来计算绕组长度，确定接地点的位置，有时误差较大。而用大电流法直接查找接地点的轴向位置比较准确，在转子本体两端通以较大直流电流(视机组容量施加数百或更大电流)，其试验接线如图所示：在转子本体3两端轴用抱箍压紧，通入较大的直流电流，电流越大，其灵敏度越高。此时，沿转子轴长度的电位分布，如图中曲线4所示，而与转子轴绝缘的滑环（1、2）和绕组ZQ，其电位与接地点的电位相同，如图中的直线5所示。所以，在测量时只需将检流计P的一端接滑环1，另一端接探针b，并将探针沿转子本体轴向移动，监视着检流计的指示，当移动到检流计的指示值为零(或接近于零)时，该处即为绕组接地点K所在断面的轴向位置。2、不稳定性接地试验方法（1）转子线圈的接地随温度而变化对于这种随温度而变化的小稳定接地，可将转子线圈通入较大的直流电流，在热状态（发生接地的温度)下，采用直流降压法测量接地电阻，根据接地电阻的大小再用稳定性接地的试验方法查找。（2）低转速时接地转子线圈在低转速或静止时接地，可将机组运行在该转速下用直流降压法测量接地电阻，再根据接地电阻的大小，采用稳定性接地的试验方法进行查找。（3）转子线圈的接地随温度和转速而变化对于这种随温度和转速而变化的不稳定性接地，可将转子线圈在转动下加温用直流降压法并测量接地电阻，在接地转速和温度下，可加交流电流烧穿，但施加的电压不应超过转子绕组的额定电压，电流不应超过15A。相线接在两个滑环上，地线接在大轴上，接线应牢固紧密，用此法找出接地点。如果还不能将不稳定性接地变成稳定性接地，就应在接地状态下用直流压降法测量出相关数据，计算出接地点到滑环的电气距离，进行分析找出接地点。2、发电机定子绕组接地故障分析：发电机定子绕组接地在以前黑绝缘（沥青云母绝缘）的发电机组中屡有发生，其中以制造上的原因居多。在B级绝缘以上的发电机中，其出现的几率已很少了。发电机定子绕组接地后，可能烧毁定子线圈、定子铁芯。发电机定子绕组在运行和试验中发生接地后必须找出接地点并设法消除。发电机定子绕组绝缘击穿点可能在上层线圈，也可能在下层线圈；可能在端部，也可能在槽部。定子绕组端部接地点故障容易寻找，但定子绕组槽部接地故障，特别在下层故障时不容易寻找。若全部打掉槽楔寻找，则工作量太大。查找绝缘故障，应首先解开每相绕组出口的连接，按每个支路检查。采用绝缘电阻表，万用表等先确定是金属性的还是绝缘性的故障。如果问题出在线棒端部，则基本上凭目测可以发现故障。如果故障出在直线段即铁芯槽内，则目测很难发现。由于大型发电机绕组分支直流电阻很小，即使是金属型接地，采用直流电阻比较法也无法判断。目前检查这类故障缺少先进的测试定位仪器。必须通过其它的一些试验手段来寻找接地点。发电机定子绕组接地故障的寻找有直流加压法、交流加压法、分割法、电桥法和开口变压器法。（1）直流加压法：直流加压法是对故障相和地之间加压，观察定子绕组是否有放电声和火花或轻微烟缕，这种方法仅适用于接地电阻接近于零且接地部位在定子端部的情况。其原理是使线棒上承受直流电压，当故障点首先击穿时，根据放电处的声音和火花判断具体的故障槽。因此，宜在晚上关灭照明后进行，便于观察火花。在确定故障分支后，此时应对照绕组方块图，确定该故障线棒所在分支在发电机内的分区部位，以便有的放矢地观察。加压检查时，升压速度可比耐压试验稍快。（2）交流加压法:有的故障线棒虽已出现绝缘故障，但仍然有较高的阻值，因此用直流加压的方法可能难以查出，因此采用交流加压法，加入较高的电压使故障点绝缘电阻进一步降低，便于查找。（3）分割法分割法是将有接地故障的相从并头套处分割成两半，用摇表检测每一半的绝缘电阻，绝缘电阻较低的一半即为有接地故障，再将有接地故障的一半绕组分割成两半，依次类推，直到检测出接地故障为止。该方法的缺点是要将定子绕组从并头套处解开，会耽误工期，甚至工期往往不允许，且不能准确确定接地故障位置。（4）直流电桥法直流电桥法测量发电机定子绕组接地故障的原理如右图所示。电桥两臂R1为可变电阻，R2固定电阻，电桥另两臂由故障相故障点两侧的定子线圈电阻构成，外施直流电源。直流电桥法接线原理图

（5）开口变压器法该方法是在发电机接地相，对地施加交流电压，用单开口变压器跨接在定子槽上，通过测量单开口变压器线圈感应电势的变化来判断接地点。单开口变压器测试的布置如右图所示：在开口变压器上绕制线圈，当定子线圈中通以交流电流时，便会在定子铁芯中产生磁通，该磁通经槽齿、铁轭和空气隙闭合，因为空气隙的磁阻较大，故该磁通较小。但当开口变压器置于定子铁芯槽齿上构成闭合回路时，流经槽齿、铁轭和开口变压器闭合的磁通就较大。该磁通在开口变压器线圈上便感应电势，该电势大小与定子绕组中通过的电流密切相关。当定子绕组未发生接地时，开口变压器在定子线槽上沿轴向移动时，同槽的感应电势应基本一致。当线槽中线圈存在接地点时，同一槽中的上下层线圈总电流在接地点处将发生突变，闭合回路的磁通亦发生相应变化，从而引起开口变压器线圈上的感应电势亦发生变化。用该方法逐槽检查，便可确定定子绕组接地点位置。此外还有加大电流的所谓"电流烧穿法"，这对大型发电机来说并不可取，因为局部电流可能使线槽局部铁芯造成损伤，很难处理，使问题变得更大。3、定子绕组绝缘击穿故障原因：（1）定子绕组受潮。对于长期停用或经较长时间检修的发电机、投入运行前应测量绝缘电阻，不合格者不准投入运行。受潮发电机要进行烘干处理。（2）绕组本身缺陷或检修工艺不当，造成绕组绝缘击穿或机械损伤。应按规定的绝缘等级选择绝缘材料，嵌装绕组及浸漆干燥等要严格按工艺要求进行。（3）绕组过热。绝缘过热后会使绝缘性能降低，有时在高温下会很快造成绝缘击穿。应加强日常的巡视检查，防止发电机各部分发生过热而损坏绕组绝缘。（4）绝缘老化。一般发电机运行15~20年以上，其绕组绝缘老化，电气性能变化，甚至使绝缘击穿。要做好发电机的检修及预防性试验，若发现绝缘不合格，应及时更换有缺陷的绕组绝缘或更换绕组，以延长发电机的使用寿命。（5）发电机内部进入金属异物，在检修发电机后切勿将金属物件、零件或工具遗落到定子膛中；绑紧转子的绑扎线、紧固端部零件，以不致发生由于离心力作用而松脱。

（6）过电压击穿：1）误操作，如在空载时，将发电机电压升得过高。应严格按操作规程对发电机进行升压，防止误操作。2）发电机内部过电压，包括操作过电压、弧光接地过电压和谐振过电压等，应加强绕组绝缘预防性试验，及时发现和消除定子绕组绝缘中存在的缺陷。定子线棒出现绝缘故障，应怎样寻找出线棒故障点？4、定子铁芯故障：铁心损坏的两个主要因素：发电机定子铁芯除了因线圈绝缘问题和其他外部原因引起损坏外，就其本身而言，引起铁心故障主要有两个原因：(1)铁心片间绝缘损坏；(2)铁心压装松动。而这两个因素往往会同时出现，相互影响，最终导致事故。1）铁芯片间绝缘损坏：发电机定子铁芯叠片加工和安装质量不高，绝缘老化，长期的过压运行以及铁芯松动等许多原因均可能导致铁芯片间绝缘损坏。当片间绝缘损坏后，在铁芯上就形成了电流的闭合回路，这个电流产生的损耗与回路的有效电阻有关，可能达到很大的数值，产生很高的温度，甚至使铁芯熔化，危及定子绕组绝缘。2）铁心压装松动：发电机运行过程中，由于电磁转矩和定转子间的径向交变磁拉力的作用，在铁心上产生了很大的机械力，如果铁心紧度不足，交变力将导致铁心叠片振动，伴随出现线棒绝缘磨损破坏和叠片损坏，造成发电机事故。与铁心松动有关的因素很多，有铁心叠片制造安装质量，铁心压装结构，发电机运行工况以及定子机座振动等。而最常见的铁心松动出现在定子铁心端部齿区。

五、典型绝缘故障实例分析例1：我厂#2F发电机定子绕组故障及处理

1、故障现象1998年3月18日,我班在对#2F发电机定子绕组进行大修试验。按照预防性试验规程规定：我厂定子直流耐压电压U=2Un=36kV，试验电压按每级0.5Un分阶段升压，每阶段停留1min，读取泄漏电流。试验时,A、B两相顺利通过了试验要求，而在进行C相耐压试验过程中，C相在27kV时击穿,击穿时的泄漏电流为250μA。2、原因分析预判断：C相定子绕组绝缘下降后对C相定子线棒检查发现：C相上分支靠下风筒上端绝缘受损,初步判断为物体刮伤所致,目测发现外层环氧树脂绝缘受损。此造成的直接后果是在加压27kV时绝缘击穿。3、故障处理对受损部位进行修复处理：即用环氧树脂浸渍,晾干。再进行绝缘电阻、直流耐压试验，均符合规程规定要求，投入运行后效果良好。例2:尼那水电站转子动态接地故障分析及处理电站简介：尼那水电站装机有4×40MW灯泡贯流式水轮发电机,水轮发电机是由天津阿尔斯通生产制造，机组自2003年5月首台机发电以来，运行情况良好。发电机主要技术参数：型式：灯泡式三相交流同步发电机布置方式：水平方式旋转方向：顺水流方向视为顺时针旋转型号：SFWG40—56／6630额定容量：42.1MVA额定功率：40MW效率：98.05%额定功率因数：0.95（滞后）额定电压：10.5kV额定电流：2315A额定频率：50Hz绝缘等级：F级1、故障现象1＃机并网运行，上位机报“1＃机转子一点接地故障”复归后正常，半小时后再报同样故障，不可复归，检查当时负荷为30MW，电压电流均正常，励磁回路外观检查未发现异常，一小时后向调度申请停机处理。当1＃机空转时信号也不能复归，停机后信号可复归，摇测转子绝缘大于5MΩ,维护人员对碳刷进行处理，对集电环进行清扫后，转子绝缘为50MΩ,其它外观检查未发现异常，随后1＃机开机空转，当转速达到80％时，转子一点接地信号又报警，仍不能复归。2、原因分析根据上述异常现象，结合以往处理转子接地故障的经验，初步分析认为，原因可能有下列三种：1、转子接地保护装置异常引起；2、转子磁极外围设备（含功率柜、FMK开关、转子滑环碳刷、转子引线等）故障引起；3、转子磁极内部存在接地现象。结合前面检查分析，认为转子磁极内部接地可能性较大，机组当转速达到80%时报接地信号，也有可能机组内部受转动离心力的作用，而造成接地现象。3、故障查找（1）首先检查接地（大轴）碳刷，检查发现固定可靠，接触良好，并进行清洁，排除了因接地碳刷固定不稳定或沾上油污引起接触不良而造成的“假接地”。（2）随后对空转机组摇测绝缘进发现转子绝缘为零，确实存在接地现象，排除了保护装置异常而引起的误信号,那只有机组内部故障而造成的。（3）机组停机后，对其内部进行外观检