下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
1.2 MW机组定子总槽数为576个，使用预弯浸漆绕组，绝缘等级F级，极对数48，绕组结构如图1.3所示。发电机绕组在槽中的整体分布情况如图1.4所示，发电机绕组在一个槽中的分布情况如图1.5所示。使用红色的绝缘漆对绕组进行浸渍，并烘干固化，增强了绕组的绝缘性能以及机械强度。
图1.3 大型永磁风电机组绕组结构图（部分）
图1.4 永磁发电机定子绕组结构
图1.5 发电机一个槽的绕组分布
风力发电机定子绕组的短路故障，其故障类型主要包括同相同分支绕组短路故障、同相异分支绕组短路故障以及异相绕组短路故障3类。经过现场实际调查和研究，其故障可能发生的位置主要考虑以下几种情况：发电机定子槽内上下层线圈（线棒）间短路、定子线圈端部引线交叉点上发生短路和相邻槽两定子线圈端部的两平行引线之间发生短路3种（3种故障位置以下分别简称为“槽内”“交叉”和“平行”）。
图1.6 绕组连接图
图1.6表示某一分支的部分绕组展开图，
表示A相的线圈，左下标表示匝数的序号，右上标（1）表示进槽、（2）表示出槽，省略号处表示省略了该分支的两个线圈，在一个线圈的进槽和出槽之间有3个槽，其他分支的线圈也进行了省略。从右向左方向表示定子槽号增加，线圈上的箭头表示从机端到中性点的方向，实际上回绕的绕组会与前面的绕组有一部分重叠，这里着重示意线圈的方向，因此将正反向绕组分开绘制。
为叙述方便，做如下规定：
①线圈的连接方向是从机端到中性点的方向，每匝线圈按顺序依次经过两槽，即进槽和出槽。
②槽号增加的方向是正方向，正方向的线圈是正向线圈，反方向的线圈是反向线圈。
③以半匝为考虑对象时，正向线圈的进槽和反向线圈的出槽所在的半匝定义为上半匝，正向线圈的出槽和反向线圈的进槽所在的半匝定义为下半匝。
④短路匝数是短路点距离中性点的匝数。短路点位于进槽所在的半匝，此匝在短路匝数中记作整匝；短路点位于出槽所在的半匝，此匝在短路匝数中记作半匝。
图1.7 短路故障发生的可能位置
图1.7标示了3种典型故障发生位置的情况，其中箭头所指的地方就是最可能发生短路故障部位。槽内的绕组情况较为简单，两根线棒并行排列，端部相对而言较为复杂，端部不仅引线众多，而且各个引线之间排布纵横交错，对其进行分析更加困难。
根据以上定义，针对不同故障位置的不同特点，讨论下述绕组故障。
槽内故障即同一槽的上半匝与下半匝绕组之间发生的短路故障。对每一个上半匝，由其对应的槽号，根据绕组接线规律，找出其对应的下半匝在绕组接线中的序号，得到短路的下半匝的相号、分支号及匝序号。
平行故障即端部平行的上半匝与上半匝或下半匝与下半匝之间发生短路故障。对每一上半匝（下半匝），由其对应的槽号得到与其平行的上半匝（下半匝）的槽号，根据绕组接线规律，找出对应的上半匝（下半匝）在绕组接线中的序号，从而得到短路的上半匝（下半匝）的相号、分支号及匝序号。
交叉故障即端部交叉的上半匝与下半匝之间发生的短路故障。对每一个上半匝，由其对应槽号，得到与其交叉的下半匝的槽号，再根据绕组接线规律，找出对应的下半匝在绕组接线中的序号，得到短路的下半匝的相号、分支号及匝序号。
匝间短路会使发电机产生局部高温，绕组表面颜色变暗，绝缘材料分解，甚至出现局部放电、发电机振动加剧等现象；三相电流的对称性受到破坏，发电机噪声和振动将增加。引起风力发电机匝间短路的主要原因有下述几个方面：
①正常工作时，同一绕组中的相邻两匝线圈之间存在一定的电压降（为10~100 V）。由于相邻两匝之间的绝缘较为薄弱，绝缘层厚度0.5 mm左右，因此，长期工作时，绝缘材料容易老化失效。
②雷电过电压或操作过电压窜入电机中，在相邻两匝之间会产生超过绝缘层所能承受的过电压，从而导致绝缘层被破坏。
③电机长时间过载或频繁重载运行，将导致定子电流增加，绕组温度升高，绕组绝缘老化加速。
④绕组本身制造时质量有问题，匝间绝缘程度低。
⑤定子绕组在检修时受伤等。
理想状态时，对称三相电流流过无故障定子的三相绕组，幅值相等，相位差120°，如图1.8所示。
式中 f 1 ——电网频率；
N 1 ——定子绕组的每相串联匝数；
m
——主磁通；
k w1 ——定子绕组系数，主要与绕组的接法有关，在发生早期匝间短路时可认为是常数。
风力发电机的定子等值电路如图1.9所示。根据图中所规定的各电势参考方向，可计算出定子相电流为：
图1.8 正常情况的三相电流
图1.9 发电机的定子等值电路
1
—外加定子绕组的相电压；
1
—定子绕组的相电流；
r
1
—定子绕组相电阻；
x
1
—定子漏抗；
x
a
—电枢反应电抗；
—发电机内主磁通切割定子绕组并在其中感应出的定子电势
发电机正常运行时，三相绕组的参数
r
1
，
x
1
，
x
a
和
E
1
基本相同。因此，在对称三相电压作用时，相电流的幅值
I
m
相等，相位差120
°
。某相绕组发生匝间短路时，该相定子绕组的
r
1
和
x
1
都会减小，而
E
1
基本保持不变。由式（1.3）可知，相电流的幅值
I
m
会增加，相位角
I
也会偏移，三相电流的幅值和相位关系将不再保持图1.9所示的对称关系，其原因是产生了负序电流分量。匝间短路故障越严重，这种不对称的现象就越显著。
理想情形下的三相电压具有类似图1.8的对称特点，但因电网的三相负荷大小处于波动状态，负荷性质也在变化，因此，三相电压之间一般仅具有近似对称关系。加上实际运行情况的复杂性，即使是正常无故障运行的发电机，三相电流也难以严格保持图1.8所示的对称关系。因此，仅从三相电流之间的相位差偏移120°的绝对值大小来判断定子绕组匝间短路故障，易发生误判。为了提高诊断的准确性，必须将定子三相端电压的对称性引入匝间短路故障的诊断工作中。
发电机的典型短路故障有单相、两相和三相短路以及匝间短路。根据发电机的现场监测数据，在发生以上故障时，发电机绕组中的电流数据已自动记录，可以此作为发电机电磁场和温度场分析计算时给绕组施加的电流数值。由于进行发电机绕组电磁场和温度场有限元数值分析时需要施加电流密度，因此可以根据绕制绕组导线的截面积，结合电流大小，并且认为电流在导线截面里均匀分布，从而计算出各种故障发生时的电流密度数据，见表1.1。
表1.1 发电机典型运行状态电流密度
最少的短路匝数为1，多分支的1匝匝间短路故障，是很难发现的一种故障。这时，故障匝内的短路电流很大，而该相电流却不一定会有很大变化，此时若不及时切除发电机，将会使定子铁芯和绕组严重损坏。况且，很多相间短路故障源于匝间短路。因此，可设计能够检测定子匝间短路的灵敏装置，一旦发生匝间短路，立即把发电机从电网切除、停机。