1、本科毕业论文（20 届）基于温度检测的磁极线圈匝间绝缘故障定位技术所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文I基于温度检测的磁极线圈匝间绝缘故障定位技术摘 要大型电机作为电力系统的基本生产设备，对整个电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。国内外的运行经验和大量资料表明，大型电机的运行事故中，磁极线圈匝间绝缘损坏所占的比重较大，因此必须采取相应的措施保证此间线圈匝间绝缘的可靠性。本课题通过研究以往的辨别和定位方法的优缺点，提出了一种新的磁极线圈匝间绝缘定位技术，即温度定位技术。通过查阅相关文献，进行了有关温度公式的推导
2、并进行了简要的计算分析。提出两个方案即高压高频脉冲电源方案和工频电源方案，然后分别对两个方案进行了实物试验，通过试验来验证理论，并通过试验结果总结分析出，在高频高压电源下可以精确的定位故障的短路匝，而在工频电源下试验局部温升并不明显，达不到精确定位的要求。通过对两试验结果分析对比，总结证明基于温度检测磁极线圈匝间绝缘的故障定位技术是可行的。关键词：大型电机；匝间绝缘;温度定位技术；磁极线圈哈尔滨理工大学学士学位论文IIMagnetic Pole Coils Turn-to-turn Insulation Locating Technology Based on Temperature Dete
3、ctionAbstractLarge generator as the basic production equipment of power system plays a vital role to run the entire power system security and stability. Domestic and international operating experience and data show that the pole coil interturn insulation damage to the proportion of large motor run a
4、ccident, and therefore must take appropriate measures to ensure the reliability of here coil interturn insulation.This topic by studying the advantages and disadvantages of the method to identify and locate develop a new pole coil interturn insulation positioning technology, namely the temperature l
5、ocation technology. By searching the relevant literature, the formula of the temperature is derived and a brief computational analysis is achieved. I propose two programs that the high-voltage high-frequency pulse power program and work-frequency power supply program, and then the physical test were
6、 done for two options，the theory is verified by the test, and I summarize and analyze the test and result in that the failure of short turn is accurately located in the high frequency and high voltage power, but the location do not achieve demand because the part temperature rise is not obvious when
7、 the test is done at the work-frequency.Analysis and sum up the test results. Results show that the pole coil interturn insulation fault location technique is feasible.Keywords: Large generator； inter-turn insulation；temperature positioning technology； pole coil哈尔滨理工大学学士学位论文III目录摘 要 .IAbstract .II第一
8、章 绪论 .- 1 -1.1 课题研究背景 .- 1 -1.2 磁极线圈匝间绝缘试验及研究现状 .- 2 -1.2.1 测试磁极线圈匝间绝缘的方法 .- 2 -1.2.2 磁极线圈缺陷的显示方法 .- 4 -1.3 本课题主要研究的内容 .- 6 -第二章 温度定位法基本原理 .- 7 -2.1 匝间短路电流的分析 .- 7 -2.1.1 电感的介绍 .- 7 -2.1.2 短路电流的分析 .- 8 -2.2 匝间短路有关温度的分析 .- 10 -2.2.1 温度的产生 .- 10 -2.2.2 温度的传递 .- 15 -2.3 本章小结 .- 19 -第三章 温度检测定位方法的方案与试验 .
9、- 20 -3.1 温度检测定位法方案 .- 20 -3.1.1 工频检测方案 .- 20 -3.1.2 高频试验方案 .- 20 -3.2 电路介绍和设备的选择 .- 21 -3.2.1 试验电路 .- 21 -3.2.2 交流电源的选择 .- 22 -3.2.3 试样的绕制 .- 23 -3.2.4 红外成像仪 .- 23 -3.3 试验结果与分析 .- 25 -3.3.1 工频下试验相关的数据 .- 25 -3.3.2 工频下的试验结果分析 .- 27 -3.3.3 高频下试验相关的数据 .- 28 -3.3.4 高频下试验结果分析 .- 30 -3.4 本章小结 .- 30 -第四章
10、温度定位法的总结 .- 31 -4.1 工频下试验的总结 .- 31 -4.2 高频下试验的总结分析 .- 32 -4.3 高频和工频试验结果的对比 .- 32 -4.3 本章小结 .- 33 -哈尔滨理工大学学士学位论文IV结论 .- 34 -致谢 .- 35 -参考文献 .- 36 -哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第一章 绪论1.1 课题研究背景由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动
11、力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。 建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力
12、设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。在人们环保意识愈来愈强烈的今天，作为一种干净清洁能源，电能在工农业生产、交通运输等各行各业和人们的生活中得到越来越广泛的应用就不足为奇了。稳定的电力系统为国民供电提供有力的保障，而电机是电力系统的重要组成部分，担负着发电或提供动力的重任。一旦发生故障特别是恶性故障，就会给电力系统和国民经济带来巨大的经济损失。 因此对电机的可靠性提出更高的要求。及早发现潜在危害，提高故障诊断和保护水平，已成为电力系统领域里的重要研究领域。同步发电机作为电能生产的
13、基本设备，是电力系统的心脏，它的运行可靠性直接影响电网的运行以及向用户安全经济的供电，对整个系统的安全稳定起着至关重要的作用。随着机组容量的不断扩大以及安全可靠性的提高，需要开展发电机在线监测，及时有效地诊断出发电机的故障。大型发电机的磁极线圈匝间绝缘是发电机绝缘的重要组成部分，其绝缘质量对发电机的安全运行有着重大的影响 。磁极线圈匝间绝缘损坏事1故占比重较大。电机磁极线圈匝间绝缘破坏的原因主要有（1） 在绕线、嵌线、扎线、浸漆、搬运等工序中，都可能导致漆包线哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -的漆膜损坏，引起匝间短路 。2（2） 当电机在潮湿环境或长期高温负载运行及过电压的情况，匝间绝缘会越
14、来越差,最终导致匝间短路。（3） 磁极线圈匝间绝缘制造的质量差，如铜排中有毛刺，杂物，绝缘受到损伤等。（4） 离心力或负荷变化引起的热胀冷缩使线圈发生位移、变形或局部损坏引起匝间短路。（5） 由于氢气湿度过大，有时对端部线圈之间绝缘造成极严重的后果。曾经某台国外的氢冷发电机，因为灰尘、气体和油污的影响，使其端部线圈发生短路。（6） 匝间绝缘试验检测设备不完善，或设备的故障分辨能力不易掌握，使生产中个别匝间绝缘有问题的线圈未能及时检查出来，造成事故隐患 。4,3而近年来电机制造工艺不断改进（如整浸等） ，一旦匝间绝缘损坏有可能是整个磁极线圈报废，导致电机无法正常运行。因此，磁极线圈匝间绝缘缺陷是
15、影响电机寿命的主要因素之一。这就要求磁极线圈匝间绝缘必须可靠。提高电机磁极线圈的匝间绝缘水平有多方面的措施：例如采用新型的绝缘材料，改进磁极线圈的匝间绝缘结构，提高磁极线圈的制造工艺等。但更重要的是电机制造部门要提高磁极线圈匝间绝缘的制造质量，并采用合理有效的试验方法、试验标准和试验设备，将有碍电机安全运行的具有缺陷的磁极线圈剔除，保证新电机有足够的磁极线圈匝间绝缘强度 。6,51.2 磁极线圈匝间绝缘试验及研究现状1.2.1 测试磁极线圈匝间绝缘的方法1.感应电压法这是一种间接地对被试线圈施加电压的方法，其原理就是利用充电后的电容器对感应线圈放电，在感应线圈中产生磁通，使被磁链链接的被测试线
16、圈感应出一定的高频电压，从而达到对磁极线圈匝间耐压检查的目的。优点：试验电压不随被测试线圈电感的变化而变化，并可一次试验多个线圈。缺点：不能产生较高的匝间试验电压，难以发现匝间故障隐患。2.直接电压法哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -根据所施加的不同又可分为以下几种：直流电压法电机磁极线圈在正常工作时通过的是直流励磁电流，因此从原理上来说，用该方法最能直接反应实际的情况。但是正常工作时磁极线圈的工作电压较低，只有数十伏到数百伏左右，而进行磁极线圈匝间试验时却需要很高的试验电压，由于线圈的电阻很小，这样就会在磁极线圈中产生很大的电流，导致设备的容量很大，因此很难再实际试验中应用；冲击电压法只是
17、一种对被测试线圈直接施加脉冲电压的方法。这种方法是利用充电后的电容器 C 通过放电开关与被测试线圈 L 形成有一点频率的高频阻尼振荡电路，其振荡频率值为 虽然振荡频率随被试线圈电感变)2/(1Cf化而变化，但可通过选择电容器的容量来时振荡频率在一定范围内变化，而又不影响匝间耐压效果。这种方法的优点是可以产生较高的匝间试验电压从而有利于发现匝间绝缘隐患，是目前国内外普遍应用的一种方法。其中瑞士 HAEFELY 公司生产的 WP 型绕组试验器，美国 PJ 型高频冲击匝间试验仪，德国西门子公司匝间短路检测仪等的基本原理都属脉冲电压法。从我们了解到的情况，目前国内外的所有高压电机匝间绝缘的试验标准也都
18、推荐使用脉冲电压法。缺点是在被试线圈各个匝上试验电压的分布不均匀，特别是当磁极线圈被套装在磁极上以后，由于线圈对地杂散电容比较大，这种情况尤为明显，这将导致无法对被试线圈各个匝间的绝缘进行正确的试验。容易出现以下两种错误：一是由于试验电压没有真正地施加在存在绝缘缺陷的线匝上，从而导致存在绝缘缺陷的线圈通过了试验；二是由于在试验时在本来不存在绝缘缺陷的线匝上施加了过高的电压而使本来完好的匝间绝缘被击穿，导致本来应该顺利通过试验的线圈成为不合格品。8,7优点：可以产生较高的匝间试验电压从而有利于发现匝间绝缘隐患。缺点：在被试线圈各个匝上试验电压的分布不均匀，特备是当磁极线圈被套在磁极上以后，由于线
19、圈对地杂散电容比较大，这种情况尤为明显，这将导致无法对被试线圈各个匝间的绝缘进行正确的试验。中频发电机组试验电压法 一些有条件的制造厂，采用中频发电机组来进行磁极线圈的匝间绝缘试验 。由于中频发电机组的输出电压频率在数 kHz，因此磁极线圈的电9抗比工频下的电抗大数十倍，这就大大降低了试验电源的容量，是试验能够比较容易地得意实施。优点：提高线圈的电抗，降低了试验电源的容量缺点：造价高、占地面积大、不可移动、工作噪音大、输出电压低等。10哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -1.2.2 磁极线圈缺陷的显示方法 1理想的电机线圈匝间绝缘试验装置应该能够对被试的线圈每匝都均匀的施加电压，且所施加的电压
20、要足够大，在这种情况下才能充分暴露线圈匝间绝缘的缺陷。同时在所施加的试验电压下一旦出现匝间短路现象，匝间绝缘试验装置应能有灵敏可靠地显示方法把故障显示出来 。通常用的12故障判别有如下几种:1.感应式如图 1-1 所示，被试线圈 分别通过铁心 、 与震荡线圈 、故2L1T21L障探测线圈 交联链。被试线圈无故障的情况下，因被试线圈开路无电流，3L故在探测铁心中无磁通，所以探测线圈 两端无电压。如被试线圈故障短3路，这样线圈就构成回路，短路电流产生的磁通在测试线圈中就感应出电压。用这样的原理就可以确定所测的线圈是否有故障。原理图 1-1 如下：图 1-1 感应式检测电路2.桥平衡式在正常情况，因
21、为组成两桥臂的两绕组或线圈电感相同，电桥平衡，桥体对角线上的氖管不亮或微安表没有指示。但如绕组或线圈中某处发生匝间短路，电感发生变化，电桥的平衡被破坏，氖管或者微安表就有明显指示 。原理图参见图 1-2。13哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -（a） （b） 图 1-2 桥平衡式检测电路3.协调式基本原理是： 调谐回路中的 与被试线圈 相耦合，在正常线圈试2CL2L1L验时，调节电容 使 回路谐振，其谐振率等于 回路振荡频率，这C是时经整流后经毫安表中的电流最大。如果被试线圈有匝间短路， 电感1L会发生变化， 回路失谐，毫安表指针会发生明显偏转变小 。原理图1CL 41-3：图 1-3 调谐式
22、检测电路4.波形比较法通过分压器在示波器上观察被试线圈两端的电压波形，与正常线圈的波形相比较,看波形有无变化来判断线圈匝间是否短路，也就是观察被试线圈上的电压或电流波形的频率。5.数学比较法为了找出正常线圈与故障线圈的差别，得到准确的判断方法，在正常的线圈上做人为的短路试验。具体的方式是对首末匝及中间的各匝进行人为的短路试验，测得试验电压，试验电流和外施电压等参数，从而找出合理的判断方式。还有一种方法是利用示波器的加减功能，同时观察两只线圈的电流波形，首先确定一个好线圈，在测试另一个线圈，这时在示波器上观察到的是一条直线，那么就可确认被试线圈是好的，否则的话就认为线圈有绝缘缺陷 。16,5以上的显示方法仅能显示线圈是否存在故障，而不能指出故障的具体位置，而以往的精确定位法通常采用“冒烟法” 。但是在实施冒烟法过程中，短路点的位置越接近线圈中部时，达到“冒烟”越困难，且冒烟后烧废整
