林洪貴

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院， 廈門(mén) 361021）

1 引言

船舶同步發(fā)電機(jī)是船舶電站的電源供應(yīng)者，其運(yùn)行的安全、可靠直接關(guān)系到船舶的航行安全和高效的運(yùn)營(yíng)，是船舶其他設(shè)備工作和人員生活的保證[1]。發(fā)電機(jī)繞組線圈匝間短路故障是發(fā)電機(jī)的故障之一，電樞繞組匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓波動(dòng)和不平衡；由于電樞繞組的短路電流很大，其產(chǎn)生的極大熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力，將使發(fā)電機(jī)燃燒和爆裂，導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。筆者在一艘廣州遠(yuǎn)洋公司的萬(wàn)噸級(jí)貨輪工作期間，船舶在大連港拋錨，1號(hào)發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行在50℅多的負(fù)荷功率；在下午 3點(diǎn) 30分左右發(fā)電機(jī)電樞繞組突然發(fā)生爆裂燃燒，并同時(shí)跳閘；后經(jīng)電機(jī)廠家的解體確認(rèn)是電樞繞組發(fā)生了匝間短路故障。匝間短路就是指同匝繞組絕緣層的絕緣被破壞而發(fā)生的短路故障。那么是什么原因造成了本次匝間短路呢？在解體發(fā)電機(jī)電樞繞組時(shí)，發(fā)現(xiàn)繞組絕緣漆中存在有空隙，初步判斷是熱效應(yīng)使絕緣失效致使短路故障的發(fā)生。

2 絕緣材料的老化導(dǎo)致的匝間短路

匝間短路是導(dǎo)線的匝間絕緣層的絕緣被破壞。絕緣層被破壞主要原因是：老化和過(guò)熱。過(guò)熱可分為機(jī)械和電氣兩種，另外還有雜物飛到繞組上，或者電機(jī)在嵌線時(shí)就有問(wèn)題線受損傷了或是絕緣漆沒(méi)浸好留有缺陷；還有可能是有雜物飛到繞組上，或者電機(jī)在下線時(shí)就有問(wèn)題線受損傷了或是絕緣漆沒(méi)浸好等多種原因[2,3]。

2.1 電老化

電老化是由介電材料上電場(chǎng)分布所產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)為局部放電、漏電和電腐蝕；產(chǎn)生局部放電的原因是電機(jī)內(nèi)部的電場(chǎng)不是均勻分布。在絕緣層內(nèi)存在空隙，線圈與鐵心之間也有空隙，這樣就會(huì)使電場(chǎng)發(fā)生畸變，局部電場(chǎng)強(qiáng)度超強(qiáng)，引起局部放電；局部放電能在絕緣層內(nèi)產(chǎn)生非常細(xì)小的樹(shù)枝狀的放電途徑，最終導(dǎo)致絕緣的破壞。

2.2 熱老化

絕緣在過(guò)熱的長(zhǎng)期作用下的老化稱(chēng)為熱老化，熱老化是由熱因子引起的。絕緣材料在運(yùn)行中，因長(zhǎng)期受熱會(huì)引起各種物理和化學(xué)變化（如揮發(fā)、裂紋、脫層、龜裂等），而且這種變化會(huì)逐漸惡劣，最終導(dǎo)致介電材料變質(zhì)而劣化。

2.3 機(jī)械老化

機(jī)械老化主要表現(xiàn)為介電材料的疲勞、裂紋、磨損、脫層等等。其原因是在電機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生超強(qiáng)電磁力和熱應(yīng)力的沖擊，以及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電機(jī)的振動(dòng)、反復(fù)受熱等引起介電材料的傷害。

2.4 環(huán)境老化

環(huán)境老化主要表現(xiàn)為粉塵、油污、鹽分及其他腐蝕物質(zhì)對(duì)絕緣的污染和侵蝕，以及絕緣表面的吸潮和露水等。這樣介電材料的絕緣性能會(huì)逐漸喪失，耐熱和耐壓會(huì)逐漸降低。

3 電樞繞組匝間短路的其它成因

發(fā)電機(jī)繞組在制造過(guò)程中，不可避免地存在各種缺陷，例如裂紋、夾雜、錯(cuò)位、分層、空隙和孔洞等等。特別是電樞繞組在嵌線后，要進(jìn)行浸漆處理工藝，其主要目的是：

1）提高電機(jī)絕緣的耐潮性和化學(xué)穩(wěn)定性；改善電機(jī)絕緣的電氣性能，使繞組匝間與絕緣層之間以及絕緣材料的空隙均被絕緣漆填充；

2） 增加電機(jī)繞組的導(dǎo)熱能力，未浸漆前繞組當(dāng)中存在有很多空隙，其中充滿(mǎn)了空氣，而空氣的熱導(dǎo)率為0.025 W/mk，導(dǎo)熱性能差；經(jīng)浸漆處理后，絕緣漆充滿(mǎn)了繞組中的氣隙，趕跑空氣，而絕緣漆的熱導(dǎo)率為0.3 W/mk[4]。

3.1 電致失效

電致失效是指鐵磁或介電材料在電場(chǎng)載荷作用下的力學(xué)失效行為。例如：當(dāng)含有缺陷的鐵磁材料受到強(qiáng)電場(chǎng)作用時(shí)，缺陷內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度有可能達(dá)到外加電場(chǎng)的 1000倍，從而引起熱效應(yīng)和熱應(yīng)力集中最終導(dǎo)致材料失效。特別是當(dāng)缺陷內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到缺陷內(nèi)氣體的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，缺陷將發(fā)生放電擊穿并產(chǎn)生一系列的放電效應(yīng)。因此，電擊穿導(dǎo)致的失效已經(jīng)成為電力電氣系統(tǒng)中絕緣材料受到損害的主要原因。

3.2 繞組中空隙的熱效應(yīng)

繞組中氣隙在運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)中隨著外加電場(chǎng) Ea的增大，空隙的電場(chǎng)強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)孔內(nèi)電場(chǎng)升高到空氣擊 穿電壓的臨界值時(shí)，圓孔內(nèi)的空氣將產(chǎn)生一系列的放電效應(yīng)，如光、聲、電磁和熱效應(yīng)等[5]。在這些放電效應(yīng)中，光、聲、電磁等效應(yīng)所消耗的能量是相當(dāng)少的，熱效應(yīng)以熱量的形式把放電產(chǎn)生的能量向介電材料周?chē)纳?，消耗掉放電所產(chǎn)生的絕大部分能量。其放電熱效應(yīng)的溫度場(chǎng)分布如圖1所示[6]。顯然，從再生原理來(lái)看，特種氧化物法、氧燭法、電解水法都屬于化學(xué)再生；而高壓氧瓶法則屬于物理再生。上述種種不足的存在，也正是由現(xiàn)有再生方法所采用的這些再生原理決定的。

圖1 繞組中的溫度場(chǎng)分布圖

熱老化的速度和絕緣受熱溫度有著密切的關(guān)系，隨著溫度的上升，絕緣的熱老化速度迅速加快，且溫度越高，老化速度越快，其老化速度符合Arrhenius方程[7]：

其指數(shù)形式：

式中：k0為指數(shù)前因子（頻率因子），Ea為實(shí)驗(yàn)活化能，單位為：kJ/mol?？梢?jiàn)k與T的關(guān)系不是線性的，溫度場(chǎng)分布明顯不均，在空隙處周?chē)a(chǎn)生了強(qiáng)烈的熱效應(yīng)。

3.3 繞組中空隙的熱應(yīng)力

假設(shè)在放電過(guò)程中空隙內(nèi)的臨界電場(chǎng)能全部釋放轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⒀刂車(chē)鶆蚍植?，向介電材料四周傳遞，于是在介電材料空隙產(chǎn)生熱應(yīng)力[8]。對(duì)此熱應(yīng)力進(jìn)行分析，得到內(nèi)半徑為a，外半徑為r的圓環(huán)，在圓內(nèi)側(cè)邊界輸入熱量的解為[9]：

上式為圓孔在放電后的熱應(yīng)力表達(dá)式[10]。選取不同彈性模擬量作為參考值，得到圓孔半徑a=0.1 m徑向應(yīng)力曲線[11]。如圖2所示。

圖2 圓孔半徑a=0.1 m時(shí)徑向應(yīng)力曲線

圖2表明：在圓孔附近徑向應(yīng)力急劇增大。也就是說(shuō)，空隙周?chē)a(chǎn)生了應(yīng)力集中。

4 電樞繞組的匝間短路故障的演變過(guò)程

船舶同步發(fā)電機(jī)大多是低壓發(fā)電機(jī)，其出現(xiàn)內(nèi)部故障的幾率很小，根據(jù)國(guó)標(biāo) GT14285-2006規(guī)定，發(fā)電機(jī)定子繞組應(yīng)裝設(shè)匝間短路保護(hù)，但實(shí)際上船舶大/中型發(fā)電機(jī)基本沒(méi)有設(shè)置匝間短路保護(hù)。而且我國(guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定中，也沒(méi)有針對(duì)其內(nèi)部故障的專(zhuān)設(shè)保護(hù)措施。原因是發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的保護(hù)或診斷是比較困難的，這樣往往造成船舶檢驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)中，難以早期發(fā)現(xiàn)和處理發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障?，F(xiàn)在軸帶發(fā)電機(jī)在新造船舶中得到廣泛應(yīng)用，輔助發(fā)電機(jī)組一般只配備兩臺(tái)；所以，任何一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，都將對(duì)船舶的航行安全和生產(chǎn)帶來(lái)極為不利的影響。

對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障進(jìn)行研究的必要性早已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的肯定[12]。電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷分析和考慮繞組故障對(duì)電機(jī)徑向振動(dòng)影響的機(jī)械診斷研究[13]等等，得到各國(guó)的普遍重視。

電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行后絕緣性能逐漸劣化，絕緣結(jié)構(gòu)的老化是各種劣化的綜合表現(xiàn)[14]。其主要有：熱因子、電因子、機(jī)械因子和環(huán)境因子等。它們對(duì)電機(jī)壽命影響很大，如圖3所示為發(fā)電機(jī)電樞繞組絕緣劣化的演變過(guò)程。

圖3 繞組絕緣劣化過(guò)程圖

從上文分析得出：由于發(fā)電機(jī)制造缺陷，即繞組絕緣中存在空隙。由它所引起的熱效應(yīng)使得介電材料的絕緣性能變差；由空隙導(dǎo)致了熱應(yīng)力集中，使得電樞繞組的導(dǎo)線產(chǎn)生了彎曲、變形，相互距離變近；最終導(dǎo)致了電樞繞組匝間短路的發(fā)生。其絕緣失效的演變過(guò)程如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)電樞繞組絕緣失效的演變過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

由于發(fā)電機(jī)電樞繞組的制造缺陷，也就是絕緣中空隙的存在，使得介電材料的空隙所產(chǎn)生熱效應(yīng)和熱應(yīng)力集中，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出電擊穿導(dǎo)致的失效已成為電力電氣系統(tǒng)中絕緣材料受到損害的主要原因。通過(guò)對(duì)材料在電場(chǎng)載荷作用下的失效行為的研究，發(fā)現(xiàn)材料在電場(chǎng)載荷作用引起失效的根源在于應(yīng)力引起的破壞。這兩種原因?qū)е铝税l(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子繞組內(nèi)部匝間短路故障發(fā)生，因此制造缺陷是導(dǎo)致匝間短路的可能原因之一，為低壓同步發(fā)電機(jī)電樞繞組匝間短路的研究提供一種新思路。

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