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【摘 要】本文首先对故障进行了描述，然后介绍了发电机转子匝间短路的危害﹑原因及分类，接着介绍了转子匝间短路电流和故障程度的关系，最后介绍了故障检测方法。
【关键词】发电机；短路故障；诊断方法
一、前言
随着我国造船业的发展，船舶的吨位也越来越大。大型船舶发电机的故障有很多，发电机短路故障最常见的是匝间短路故障。
二、故障描述
船舶同步发电机的故障主要包括：过载、外部短路、欠压、频率不正常和逆功率等。
船舶同步发电机本身内部也可能产生故障。例如：定子绕组的相间短路、单相绕组层间短路、单相绕组接地；发电机转子绕组的匝间短路、转子绕组接地等。但由于船舶发电机属于低压系统，而且又定期检查，因此船舶发电机内部故障出现的概率极小，另外发电机至主配电板之间的电缆也比较短，故均不设保护装置。
三、发电机转子匝间短路的危害﹑原因及分类
当转子绕组发生匝间短路时，严重者将使转子电流增大﹑绕组温度升高﹑限制发电机的无功功率；有时还会引起机组的震动值增加，甚至被迫停机。因此当发生上述现象时，必须通过试验找出匝间的短路点，并予以消除，使发电机恢复正常运行。
发电机转子绕组产生匝间短路故障的原因很多，归纳起来大致有：
结构设计不合理。如匝间采用衬垫绝缘时，端部铜线侧面裸露，当运行中积灰和着落油垢后，会造成匝间短路。
制造工艺不良，如在转子绕组下线、整形等工艺过程中，损伤了匝间绝缘；或绝缘材料中存在有金属性硬粒，刺穿了匝间绝缘造成匝间短路。（如铜线有硬块，毛刺都会损伤匝间绝缘。）
运行中在电、热和机械等综合应力作用下，绕组产生残余变形﹑位移，致使匝间绝缘断裂﹑磨损﹑脱落或由于赃污等，造成匝间短路，运行年久，绝缘老化，也会造成匝间短路。
转子绕组的匝间短路，按其短路的稳定性，可分为稳定和不稳定两种。所谓稳定的匝间短路是指这种短路与转子的转速和温度等均无关。而不稳定的匝间短路，则与转子的转速和温度等有关，也即在高转速、低转速、高温或低温时才发生短路，或者在转速和温度同时作用下，才能出现短路。
三、转子匝间短路电流和故障程度的关系
发电机发生转子绕组匝间短路后，由于有效磁场减弱，输出无功功率减小，导致励磁电流的计算值与实际电流的测量值两者将出现偏差，此时的相对偏差可作为转子绕组匝间短路故障后的判据，经推导，短路判据的表达式为：a%=nw′fd，其中，a%表示励磁电流的相对变化率，n表示短路匝数，w′fd表示故障后的转子绕组匝数。如果转子绕组匝数较多，可以认为：w′fd≈wfd，其中，wfd表示转子绕组匝数。则短路判据为：a%=nwfd。从判据表达式可以看出，短路严重程度和短路匝数值之间有一种对应关系，短路越严重，判据数值越大，其关系近似线性的程度越增加。例如，QFSN-300-2型发电机，转子绕组匝数86匝，如果短路匝数2匝，则a%=nwfd=2.3%，如果短路匝数5匝，则a%=nwfd=5.8%。从判据表达式可以看出，该判据仅与转子绕组匝数wfd和短路匝数n有关，和发电机的输出有功功率及无功功率无关。这一特征表明，对于同一台汽轮发电机，匝间短路判据数值，适用于发电机过励状态。
四、故障检测方法
1、励磁电流和无功功率判别法
该方法主要通过检测发电机的励磁电流和无功功率的变化来判断是否存在匝间短路。匝间短路等效磁势反向作用在短路磁极主磁场的磁势上，产生去磁的磁势分布，而导致磁场相对减弱。因此，转子绕组匝间短路虽然引起转子电流的增大，但無功功率却相对减小或不变，这可作为发生匝间短路故障的一个明显特征。根据这个故障特征，利用发电机的电气状态监测量，计算出发电机一定运行状态下（一定的无功功率输出、有功功率输出等）的励磁电流if0，把它与励磁电流实际值ifc比较，即可以判断转子绕组是否发生匝间短路故障，故障判据为：
式中：a为把计算误差和测量误差都考虑在内的偏差整定阈值。该方法的优点是只利用发电机有关电气量而不增加新的检测设备就可以进行故障诊断，并能对故障的发展趋势、严重程度做出估计，实现在线检测。对于未安装任何检测设备的在役机组，该方法具有明显的优势，但不足之处是不能对故障点定位。
2、定子环流判别法
有学者提出利用转子绕组匝间短路时在定子绕组并联支路引起的环流现象来判断检测匝间短路。汽轮发电机每相绕组是由2个半相绕组并联而成，转子磁势的任何不对称都会在定子绕组中感应产生频率为基波频率的偶数倍的谐波电流，并在定子绕组的两个半相绕组中形成环流。环流在定子绕组里流过，与转子相同的速度旋转。测量这些偶次谐波电流可以检测出转子绕组的匝间短路。偶次谐波电流的大小，取决于短路的严重程度、转子与定子间耦合的强弱和定子绕组对偶次谐波电流的阻抗。这些偶次谐波电流可用2个套在定子绕组上的空心儒可夫斯基线圈来检测（图1所示）。
该方法可以在线进行转子绝缘状态检测。缺点是不能对短路点定位，且定子方面要增加儒可夫斯基线圈、电流传感器等设备，安装复杂，增加设备费用。
3、RSO重复脉冲检测法（行波法）
RSO重复脉冲检测法应用的是波过程理论（行波技术），用双脉冲信号发生器对发电机转子两极同时施加前沿陡峭的一个高频冲击脉冲波，当该脉冲信号沿绕组传播遇到阻抗突变点时，会导致反射波和透射波的出现，由此会在检测点测得与正常回路无阻抗突变时不同的响应特性曲线。用双线示波器录得2组响应特性曲线，借以对波形响应时间进行测定，经过计算分析或将检测结果直接与出厂时制造厂提供的标准波形进行比较，可判断转子绕组匝间是否存在短路以及短路点的位置等情况（图2所示）。匝间短路的程度通过故障点处的波阻抗变化大小来反映，显示在示波图上可以用2个响应特性曲线合成的平展程度来判定，有突起的地方说明匝间存在异常，并且突起的波幅大小就表明短路故障的严重程度。 该方法对匝间短路的反应比较灵敏，易于发现比较小的匝间短路，但由于波形容易受到转子绕组阻抗变化的影响，对短路位置和短路程度的判断不如探测线圈法直观、准确，目前还不能实现在线监测，一般应用在停机时检测静态匝间短路。
4、探测线圈法（微分动测法）
20世纪70年代，美国学者D.R.Albright首先提出了采用探测线圈（微分线圈）法动态检测发电机转子绕组匝间短路故障，即用探测线圈对发电机转子绕组匝间绝缘进行在线检测。其原理是：在定子、转子气隙中定子上固定一只！微分探测线圈（图3所示），对发电机气隙中的旋转磁场进行微分，即气隙磁场在该线圈上感应电动势，根据微分后的感应电势波形分析，诊断转子绕组是否存在匝间短路，并确定短路故障槽的位置。
不考虑磁饱和的影响，汽轮机气隙中的旋转磁场B（t）由空载磁场B0（t）和定子电枢反应磁场Ba（t）合成，可以直接线性叠加。
发电机运行时探测线圈感应的电势为
式中：是气隙旋转磁场穿过探测线圈有效面积S的磁通量。
将发电机气隙磁场B（t）解析式带入式（3）得
式（4）中数值高达104
幅值较幅值大很多，因此可将谐波部分后的
式（3）中参数具体说明详见参考文献[4]。
将此感应电势信号引入示波器或计算机，对波形观察、分析，判断是否存在匝间短路。其中，h（t）为角频率为的高频调幅余弦波，它是转子本身槽漏磁形成的转子齿谐波，与转子槽内有效的安匝数成正比，发生转子绕组匝间短路故障后，与转子短路槽对应的齿谐波幅值將大大减小，对应的转子槽感应电动势峰值也将出现下陷或凹缩，正是由于这一将转子槽漏磁场微分放大后的高频分量提高了转子绕组匝间短路故障检测的灵敏度。
g（t）是包含了电枢反应影响的主磁场在探测线圈上感应的低频信号。此方法不仅能判断转子匝间有无短路还能确定故障点所在的槽，而且这种方法在发电机空载和短路状态下效果较好，而在发电机带负荷运行时，由于受电枢反应等因素的影响，探测线圈感应的电势波形扭曲，形状变得不规则，灵敏度下降，效果不好，不加以必要的信号处理，很难实现准确诊断。
五、结束语
了解船舶发电机故障的种类，并且掌握判断故障的方法，这样才能够解决发电机的故障，保障船只的安全行驶。
参考文献：
[1]梁晓.发电机转子线圈动态匝间短路测试的理论分析和探测方法[J].江西电力，2011.
[2]阮羚等.大型汽轮发电机转子匝间短路在线监测方法的研究及应用[J].中国电机工程学报，2013.
【关键词】发电机；短路故障；诊断方法
一、前言
随着我国造船业的发展，船舶的吨位也越来越大。大型船舶发电机的故障有很多，发电机短路故障最常见的是匝间短路故障。
二、故障描述
船舶同步发电机的故障主要包括：过载、外部短路、欠压、频率不正常和逆功率等。
船舶同步发电机本身内部也可能产生故障。例如：定子绕组的相间短路、单相绕组层间短路、单相绕组接地；发电机转子绕组的匝间短路、转子绕组接地等。但由于船舶发电机属于低压系统，而且又定期检查，因此船舶发电机内部故障出现的概率极小，另外发电机至主配电板之间的电缆也比较短，故均不设保护装置。
三、发电机转子匝间短路的危害﹑原因及分类
当转子绕组发生匝间短路时，严重者将使转子电流增大﹑绕组温度升高﹑限制发电机的无功功率；有时还会引起机组的震动值增加，甚至被迫停机。因此当发生上述现象时，必须通过试验找出匝间的短路点，并予以消除，使发电机恢复正常运行。
发电机转子绕组产生匝间短路故障的原因很多，归纳起来大致有：
结构设计不合理。如匝间采用衬垫绝缘时，端部铜线侧面裸露，当运行中积灰和着落油垢后，会造成匝间短路。
制造工艺不良，如在转子绕组下线、整形等工艺过程中，损伤了匝间绝缘；或绝缘材料中存在有金属性硬粒，刺穿了匝间绝缘造成匝间短路。（如铜线有硬块，毛刺都会损伤匝间绝缘。）
运行中在电、热和机械等综合应力作用下，绕组产生残余变形﹑位移，致使匝间绝缘断裂﹑磨损﹑脱落或由于赃污等，造成匝间短路，运行年久，绝缘老化，也会造成匝间短路。
转子绕组的匝间短路，按其短路的稳定性，可分为稳定和不稳定两种。所谓稳定的匝间短路是指这种短路与转子的转速和温度等均无关。而不稳定的匝间短路，则与转子的转速和温度等有关，也即在高转速、低转速、高温或低温时才发生短路，或者在转速和温度同时作用下，才能出现短路。
三、转子匝间短路电流和故障程度的关系
发电机发生转子绕组匝间短路后，由于有效磁场减弱，输出无功功率减小，导致励磁电流的计算值与实际电流的测量值两者将出现偏差，此时的相对偏差可作为转子绕组匝间短路故障后的判据，经推导，短路判据的表达式为：a%=nw′fd，其中，a%表示励磁电流的相对变化率，n表示短路匝数，w′fd表示故障后的转子绕组匝数。如果转子绕组匝数较多，可以认为：w′fd≈wfd，其中，wfd表示转子绕组匝数。则短路判据为：a%=nwfd。从判据表达式可以看出，短路严重程度和短路匝数值之间有一种对应关系，短路越严重，判据数值越大，其关系近似线性的程度越增加。例如，QFSN-300-2型发电机，转子绕组匝数86匝，如果短路匝数2匝，则a%=nwfd=2.3%，如果短路匝数5匝，则a%=nwfd=5.8%。从判据表达式可以看出，该判据仅与转子绕组匝数wfd和短路匝数n有关，和发电机的输出有功功率及无功功率无关。这一特征表明，对于同一台汽轮发电机，匝间短路判据数值，适用于发电机过励状态。
四、故障检测方法
1、励磁电流和无功功率判别法
该方法主要通过检测发电机的励磁电流和无功功率的变化来判断是否存在匝间短路。匝间短路等效磁势反向作用在短路磁极主磁场的磁势上，产生去磁的磁势分布，而导致磁场相对减弱。因此，转子绕组匝间短路虽然引起转子电流的增大，但無功功率却相对减小或不变，这可作为发生匝间短路故障的一个明显特征。根据这个故障特征，利用发电机的电气状态监测量，计算出发电机一定运行状态下（一定的无功功率输出、有功功率输出等）的励磁电流if0，把它与励磁电流实际值ifc比较，即可以判断转子绕组是否发生匝间短路故障，故障判据为：
式中：a为把计算误差和测量误差都考虑在内的偏差整定阈值。该方法的优点是只利用发电机有关电气量而不增加新的检测设备就可以进行故障诊断，并能对故障的发展趋势、严重程度做出估计，实现在线检测。对于未安装任何检测设备的在役机组，该方法具有明显的优势，但不足之处是不能对故障点定位。
2、定子环流判别法
有学者提出利用转子绕组匝间短路时在定子绕组并联支路引起的环流现象来判断检测匝间短路。汽轮发电机每相绕组是由2个半相绕组并联而成，转子磁势的任何不对称都会在定子绕组中感应产生频率为基波频率的偶数倍的谐波电流，并在定子绕组的两个半相绕组中形成环流。环流在定子绕组里流过，与转子相同的速度旋转。测量这些偶次谐波电流可以检测出转子绕组的匝间短路。偶次谐波电流的大小，取决于短路的严重程度、转子与定子间耦合的强弱和定子绕组对偶次谐波电流的阻抗。这些偶次谐波电流可用2个套在定子绕组上的空心儒可夫斯基线圈来检测（图1所示）。
该方法可以在线进行转子绝缘状态检测。缺点是不能对短路点定位，且定子方面要增加儒可夫斯基线圈、电流传感器等设备，安装复杂，增加设备费用。
3、RSO重复脉冲检测法（行波法）
RSO重复脉冲检测法应用的是波过程理论（行波技术），用双脉冲信号发生器对发电机转子两极同时施加前沿陡峭的一个高频冲击脉冲波，当该脉冲信号沿绕组传播遇到阻抗突变点时，会导致反射波和透射波的出现，由此会在检测点测得与正常回路无阻抗突变时不同的响应特性曲线。用双线示波器录得2组响应特性曲线，借以对波形响应时间进行测定，经过计算分析或将检测结果直接与出厂时制造厂提供的标准波形进行比较，可判断转子绕组匝间是否存在短路以及短路点的位置等情况（图2所示）。匝间短路的程度通过故障点处的波阻抗变化大小来反映，显示在示波图上可以用2个响应特性曲线合成的平展程度来判定，有突起的地方说明匝间存在异常，并且突起的波幅大小就表明短路故障的严重程度。 该方法对匝间短路的反应比较灵敏，易于发现比较小的匝间短路，但由于波形容易受到转子绕组阻抗变化的影响，对短路位置和短路程度的判断不如探测线圈法直观、准确，目前还不能实现在线监测，一般应用在停机时检测静态匝间短路。
4、探测线圈法（微分动测法）
20世纪70年代，美国学者D.R.Albright首先提出了采用探测线圈（微分线圈）法动态检测发电机转子绕组匝间短路故障，即用探测线圈对发电机转子绕组匝间绝缘进行在线检测。其原理是：在定子、转子气隙中定子上固定一只！微分探测线圈（图3所示），对发电机气隙中的旋转磁场进行微分，即气隙磁场在该线圈上感应电动势，根据微分后的感应电势波形分析，诊断转子绕组是否存在匝间短路，并确定短路故障槽的位置。
不考虑磁饱和的影响，汽轮机气隙中的旋转磁场B（t）由空载磁场B0（t）和定子电枢反应磁场Ba（t）合成，可以直接线性叠加。
发电机运行时探测线圈感应的电势为
式中：是气隙旋转磁场穿过探测线圈有效面积S的磁通量。
将发电机气隙磁场B（t）解析式带入式（3）得
式（4）中数值高达104
幅值较幅值大很多，因此可将谐波部分后的
式（3）中参数具体说明详见参考文献[4]。
将此感应电势信号引入示波器或计算机，对波形观察、分析，判断是否存在匝间短路。其中，h（t）为角频率为的高频调幅余弦波，它是转子本身槽漏磁形成的转子齿谐波，与转子槽内有效的安匝数成正比，发生转子绕组匝间短路故障后，与转子短路槽对应的齿谐波幅值將大大减小，对应的转子槽感应电动势峰值也将出现下陷或凹缩，正是由于这一将转子槽漏磁场微分放大后的高频分量提高了转子绕组匝间短路故障检测的灵敏度。
g（t）是包含了电枢反应影响的主磁场在探测线圈上感应的低频信号。此方法不仅能判断转子匝间有无短路还能确定故障点所在的槽，而且这种方法在发电机空载和短路状态下效果较好，而在发电机带负荷运行时，由于受电枢反应等因素的影响，探测线圈感应的电势波形扭曲，形状变得不规则，灵敏度下降，效果不好，不加以必要的信号处理，很难实现准确诊断。
五、结束语
了解船舶发电机故障的种类，并且掌握判断故障的方法，这样才能够解决发电机的故障，保障船只的安全行驶。
参考文献：
[1]梁晓.发电机转子线圈动态匝间短路测试的理论分析和探测方法[J].江西电力，2011.
[2]阮羚等.大型汽轮发电机转子匝间短路在线监测方法的研究及应用[J].中国电机工程学报，2013.