电机绕组匝间短路故障的原因及实用检测方法
胡浩
湖南文理学院
摘要:本文叙述了电机定子绕组出现匝间短路故障的原因,介绍了早期匝间短路故障的一种实用检测方法。
关键词:定子绕组；匝间短路；故障原因；检测方法
电动机定子绕组出现少许的匝间短路故障后,短路匝在电机内部交变磁场的作用下产生感应电动势。由于短路匝自成回路,电阻很小,感应的电势就在短路回路中产生很大的电流。该电流可高达额定电流的若干倍,使短路匝的温度升高。时间一长,便使短路处的绝缘材料老化、焦脆脱落,并逐步扩大匝间短路的区域,最终可导致相间绝缘或对地绝缘的击穿,烧毁电动机。因此,我们在状态检修时要注意对绕组早期匝间短路故障的检测与修复。本文首先叙述了出现匝间短路故障的原因,然后着重介绍检测早期匝间短路故障的一种实用方法,旨在尽可能的避免或减少匝间短路的情况出现,以及对匝间短路故障尽早的作出准确的检测与修复,以免故障扩大、烧毁电机。
1、匝间短路故障的原因
1.1在制作过程中损伤匝间绝缘。电动机定子绕组线圈的匝间绝缘一般就是电磁线本身的绝缘,有些虽附加有薄膜、云母垫条，但也很薄。因此，匝间绝缘是电机绝缘结构中的薄弱环节，其介电强度远小于对地绝缘。在绕线、嵌线、拉形、复形、烘压等工艺过程中都有可能损伤匝间接触面的绝缘，造成轻微的匝间短路。
1.2在使用过程中冲击过电压击穿匝间绝缘。绕组线圈的额定匝间工频电压仅为几十伏，一般不会损伤匝间绝缘。但电动机工作时，绕组还要承受操作过电压与雷电过电压。操作过电压包括断开大电感、大电容、限流熔断器引起的过电压，以及由电站对地电位上升与系统故障引起的过电压。雷电过电压与电机的供电系统有关，尤其是与系统架空线直接相连的电机，遭受雷电过电压的可能性更大。这些过电压是非周期性的瞬态冲击电压，其幅值可达额定电压的数十倍，波前时间也很短（0.1～1μs），进入电机绕组线圈后可造成匝间绝缘的击穿，产生明显的匝间短路。
2、匝间短路故障的实用检测方法
在现行的检测方法中，常使用匝间耐压测试仪来诊断绕组匝间故障。产品型号有RZJ、GZN、QGZ、SZC等,适用于不同类型的电机与要求。它是以电机定子三相绕组的阻抗对称平衡情况为基本原理，用高压脉冲对绕组进行等效过电压模拟试验，即用冲击波比较法来进行检测。通过测试仪的显示器观察波形与对比分析，当有匝间绝缘击穿时，显示器上的波形出现毛刺与跳动、波形不重合，从而作出判断。
利用耐压测试仪能较为准确的检测出绕组匝间短路故障，但试验条件要求较高，否则会影响绕组的绝缘，再加上测试仪价格昂贵，对于电动机使用不多的中小企业，一般都没有配置。这里我们介绍一种实用的检测方法，只需要中频或高频电源，而且在检测过程中对绕组的绝缘无任何影响，对于大小规模的企业均适用。
2.1检测原理
当定子某相绕组出现少许的匝间短路时，其电感量与正常时比较，减少的量△L很小，在工频电源情况下的感抗值的减少量△X1=2πf1△L也不多，其工频电流的增加量△I1小，因此难以作出准确判断。如果我们采用倍频（2×50HZ）电源，则感抗的减少量被放大两倍，即△X2=2△X1，推广到一般情况，采用n倍频（n50HZ）电源时，感抗的减少量被放大n倍，即△Xn=n△X1。显然，采用n倍频电流检测时，其电流的增加量△In≈n△I1（考虑定子绕组有很小的电阻），放大n倍的电流增量是容易检测出来的，这就是我们的测试思想与检测原理。
2.2测试方法
电机静止状态时，切除工频交流电源，拆开定子三相绕组的接线端。然后采用中频或高频低压电源，分别加在定子三相绕组的两端，检测三相绕组中流过的电流。如果有某相绕组中的电流明显大于其他两相的电流，则可判断该相绕组有匝间短路的情况出现。
下一步首先找到匝间短路故障相绕组的中间位置，用上述方法分别检测中间点与绕组两端之间的电流。两者比较，电流大的半相绕组中就有匝间短路出现。依此类推的作法，最后就可把有匝间短路的线圈确定在很小的范围内。最后在这很小的范围内具体查找，就容易发现匝间短路的位置了。
应该指出的是：由于电机转子的互感作用，有故障的转子绕组会影响测试的结果。这是因为在交流电流情况下，定子绕组产生的交变磁场会在转子绕组中产生感应电流，该感应电流又会产生转子的交变磁场。在正常情况下，这两部分磁场会达到平衡状态，不会影响三相电流的检测值比较。如果绕线转子有匝间短路、相间短路或三相不平衡；笼型转子出现断条等故障时，就破坏了系统的平衡状态，改变了定子绕组中的检测电流。
如何判断转子绕组是否存在故障呢？我们的方法是：在上述检测定子三相绕组电流的过程中，用外力慢慢转动转子，如果在转动过程中定子绕组电流发生比较明显的变化，则说明转子绕组存在故障。在这种情况下，要把转子拆出来以便进行检修，同时对检测定子绕组匝间短路故障就不再存在影响了。
2.3应用举例
（1）一台绕线转子异步电动机，额定功率330KW，额定电压6000V，额定电流47A，额定频率50HZ，额定转速240r/min。在确定转子绕组正常的情况下，分别用工频电源、倍频电源与600 HZ的中频电源进行检测，电源电压为100V，测得定子三相绕组中的电流如表1所示。
表1 定子三相绕组的检测电流值
由表1数据可以看出，W相绕组中的电流大于其他两相绕组的电流，但在50 HZ与100 HZ电源情况下差值并不大，不能肯定绕组就存在匝间短路故障。因为电机绕组的制造工艺差异以及检测时的接触情况等可能引起一定的电流误差。而在600 HZ电源情况下，W相绕组的电流就明显大于其他两相绕组的电流，于是就可以判断W相绕组中存在匝间短路故障。
然后，我们采用上述逐步缩小故障所在范围的方法，最后查找到W相的第1个线圈中有3匝被短路。
（2）一台小型三相笼型转子异步电动机，型号为Y160M-4，额定功率11KW，额定电压380V，额定电流22.6A，额定频率50 HZ，额定转速1460r/min。在用工频电源检测定子绕组时，发现定子电流相差过大，我们怀疑转子绕组存在问题。于是用手慢慢转动转子，发现所测定子电流的大小在一定范围内变化。然后卸下转子，通过检查转子有两根导条断裂。
在对抽出转子后的定子绕组进行检测时，工频电源情况下，三相定子绕组的电流最大差值与平均值之比为0.6%，不能确定是哪相绕组有匝间短路故障。在600 HZ电源情况下，U相绕组的电流明显大于其他两相绕组的电流，其最大差值与平均值之比为54%，显然是U相绕组存在匝间短路故障。
同上对U相绕组对半检测，最后查找出第3个线圈中出现了匝间短路。
3、结束语
我们在电机绕组的制作与嵌线等过程中要避免损伤电磁线的绝缘；在电机的使用过程中，要尽可能避免或减轻操作过电压与雷电过电压对绕组匝间绝缘的损坏。对于匝间短路故障的检测，采用中频或高频电源时，能放大故障绕组所减少的感抗与所增加的电流。使得检测简单、准确、实用。
参考文献
[1] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社.2008
[2] 李伟刚.电动机故障调查分析和检测维修方法[J].上海大中型电机.2008(1)：38-42
[3] 黎崇彬.交流电机定子线圈匝间绝缘耐冲击电压试验标准及试验设备[J].上海大中型电机.2005(2)：41-43
胡浩，男，1974年生，副教授，硕士，从事电气专业的教学与科研工作，发表科研论文40余篇。
电话：13807363830
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邮编：415003
地址：湖南省常德市城区东郊湖南文理学院东院
湖南文理学院
摘要:本文叙述了电机定子绕组出现匝间短路故障的原因,介绍了早期匝间短路故障的一种实用检测方法。
关键词:定子绕组；匝间短路；故障原因；检测方法
电动机定子绕组出现少许的匝间短路故障后,短路匝在电机内部交变磁场的作用下产生感应电动势。由于短路匝自成回路,电阻很小,感应的电势就在短路回路中产生很大的电流。该电流可高达额定电流的若干倍,使短路匝的温度升高。时间一长,便使短路处的绝缘材料老化、焦脆脱落,并逐步扩大匝间短路的区域,最终可导致相间绝缘或对地绝缘的击穿,烧毁电动机。因此,我们在状态检修时要注意对绕组早期匝间短路故障的检测与修复。本文首先叙述了出现匝间短路故障的原因,然后着重介绍检测早期匝间短路故障的一种实用方法,旨在尽可能的避免或减少匝间短路的情况出现,以及对匝间短路故障尽早的作出准确的检测与修复,以免故障扩大、烧毁电机。
1、匝间短路故障的原因
1.1在制作过程中损伤匝间绝缘。电动机定子绕组线圈的匝间绝缘一般就是电磁线本身的绝缘,有些虽附加有薄膜、云母垫条，但也很薄。因此，匝间绝缘是电机绝缘结构中的薄弱环节，其介电强度远小于对地绝缘。在绕线、嵌线、拉形、复形、烘压等工艺过程中都有可能损伤匝间接触面的绝缘，造成轻微的匝间短路。
1.2在使用过程中冲击过电压击穿匝间绝缘。绕组线圈的额定匝间工频电压仅为几十伏，一般不会损伤匝间绝缘。但电动机工作时，绕组还要承受操作过电压与雷电过电压。操作过电压包括断开大电感、大电容、限流熔断器引起的过电压，以及由电站对地电位上升与系统故障引起的过电压。雷电过电压与电机的供电系统有关，尤其是与系统架空线直接相连的电机，遭受雷电过电压的可能性更大。这些过电压是非周期性的瞬态冲击电压，其幅值可达额定电压的数十倍，波前时间也很短（0.1～1μs），进入电机绕组线圈后可造成匝间绝缘的击穿，产生明显的匝间短路。
2、匝间短路故障的实用检测方法
在现行的检测方法中，常使用匝间耐压测试仪来诊断绕组匝间故障。产品型号有RZJ、GZN、QGZ、SZC等,适用于不同类型的电机与要求。它是以电机定子三相绕组的阻抗对称平衡情况为基本原理，用高压脉冲对绕组进行等效过电压模拟试验，即用冲击波比较法来进行检测。通过测试仪的显示器观察波形与对比分析，当有匝间绝缘击穿时，显示器上的波形出现毛刺与跳动、波形不重合，从而作出判断。
利用耐压测试仪能较为准确的检测出绕组匝间短路故障，但试验条件要求较高，否则会影响绕组的绝缘，再加上测试仪价格昂贵，对于电动机使用不多的中小企业，一般都没有配置。这里我们介绍一种实用的检测方法，只需要中频或高频电源，而且在检测过程中对绕组的绝缘无任何影响，对于大小规模的企业均适用。
2.1检测原理
当定子某相绕组出现少许的匝间短路时，其电感量与正常时比较，减少的量△L很小，在工频电源情况下的感抗值的减少量△X1=2πf1△L也不多，其工频电流的增加量△I1小，因此难以作出准确判断。如果我们采用倍频（2×50HZ）电源，则感抗的减少量被放大两倍，即△X2=2△X1，推广到一般情况，采用n倍频（n50HZ）电源时，感抗的减少量被放大n倍，即△Xn=n△X1。显然，采用n倍频电流检测时，其电流的增加量△In≈n△I1（考虑定子绕组有很小的电阻），放大n倍的电流增量是容易检测出来的，这就是我们的测试思想与检测原理。
2.2测试方法
电机静止状态时，切除工频交流电源，拆开定子三相绕组的接线端。然后采用中频或高频低压电源，分别加在定子三相绕组的两端，检测三相绕组中流过的电流。如果有某相绕组中的电流明显大于其他两相的电流，则可判断该相绕组有匝间短路的情况出现。
下一步首先找到匝间短路故障相绕组的中间位置，用上述方法分别检测中间点与绕组两端之间的电流。两者比较，电流大的半相绕组中就有匝间短路出现。依此类推的作法，最后就可把有匝间短路的线圈确定在很小的范围内。最后在这很小的范围内具体查找，就容易发现匝间短路的位置了。
应该指出的是：由于电机转子的互感作用，有故障的转子绕组会影响测试的结果。这是因为在交流电流情况下，定子绕组产生的交变磁场会在转子绕组中产生感应电流，该感应电流又会产生转子的交变磁场。在正常情况下，这两部分磁场会达到平衡状态，不会影响三相电流的检测值比较。如果绕线转子有匝间短路、相间短路或三相不平衡；笼型转子出现断条等故障时，就破坏了系统的平衡状态，改变了定子绕组中的检测电流。
如何判断转子绕组是否存在故障呢？我们的方法是：在上述检测定子三相绕组电流的过程中，用外力慢慢转动转子，如果在转动过程中定子绕组电流发生比较明显的变化，则说明转子绕组存在故障。在这种情况下，要把转子拆出来以便进行检修，同时对检测定子绕组匝间短路故障就不再存在影响了。
2.3应用举例
（1）一台绕线转子异步电动机，额定功率330KW，额定电压6000V，额定电流47A，额定频率50HZ，额定转速240r/min。在确定转子绕组正常的情况下，分别用工频电源、倍频电源与600 HZ的中频电源进行检测，电源电压为100V，测得定子三相绕组中的电流如表1所示。
表1 定子三相绕组的检测电流值
| 电源频率 | U相 | V相 | W相 |
| 50 HZ | 7.95A | 7.97A | 8.00A |
| 100 HZ | 4.05A | 4.08A | 4.12A |
| 600 HZ | 0.68A | 0.71A | 1.22A |
然后，我们采用上述逐步缩小故障所在范围的方法，最后查找到W相的第1个线圈中有3匝被短路。
（2）一台小型三相笼型转子异步电动机，型号为Y160M-4，额定功率11KW，额定电压380V，额定电流22.6A，额定频率50 HZ，额定转速1460r/min。在用工频电源检测定子绕组时，发现定子电流相差过大，我们怀疑转子绕组存在问题。于是用手慢慢转动转子，发现所测定子电流的大小在一定范围内变化。然后卸下转子，通过检查转子有两根导条断裂。
在对抽出转子后的定子绕组进行检测时，工频电源情况下，三相定子绕组的电流最大差值与平均值之比为0.6%，不能确定是哪相绕组有匝间短路故障。在600 HZ电源情况下，U相绕组的电流明显大于其他两相绕组的电流，其最大差值与平均值之比为54%，显然是U相绕组存在匝间短路故障。
同上对U相绕组对半检测，最后查找出第3个线圈中出现了匝间短路。
3、结束语
我们在电机绕组的制作与嵌线等过程中要避免损伤电磁线的绝缘；在电机的使用过程中，要尽可能避免或减轻操作过电压与雷电过电压对绕组匝间绝缘的损坏。对于匝间短路故障的检测，采用中频或高频电源时，能放大故障绕组所减少的感抗与所增加的电流。使得检测简单、准确、实用。
参考文献
[1] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社.2008
[2] 李伟刚.电动机故障调查分析和检测维修方法[J].上海大中型电机.2008(1)：38-42
[3] 黎崇彬.交流电机定子线圈匝间绝缘耐冲击电压试验标准及试验设备[J].上海大中型电机.2005(2)：41-43
胡浩，男，1974年生，副教授，硕士，从事电气专业的教学与科研工作，发表科研论文40余篇。
电话：13807363830
Email：
邮编：415003
地址：湖南省常德市城区东郊湖南文理学院东院
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