同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)的研究評(píng)述與展望

郝亮亮，吳俊勇

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

同步發(fā)電機(jī)作為電能生產(chǎn)的基本設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。伴隨電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，發(fā)電機(jī)的容量也在不斷地增加，人們對(duì)大型發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的要求越來(lái)越高。近年來(lái)，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）的歷屆年會(huì)中，發(fā)電機(jī)的故障保護(hù)及監(jiān)測(cè)一直是旋轉(zhuǎn)電機(jī)專業(yè)委員會(huì)（SC-A1）的重點(diǎn)議題［1］。

轉(zhuǎn)子匝間短路是同步發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的一種電氣故障，近年來(lái)對(duì)該故障的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮［2-5］，三峽發(fā)電機(jī)在機(jī)組檢修中就曾發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路；而僅中國(guó)廣東省在2009年至2011年，就已經(jīng)有十余臺(tái)400～1000 MW等級(jí)的發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子匝間短路故障，在2010年就已確認(rèn)發(fā)生了5起。

輕微的短路故障不會(huì)給發(fā)電機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，但若無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障的早期診斷，而任其不斷惡化，會(huì)引起勵(lì)磁電流的增加、輸出無(wú)功能力的降低以及機(jī)組振動(dòng)的加劇。故障還有可能惡化為發(fā)生在勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子本體之間的一點(diǎn)或兩點(diǎn)接地故障，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)燒傷軸頸、軸瓦，給發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的威脅［6］。由轉(zhuǎn)子匝間短路故障引起損失的例子也不勝枚舉，20世紀(jì)90年代中國(guó)某火電廠4臺(tái)300 MW發(fā)電機(jī)中就有3臺(tái)因轉(zhuǎn)子匝間短路等原因最終導(dǎo)致大軸磁化，其中2臺(tái)還燒壞護(hù)環(huán)；2002年某核電站2號(hào)發(fā)電機(jī)組在更換C相主變后的起機(jī)過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子匝間短路在主變事故沖擊下發(fā)展為接地故障，機(jī)組被迫停機(jī)檢修［7］；2005年鳳灘水電站6號(hào)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障還引起了主保護(hù)的動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)常用的監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障傳統(tǒng)方法主要包括：開(kāi)口變壓器法、直流阻抗法、交流阻抗和功率損耗法、空載及短路特性試驗(yàn)法、兩極電壓平衡試驗(yàn)、繞組分布電壓測(cè)量、沖擊脈沖法試驗(yàn)、紅外熱成像法等［1-2，7-8］。這些方法有的已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用多年，并且積累了很多經(jīng)驗(yàn)，適用于離線的故障監(jiān)測(cè)或定位，但不能在實(shí)際運(yùn)行工況下對(duì)故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，有的方法甚至要將轉(zhuǎn)子抽出，應(yīng)用效果往往不太理想。文獻(xiàn)［8］對(duì)各種離線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

除加工工藝不良以及絕緣缺陷等原因造成的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子匝間短路外，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)中勵(lì)磁繞組承受離心力造成繞組間的相互擠壓及移位變形、勵(lì)磁繞組的熱變形、通風(fēng)不良引起的局部過(guò)熱以及金屬異物等是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的重要原因，這些原因引起的動(dòng)態(tài)匝間短路故障多在發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生。如果能夠在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處于萌芽期的小匝數(shù)早期故障，監(jiān)視其發(fā)展并確定是否需要檢修，就能避免輕微的故障惡化成為嚴(yán)重的匝間短路或轉(zhuǎn)子接地故障，這對(duì)保障大型發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的意義。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者更加關(guān)注于對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)的研究。

本文首先總結(jié)了轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，對(duì)其基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了全面客觀的評(píng)述。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)基于運(yùn)行中電氣量的在線監(jiān)測(cè)方法及相關(guān)研究進(jìn)行了探討，結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀指出目前研究中存在的不足，并對(duì)該領(lǐng)域的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)方法的原理及評(píng)述

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量的研究，并提出了很多方法。

1.1 基于磁場(chǎng)探測(cè)的故障監(jiān)測(cè)方法

同步發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路后，轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)都將不同于正常運(yùn)行，通過(guò)在氣隙中布置探測(cè)導(dǎo)體或線圈提取磁場(chǎng)特征進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)是一種可行的方案。

單導(dǎo)線微分法［9］是我國(guó)哈爾濱大電機(jī)研究所提出的一種方法，并在太原熱電廠試驗(yàn)成功。該方法將一根與發(fā)電機(jī)軸向平行的探測(cè)導(dǎo)線固定在定子槽中或槽楔上，通過(guò)該導(dǎo)線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的微分波形對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖1為該方法的原理示意圖，由轉(zhuǎn)子表面的磁場(chǎng)分布可知，探測(cè)導(dǎo)線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形呈現(xiàn)階梯狀，而每一階梯的高低取決于對(duì)應(yīng)槽的磁通變化率，與匝數(shù)有關(guān)。若各槽繞組的匝數(shù)相等，正常運(yùn)行時(shí)各槽磁通變化率也相等，各階梯的高度也就相等；當(dāng)某槽內(nèi)有短路匝時(shí)，相應(yīng)匝數(shù)減少，那么階梯的高度就會(huì)降低。同時(shí)，利用微分電路將所有階梯降到同一水平面進(jìn)行比較，依據(jù)此便可判斷某槽是否發(fā)生了短路。顯然該方法僅適合空載時(shí)的故障監(jiān)測(cè)，發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)會(huì)受到電樞反應(yīng)的影響，使監(jiān)測(cè)結(jié)果失效。

圖1 單導(dǎo)線微分法的原理圖Fig.1 Schematic diagram of single-wire differential method

微分線圈動(dòng)測(cè)法［10］是英國(guó)學(xué)者 Albright提出的，圍繞該方法學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究［11-13］。由于主磁場(chǎng)是由所有線圈共同產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子匝間短路雖然會(huì)影響主磁通的強(qiáng)度，但是由于所占比例很小，不容易測(cè)量。而漏磁通分別交鏈于各槽的勵(lì)磁繞組，其大小與該槽內(nèi)線圈匝數(shù)成正比，能直接反映出各槽線圈匝數(shù)的變化。因此該方法將探測(cè)線圈固定在定子上，并使其盡量靠近轉(zhuǎn)子鐵芯，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子漏磁通的徑向分量和切向分量，并對(duì)其進(jìn)行微分，通過(guò)對(duì)微分波形的分析可判斷發(fā)電機(jī)是否發(fā)生了轉(zhuǎn)子匝間短路故障。

圖2是發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)微分線圈動(dòng)測(cè)法的原理示意圖。如果勵(lì)磁繞組不存在匝間短路，則探測(cè)線圈感應(yīng)電壓波峰的包絡(luò)線連續(xù)平滑，其波峰個(gè)數(shù)和序號(hào)與轉(zhuǎn)子槽一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)勵(lì)磁繞組某槽線圈存在匝間短路時(shí)，交鏈于該槽的漏磁通就會(huì)減少，在探測(cè)線圈上所感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)相應(yīng)降低。因此，當(dāng)探測(cè)線圈感應(yīng)電壓波形的某一特征波峰離開(kāi)包絡(luò)線凹縮變短時(shí)，即表明它對(duì)應(yīng)槽中的繞組存在匝間短路故障。

圖2 微分線圈動(dòng)測(cè)法的原理圖Fig.2 Schematic diagram of differential coil dynamic test

微分線圈動(dòng)測(cè)法一定程度上彌補(bǔ)了單導(dǎo)線微分法在發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的局限性，最適合在空載及機(jī)端三相對(duì)稱短路時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路以及判斷短路的嚴(yán)重程度。但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)引起的氣隙磁場(chǎng)畸變以及鐵芯飽和等因素，仍給匝間短路的準(zhǔn)確判斷帶來(lái)了困難［14］。有學(xué)者在微分線圈動(dòng)測(cè)法的基礎(chǔ)上，將小波變換應(yīng)用于對(duì)探測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形特征的提取［15］，一定程度上克服了該困難，起到了較好的效果。因目前絕大多數(shù)發(fā)電機(jī)出廠時(shí)未裝設(shè)探測(cè)線圈，在已經(jīng)投運(yùn)的發(fā)電機(jī)上加裝該線圈十分困難，也較難被電廠所接受，因此該方法的應(yīng)用受到了一定的限制。

1.2 沖擊脈沖法

圖3 沖擊脈沖法原理圖Fig.3 Schematic diagram of shock pulse method

英國(guó)的Wood J.W.等學(xué)者提出的沖擊脈沖法［16］是建立在行波理論的基礎(chǔ)上。如圖3所示，利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出連續(xù)的陡前沿脈沖波，將該脈沖波同時(shí)加在勵(lì)磁繞組的兩端，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)可測(cè)到2組響應(yīng)曲線。若發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組不存在匝間短路，則2組響應(yīng)曲線的差值為一條直線；反之，若勵(lì)磁繞組存在匝間短路，這時(shí)兩響應(yīng)曲線不重合，差值不再是一條直線。因此，可以用顯示在示波器上的2組響應(yīng)特性曲線之差的合成波形來(lái)判定發(fā)電機(jī)是否存在勵(lì)磁繞組匝間短路，波形有突起的地方說(shuō)明存在匝間短路，并且突起的波幅大小反映了短路的嚴(yán)重程度。理論上即使勵(lì)磁繞組出現(xiàn)1匝的短路故障，應(yīng)用沖擊脈沖法也有較高的靈敏度［17-18］。

沖擊脈沖法所需的監(jiān)測(cè)裝置簡(jiǎn)單，且靈敏度較高，適用于在轉(zhuǎn)子靜態(tài)下對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)及輔助定位，而用于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下在線監(jiān)測(cè)的研究也正在開(kāi)展，但效果尚不理想［19-20］。

1.3 利用機(jī)組振動(dòng)特性

機(jī)組的振動(dòng)特性為電機(jī)及變壓器的繞組內(nèi)部故障監(jiān)測(cè)提供了一種嶄新的思路，Trutt F.C.等學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究［21-24］。實(shí)際中確實(shí)曾出現(xiàn)較多由于轉(zhuǎn)子匝間短路故障引起的機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的案例。在工程實(shí)踐中，當(dāng)電廠運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組瓦振或軸振超標(biāo)，且振動(dòng)幅值與勵(lì)磁電流和無(wú)功功率呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢(shì)時(shí)，就會(huì)懷疑發(fā)電機(jī)發(fā)生了轉(zhuǎn)子匝間短路［25］。華北電力大學(xué)的萬(wàn)書(shū)亭等學(xué)者在轉(zhuǎn)子匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性影響方面進(jìn)行了大量開(kāi)創(chuàng)性的理論研究工作［26］，推導(dǎo)了故障時(shí)定子和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性方程，并指出：“對(duì)于轉(zhuǎn)子，故障將激發(fā)工頻振動(dòng)；對(duì)于1對(duì)極發(fā)電機(jī)的定子，2倍機(jī)械轉(zhuǎn)頻振動(dòng)下降；對(duì)于多對(duì)極發(fā)電機(jī)的定子，工頻、2倍頻振動(dòng)增加。”

但當(dāng)短路匝數(shù)較少時(shí)，故障引起的機(jī)組振動(dòng)不明顯，且實(shí)際中引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)的因素也很多（比如轉(zhuǎn)子熱不平衡、風(fēng)路堵塞、軸瓦碰磨、偏芯、機(jī)座下沉等），尚無(wú)法單純利用振動(dòng)特性來(lái)診斷包括轉(zhuǎn)子匝間短路在內(nèi)的發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障，一般只能作為輔助判據(jù)。

1.4 利用軸電壓

軸電壓是指由磁不對(duì)稱等原因引起的存在于電機(jī)主軸兩端的交流電壓。若防護(hù)不當(dāng)，軸電壓將可能引起破壞性的軸電流，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸電壓進(jìn)行了廣泛且深入的研究［27-28］，也有學(xué)者嘗試?yán)冒l(fā)電機(jī)的軸電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)子匝間短路故障的監(jiān)測(cè)［29-30］。文獻(xiàn)［29］以 1 臺(tái) 30 kV·A 的 2 對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)為例，分析了轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)轉(zhuǎn)子的軸電壓諧波特征，得出故障發(fā)生后將產(chǎn)生2倍頻、4倍頻和6倍頻的軸電壓。文獻(xiàn)［30］提出利用齒槽諧波軸電壓診斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障的方法：發(fā)電機(jī)定子齒槽效應(yīng)可以導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度畸變，在轉(zhuǎn)軸兩端感應(yīng)頻率與齒槽數(shù)相對(duì)應(yīng)的軸電壓特征分量，可以利用該特征分量診斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障。

但由于引起軸電壓的原因很多，每一種磁場(chǎng)的不對(duì)稱都有可能引起不同幅值及頻率的軸電壓，使得軸電壓的頻率成分非常復(fù)雜。除此之外，靜電電荷、靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)、剩磁及電容電流等原因均可能造成各種復(fù)雜的軸電壓頻率分量［1］。而目前利用軸電壓進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測(cè)還僅局限于定性分析與實(shí)驗(yàn)，也僅可作為一種輔助的監(jiān)測(cè)手段。

1.5 利用運(yùn)行中的電氣量

利用運(yùn)行中的電氣量實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)不需對(duì)發(fā)電機(jī)一次側(cè)進(jìn)行改造，且針對(duì)性強(qiáng)，能發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)短路，是目前的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)［31］提出了利用發(fā)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的勵(lì)磁電流進(jìn)行故障診斷的方法。文中的理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)子匝間短路會(huì)引起勵(lì)磁電流的增大和無(wú)功功率的減少，可以把故障后發(fā)電機(jī)的輸出狀態(tài)（包括有功功率、無(wú)功功率、定子電壓和電流等）看成是發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組均正常的運(yùn)行結(jié)果，用正常發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出勵(lì)磁電流，將勵(lì)磁電流的正常理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)偏差作為是否存在轉(zhuǎn)子匝間短路及短路嚴(yán)重程度的判據(jù)。但因發(fā)電機(jī)參數(shù)受運(yùn)行方式和條件的影響，由發(fā)電機(jī)的輸出狀態(tài)量準(zhǔn)確計(jì)算勵(lì)磁電流比較困難。

文獻(xiàn)［32-33］對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)的勵(lì)磁電流特性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)表明了轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)勵(lì)磁電流附加交流分量的存在，而且附加諧波電流的幅值還可反映轉(zhuǎn)子匝間短路故障的嚴(yán)重程度。但勵(lì)磁電流附加交流諧波分量比較小，無(wú)法據(jù)此區(qū)分是轉(zhuǎn)子匝間短路還是其他電氣故障（比如定子繞組內(nèi)部故障等）。文中也僅限于對(duì)諧波產(chǎn)生原因進(jìn)行定性分析，沒(méi)有研究不同的定子繞組形式對(duì)勵(lì)磁電流諧波成分的影響，而且沒(méi)有考慮附加諧波成分對(duì)氣隙磁場(chǎng)及定、轉(zhuǎn)子電流帶來(lái)的影響，更不能準(zhǔn)確地定量計(jì)算。文獻(xiàn)［34］以定子單個(gè)線圈為基本對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)定子和轉(zhuǎn)子電流特征進(jìn)行分析，但文中的分析并沒(méi)有全面考慮定子單個(gè)線圈之間的聯(lián)接關(guān)系，而事實(shí)上，定子繞組的分布及連接方式也會(huì)對(duì)故障后的定轉(zhuǎn)子電流頻率特性產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

針對(duì)采用無(wú)刷勵(lì)磁方式的同步發(fā)電機(jī)，文獻(xiàn)［35］基于對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征傳遞規(guī)律的研究，創(chuàng)造性地提出利用勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流監(jiān)測(cè)主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障。但同時(shí)文中也指出了勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的故障特征幅值對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的整流方式較為敏感，選取合適的監(jiān)測(cè)閾值還需要進(jìn)一步研究，這首先需要對(duì)不同運(yùn)行方式下發(fā)生不同匝數(shù)短路時(shí)的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行定量計(jì)算。

文獻(xiàn)［36］還提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測(cè)方法，無(wú)需建立精確的發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，但此方法需要測(cè)量發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)極限運(yùn)行范圍內(nèi)的勵(lì)磁電流、無(wú)功功率以及有功功率等大量數(shù)據(jù)樣本，在實(shí)際應(yīng)用中有一定局限性。

監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路的另一種方法是將定子繞組本身作為探測(cè)線圈，利用轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)定子并聯(lián)支路中產(chǎn)生的環(huán)流來(lái)監(jiān)測(cè)故障。此法是Kryukhin首先提出的［37］，并在英國(guó)的許多發(fā)電機(jī)上得到應(yīng)用。大型汽輪發(fā)電機(jī)一般只有1對(duì)極，每相的2個(gè)分支分布在不同極的相同位置，并且繞向相反。正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的基波及奇數(shù)次諧波在同相不同分支中感應(yīng)出相同的電動(dòng)勢(shì)，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。但當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路時(shí)，將出現(xiàn)偶數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，進(jìn)而會(huì)在同相2個(gè)并聯(lián)分支中感應(yīng)出大小相等、方向相反的電動(dòng)勢(shì)，引起定子相繞組內(nèi)的偶次諧波環(huán)流。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在這方面也做了很多實(shí)驗(yàn)和理論分析工作［38］?？蛰d實(shí)驗(yàn)和并網(wǎng)負(fù)載實(shí)驗(yàn)都表明，發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路后，定子同相的2個(gè)并聯(lián)分支之間存在偶次諧波環(huán)流，而且其大小隨短路匝數(shù)的增加而上升。其中文獻(xiàn)［39］針對(duì)氣隙均勻的汽輪發(fā)電機(jī)，用磁網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算轉(zhuǎn)子匝間短路引起的定子環(huán)流大小，在計(jì)算中把勵(lì)磁電流當(dāng)作已知的常量來(lái)考慮勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。由于定子環(huán)流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)影響了氣隙磁場(chǎng)，又會(huì)引起勵(lì)磁電流（包括勵(lì)磁繞組正常部分電流和短路匝電流）的變化，這種計(jì)算定子環(huán)流的方法在某些故障情況下會(huì)出現(xiàn)較大誤差，還有待進(jìn)一步完善。

文獻(xiàn)［40］的實(shí)驗(yàn)表明，1臺(tái)4對(duì)極、每相2分支的同步發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)，定子繞組中會(huì)產(chǎn)生1/2及3/2等分?jǐn)?shù)次諧波的環(huán)流。事實(shí)上，對(duì)多極的同步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子匝間短路后定子相繞組中環(huán)流的諧波成分還與定子繞組結(jié)構(gòu)（包括每相分支數(shù)以及各分支的位置）有關(guān)，有些電機(jī)會(huì)出現(xiàn)偶次諧波環(huán)流，也有些電機(jī)出現(xiàn)分?jǐn)?shù)次諧波的環(huán)流，需要進(jìn)一步深入分析并準(zhǔn)確計(jì)算其大小。

2 基于電氣量在線監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究進(jìn)展

通過(guò)上述分析可以看出，雖然近年來(lái)學(xué)者們對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究，但實(shí)際應(yīng)用中還存在局限性：或無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)（傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)法及沖擊脈沖法等）；或需對(duì)發(fā)電機(jī)一次側(cè)進(jìn)行改造（基于磁場(chǎng)探測(cè)）；或監(jiān)測(cè)結(jié)果缺乏針對(duì)性（利用機(jī)組振動(dòng)及軸電壓）。所認(rèn)識(shí)到的電氣故障特征往往十分微弱、模糊，且多種因素交織在一起，無(wú)法對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的在線分析和診斷。基于此，近年來(lái)圍繞著基于電氣量的轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)，筆者進(jìn)行了大量研究，取得了初步的研究成果。

郝憲印在總結(jié)講話中，就抓好會(huì)議精神的貫徹落實(shí)提出三點(diǎn)要求：一要強(qiáng)化形勢(shì)研判，做好政策儲(chǔ)備，圍繞創(chuàng)新思路抓落實(shí)；二要聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域，把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圍繞重點(diǎn)工作抓落實(shí)；三要強(qiáng)化責(zé)任分工，凝聚工作合力，圍繞改進(jìn)作風(fēng)抓落實(shí)。

2.1 故障的數(shù)學(xué)建模

由于轉(zhuǎn)子匝間短路破壞了發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)的對(duì)稱性，引起氣隙磁場(chǎng)的畸變和定子相繞組內(nèi)部的不平衡電流，對(duì)稱分量法及相坐標(biāo)法均不再適用。為突破以往無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算故障時(shí)發(fā)電機(jī)電氣量的研究瓶頸，文獻(xiàn)［41］采用多回路分析法按照定、轉(zhuǎn)子的實(shí)際回路列出了以定、轉(zhuǎn)子所有回路電流為變量的狀態(tài)方程：

式（1）相關(guān)的符號(hào)解釋見(jiàn)文獻(xiàn)［41］，該式為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的數(shù)學(xué)模型，對(duì)凸極機(jī)和隱極機(jī)均適用。

采用諸如Runge-Kutta等數(shù)值方法對(duì)式（1）進(jìn)行求解，可得自故障發(fā)生到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的整個(gè)過(guò)渡過(guò)程。但對(duì)于極對(duì)數(shù)和阻尼回路多的大型水輪發(fā)電機(jī)，式（1）的維數(shù)很高，迭代求解到穩(wěn)態(tài)將花費(fèi)大量機(jī)時(shí)，實(shí)用性不強(qiáng)。為此文獻(xiàn)［42］根據(jù)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障后的氣隙磁場(chǎng)及其在定、轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)電流的一般性分析，提出了故障的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，該模型將式（1）的時(shí)變系數(shù)微分方程組轉(zhuǎn)化成以定、轉(zhuǎn)子電流的各次諧波的正弦和余弦分量幅值為變量的線性代數(shù)方程組，可直接求得故障后的穩(wěn)態(tài)電流，實(shí)現(xiàn)故障的快速求解。

2種數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果均經(jīng)過(guò)了模擬樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 故障特征及其機(jī)理

文獻(xiàn)［43］以1臺(tái)12 kW、3對(duì)極的隱極同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)為例，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)性質(zhì)及其在氣隙磁場(chǎng)中相互作用的理論分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的定、轉(zhuǎn)子各次諧波分量進(jìn)行物理解釋。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［44］基于對(duì)該臺(tái)發(fā)電機(jī)定子繞組3種不同形式的變換（轉(zhuǎn)子保持不變），利用故障的數(shù)學(xué)模型對(duì)不同定子繞組形式的電機(jī)所發(fā)生的同一種轉(zhuǎn)子匝間短路故障進(jìn)行了計(jì)算；通過(guò)傅里葉分解得到了穩(wěn)態(tài)故障電流的諧波特征，并進(jìn)行比較分析，揭示了定子繞組形式對(duì)故障穩(wěn)態(tài)電流諧波特征的影響。進(jìn)而得到1對(duì)極大型汽輪發(fā)電機(jī)及常見(jiàn)定子繞組形式的大型水輪發(fā)電機(jī)故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流特征［45］，并對(duì)故障特性量的影響因素（包括結(jié)構(gòu)完整的阻尼繞組、分布式勵(lì)磁繞組短路位置、短路匝數(shù)等）進(jìn)行了理論分析［46］。

理論分析和仿真計(jì)算都表明，轉(zhuǎn)子匝間短路故障后相繞組內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)偶數(shù)次或與極對(duì)數(shù)有關(guān)的分?jǐn)?shù)次諧波的穩(wěn)態(tài)不平衡電流，這種故障特征與其他常見(jiàn)電氣故障及系統(tǒng)振蕩等不正常狀態(tài)的特征存在明顯差異，為故障監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。

2.3 基于定子相繞組內(nèi)部不平衡電流有效值的故障監(jiān)測(cè)方案

由于定子繞組內(nèi)部故障對(duì)發(fā)電機(jī)的破壞力極大，大型發(fā)電機(jī)一般都配置了主保護(hù)。若發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置的電流互感器在反應(yīng)定子內(nèi)部故障的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的監(jiān)測(cè)將是十分有意義的。

為此，文獻(xiàn)［47］以三峽左岸VGS發(fā)電機(jī)為例，通過(guò)定量分析轉(zhuǎn)子匝間短路故障對(duì)主保護(hù)不平衡電流的影響，提出了基于定子相繞組內(nèi)部穩(wěn)態(tài)不平衡電流總有效值的故障監(jiān)測(cè)原理。計(jì)算與分析表明，該故障監(jiān)測(cè)原理能解決依靠單一諧波監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，可較靈敏地反應(yīng)轉(zhuǎn)子的小匝數(shù)短路故障。而且這種監(jiān)測(cè)方法只需利用主保護(hù)配置的分支（組）電流互感器或中性點(diǎn)連線間電流互感器，工程可行性較強(qiáng)。根據(jù)該原理研制的故障在線監(jiān)測(cè)裝置已于2012年3月在浙江新安江水電站投入試運(yùn)行。

3 轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究展望及初步思路

3.1 無(wú)死區(qū)靈敏監(jiān)測(cè)方案

雖然基于定子相繞組內(nèi)穩(wěn)態(tài)不平衡電流總有效值的故障監(jiān)測(cè)原理已實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)態(tài)故障特征量的最大程度提取，但由于發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)兩側(cè)的電流互感器特性不完全一致以及發(fā)電機(jī)的制造偏差等原因，正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)有不平衡電流進(jìn)入故障監(jiān)測(cè)裝置，這會(huì)引起監(jiān)測(cè)靈敏性的下降。例如對(duì)于彭水ALSTOM 1號(hào)發(fā)電機(jī)，實(shí)測(cè)正常時(shí)進(jìn)入不完全裂相橫差保護(hù)的不平衡電流總有效值為432.6 A，而經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)勵(lì)磁繞組短路11匝（短路匝比為0.92%）時(shí)引起的不平衡電流才與正常時(shí)相當(dāng)，可見(jiàn)監(jiān)測(cè)的靈敏性還不夠高。因此，需要進(jìn)一步深入研究勵(lì)磁繞組全范圍內(nèi)無(wú)死區(qū)的匝間短路監(jiān)測(cè)方案。

3.2 不具備分支電流互感器安裝條件的發(fā)電機(jī)故障監(jiān)測(cè)

除少量俄供機(jī)型外，中國(guó)絕大多數(shù)的大型汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)僅引出3個(gè)端子，尚不具備分支電流互感器的安裝條件。而實(shí)際上，相比水輪發(fā)電機(jī)而言，汽輪發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境更為惡劣，轉(zhuǎn)子匝間短路故障發(fā)生幾率更高。對(duì)不具備分支電流互感器安裝條件發(fā)電機(jī)的故障監(jiān)測(cè)可通過(guò)以下途徑展開(kāi)。

3.2.1 基于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的故障監(jiān)測(cè)原理

轉(zhuǎn)子匝間短路首先將引起勵(lì)磁繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而引起不同于正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。而發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路故障后，相電壓和相電流均以基波分量為主，同步電機(jī)的相矢量圖仍然適用。因此，可根據(jù)相電壓、相電流建立實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)F′f1的準(zhǔn)確計(jì)算模型，然后與正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子繞組實(shí)際分布計(jì)算得到的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1相比較。理論上正常運(yùn)行時(shí)兩者應(yīng)相同，而轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)將有F′f1＜Ff1，由此即可實(shí)現(xiàn)對(duì)短路故障的判斷。

由于該方法基于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)的計(jì)算與比較，因此不論勵(lì)磁調(diào)節(jié)器如何動(dòng)作、負(fù)載如何變化，該方法均不受影響。實(shí)現(xiàn)這一原理監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)有2個(gè)：首先是實(shí)際運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確計(jì)算模型，模型中的參數(shù)應(yīng)受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況影響較??；另外，還需研究其他故障對(duì)監(jiān)測(cè)判據(jù)的影響，以采取相應(yīng)的閉鎖等解決方式。

3.2.2 基于機(jī)組振動(dòng)的監(jiān)測(cè)方案

目前對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)定、轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的理論分析研究還較為初步，在分析時(shí)大都沒(méi)有全面地考慮故障后定、轉(zhuǎn)子各種時(shí)間電流所產(chǎn)生的各種空間諧波磁場(chǎng)之間的相互作用，因此分析還有局限性，得不到嚴(yán)謹(jǐn)、完整的結(jié)論。

可在已有研究的基礎(chǔ)上［25-26］，更進(jìn)一步細(xì)致分析故障后定、轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性（包括切向和徑向），以期找到故障所獨(dú)有的振動(dòng)特性，并明晰其影響因素和變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究基于振動(dòng)的監(jiān)測(cè)方案。

3.3 故障在線定位

目前對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線定位的研究還較少，多數(shù)情況下是利用分布電壓法或沖擊脈沖法進(jìn)行故障的離線定位。對(duì)于受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響的動(dòng)態(tài)匝間短路（如因相互擠壓引起的短路），即使在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了故障，但在停機(jī)后可能無(wú)法找到故障位置。這就需要對(duì)故障在線定位進(jìn)行研究，在發(fā)現(xiàn)故障后找到對(duì)應(yīng)的故障磁極（對(duì)于隱極電機(jī)還需找到短路槽）。

一種較初步的思路是，引入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鑒相信號(hào)，找到故障后電氣量的時(shí)域特點(diǎn)或某些時(shí)間諧波的相位特點(diǎn)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系。初步的分析表明，這種關(guān)系可能受定子繞組的空間連接與分布影響。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障頻發(fā)，已引起很多電廠的重視。雖然轉(zhuǎn)子小匝數(shù)短路故障不會(huì)引起勵(lì)磁電流、無(wú)功及振動(dòng)的顯著變化，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行影響不大。但初步的分析表明，越是小匝數(shù)的短路越容易受到其他故障或過(guò)渡過(guò)程（起停機(jī)等）的沖擊而惡化（轉(zhuǎn)子接地等）。

從文中的展望中還可以看到，對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測(cè)的研究更為迫切。故筆者呼吁大型汽輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)專家與制造廠商能夠改變目前的中性點(diǎn)3端子引出方式，已有的研究成果已充分論證了引出分支電流的可行性［48］，若能加以推廣必將實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組的高質(zhì)量保護(hù)或監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高運(yùn)行可靠性。