大型電機(jī)線圈匝間短路監(jiān)測診斷系統(tǒng)的改進(jìn)

唐李冰

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

在大型發(fā)電機(jī)發(fā)生的故障中，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈絕緣破壞的發(fā)生，還是比較頻繁而且是不易查覺的。線圈絕緣的損壞就會(huì)導(dǎo)致匝間短路，勵(lì)磁線圈的匝間短路會(huì)引起磁場的不平衡，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的機(jī)械振動(dòng)、溫度升高和絕緣劣化。這種振動(dòng)又會(huì)加重轉(zhuǎn)子線圈絕緣損壞和匝間短路，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)的進(jìn)一步加劇。而轉(zhuǎn)子振動(dòng)又反過來促使線圈匝間短路故障的加重。如此周而復(fù)始，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，發(fā)電機(jī)無法達(dá)到額定功率，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)子燒毀和突然強(qiáng)迫停機(jī)。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)線圈匝間短路和預(yù)防這種故障的擴(kuò)大，采用了多種在線和離線檢測方法。然而，傳統(tǒng)的方法存在許多缺點(diǎn)，其中比較突出的問題是:必須不斷地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率才能逐步地找出短路線圈。發(fā)電機(jī)功率的調(diào)節(jié)，影響輸出功率，用戶不能接受。為了克服傳統(tǒng)方法存在的缺點(diǎn)，開發(fā)應(yīng)用了一種新型自動(dòng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，真機(jī)應(yīng)用效果良好。現(xiàn)在已經(jīng)將它納入現(xiàn)代化的發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)。

1 引起振動(dòng)的機(jī)理

雖然在理論上要求轉(zhuǎn)子線圈絕緣必須能夠承受電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力。但是在大型發(fā)電機(jī)發(fā)生的故障中，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈絕緣破壞的發(fā)生，還是比較頻繁而且是不易查覺的。線圈絕緣的損壞就會(huì)導(dǎo)致匝間短路，并引起很大的轉(zhuǎn)子振動(dòng)，從而限制了發(fā)電機(jī)的輸出功率。雖然較大的振動(dòng)是轉(zhuǎn)子匝間短路的標(biāo)志之一，但是引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原因還有其它多種，比如由離心力引起的破壞和移動(dòng)，由發(fā)熱引起的熱脹冷縮、機(jī)械磨損，由過載引起的過熱，由系統(tǒng)引起的過電壓，由通風(fēng)和銅粉塵埃產(chǎn)生的污染等等。勵(lì)磁線圈的匝間短路會(huì)引起磁場的不平衡，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的機(jī)械振動(dòng)、溫度升高和絕緣劣化。這種振動(dòng)又會(huì)造成轉(zhuǎn)子線圈絕緣損壞和匝間短路，并引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)的進(jìn)一步加劇。而轉(zhuǎn)子振動(dòng)又反過來促使線圈匝間短路故障的加重。如此周而復(fù)始，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，發(fā)電機(jī)無法達(dá)到額定功率，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)子燒毀和突然強(qiáng)迫停機(jī)。

如果發(fā)生轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈匝間短路，其電阻就會(huì)減小，電流就會(huì)增加。與沒有發(fā)生匝間短路的線圈相比，線圈的焦耳熱量就會(huì)減少。線圈的這種冷熱反差，直接影響到磁極、磁軛以及轉(zhuǎn)軸，使它們沿著軸向的熱脹冷縮不均衡，導(dǎo)致彎曲，并引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。在這種情況下，與遠(yuǎn)離磁極的線圈相比，靠近磁極的短路線圈就會(huì)引起幅值更大的振動(dòng)。對于隱極發(fā)電機(jī)來說，與具有4極的發(fā)電機(jī)相比，兩極發(fā)電機(jī)的此類問題更加嚴(yán)重。

消除振動(dòng)的措施是進(jìn)行動(dòng)平衡。因?yàn)閷?shí)施動(dòng)平衡不需要抽出轉(zhuǎn)子。所以它是首先應(yīng)當(dāng)采取的措施，但是它不能從根本上解決問題，因?yàn)槭窃跐M負(fù)荷工況下進(jìn)行的動(dòng)平衡。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，所裝設(shè)的平衡塊，就會(huì)引起新的振動(dòng)，雖然主軸的彎曲不大。因此，為了確認(rèn)是否存在轉(zhuǎn)子匝間短路，必須進(jìn)行在線檢測診斷分析，同時(shí)還要進(jìn)行在線氣隙磁通監(jiān)測診斷分析。

因此，為了確認(rèn)這種振動(dòng)不是別的原因，而是由匝間短路引起的，可以采用其它離線檢測方法，比如對地電壓試驗(yàn)或抽出磁極檢測線圈等。但是這些離線檢測方法必須停機(jī)，甚至還要拆卸部件才能進(jìn)行。在停機(jī)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)，就不能反映機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的真實(shí)情況，故障就可能檢測不出來，雖然故障仍然存在。至于拆卸部件，又是用戶很不情愿的，他們希望在運(yùn)行中實(shí)施在線檢測。

2 傳統(tǒng)檢測方法

傳統(tǒng)的在線檢測方法已經(jīng)應(yīng)用了將近40多年。它是將帶有幾十匝的小型線圈探測傳感器用環(huán)氧聚合物包裹起來，并采用了實(shí)心圓盤防護(hù)罩將它永久性地安裝在定子槽楔上，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)子線圈都會(huì)掠過這個(gè)傳感器，轉(zhuǎn)子的漏磁通就會(huì)被檢測出來。因?yàn)槁┐磐ㄅc轉(zhuǎn)子線圈的總安匝數(shù)成正比，如果轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路，它的安匝數(shù)及其漏磁通就會(huì)被減小，采用配套設(shè)置的傳感器探測線圈，就可以通過與磁通成正比的線圈感應(yīng)電壓，并采用轉(zhuǎn)子磁通分析儀來檢測磁通幅值，通過分析所記錄的磁通波形數(shù)據(jù)，就可以確定發(fā)生匝間短路的線圈位置。［1］

對于隱極發(fā)電機(jī)，如果沒有匝間短路，每個(gè)轉(zhuǎn)子線槽的磁通波形幅值大小都應(yīng)該相等。由于與氣隙主磁通相比，漏磁通很小，為了提高測試靈敏度，要求發(fā)電機(jī)的負(fù)荷必須在滿載和空載之間改變幾個(gè)等級。

為了檢測轉(zhuǎn)子線圈匝間短路通常采用兩種方法:1)對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的諧波成分進(jìn)行識(shí)別;2)應(yīng)用磁通探測器來監(jiān)控磁場的對稱性。實(shí)踐表明，應(yīng)用比較多的是后面的一種方法，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)產(chǎn)生故障的原因及其影響的基本關(guān)系。［2］

如果一個(gè)線圈有5%的線匝短路，那么磁極磁通的波峰幅值預(yù)計(jì)也會(huì)減小5%左右。但是這個(gè)推論有兩個(gè)先決條件:1)必須是在磁通的正弦波形曲線與其橫軸(q軸)交叉的零點(diǎn);2)同時(shí)又與發(fā)生短路線圈所在的線槽位置重疊。因?yàn)檗D(zhuǎn)子線槽的漏磁場對主磁場有干擾，所以必須通過轉(zhuǎn)子負(fù)載角的調(diào)節(jié)，來達(dá)到使這種干擾為最小的目的。轉(zhuǎn)子磁通幅值的大小取決于發(fā)電機(jī)瞬態(tài)有功功率和無功功率的大小。當(dāng)有功功率為零時(shí)，正好是磁通波形與橫軸的交叉零點(diǎn)。但是這個(gè)交叉的零點(diǎn)不一定就是短路線圈線槽的位置。如果增加有功功率，這個(gè)交叉零點(diǎn)的位置就會(huì)發(fā)生很大的變化。因此，通過改變發(fā)電機(jī)的負(fù)載，使這個(gè)交叉的零點(diǎn)與探測器磁通波形峰值對準(zhǔn)的線槽重疊，即沿著磁通縱軸方向上下都處在一條線(磁通零點(diǎn)線)上，才能達(dá)到高靈敏度地檢測出來發(fā)生短路的線圈及其槽位。如果不調(diào)節(jié)負(fù)載，就可能使有些短路線圈檢測不出來;如果調(diào)節(jié)負(fù)載，就會(huì)影響發(fā)電量。實(shí)施具有高靈敏度的檢測時(shí)，短路線圈槽位與交叉零點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

由此可見，這種傳統(tǒng)上一直在應(yīng)用的商用漏磁通探測器有以下幾個(gè)缺點(diǎn):1)在氣隙中的強(qiáng)磁場作用下，它的實(shí)心防護(hù)罩就會(huì)產(chǎn)生渦流，從而妨礙漏磁通的測量;2)在氣隙中的強(qiáng)風(fēng)作用下，這種小型探測器可能被吹動(dòng)移位，或在抽出轉(zhuǎn)子時(shí)被破壞;3)必須把轉(zhuǎn)子從定子中抽出來才能安裝探測傳感器;4)它要求發(fā)電機(jī)分為幾個(gè)等級來改變負(fù)載，這樣就會(huì)減少發(fā)電量，用戶不能同意。必須分級改變發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，才能比較準(zhǔn)確的確認(rèn)發(fā)生匝間短路的線圈，是現(xiàn)有的磁通監(jiān)測技術(shù)的主要缺點(diǎn)。至于靠近磁極的線圈，檢測就更加困難。因?yàn)榇藭r(shí)要求發(fā)電機(jī)必須發(fā)出最大的有功功率和最大的無功功率，這在許多發(fā)電站是不可能做到的。此外，還由于磁通探測器采集的信號(hào)不同，又很難識(shí)別，所以必須開發(fā)一種準(zhǔn)確的換算方法。

3 新型監(jiān)測系統(tǒng)

為了解決這些問題，能夠準(zhǔn)確地判斷發(fā)生匝間短路的線圈槽位或磁極，應(yīng)用有限元仿真技術(shù)研究了轉(zhuǎn)子線圈匝間短路對發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，獲得了所需要的大量信息。由于短路匝數(shù)、短路位置、負(fù)載電流、功率因數(shù)等參數(shù)對診斷信號(hào)的形狀和幅值有很大的影響，為了確保診斷評估的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了更加深入和擴(kuò)大范圍的分析，開發(fā)應(yīng)用了一種經(jīng)過改進(jìn)的用于大型電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈絕緣故障和匝間短路的新型監(jiān)測診斷系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要由氣隙主磁通探測器和便攜式分析儀以及由遠(yuǎn)程自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)監(jiān)控的以后界面裝置組成。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，它具有安裝方便、操作簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。由于它采用了新的計(jì)算分析程序，無需在調(diào)節(jié)不同負(fù)荷前提下，就可以準(zhǔn)確地檢測出來發(fā)生匝間短路的線圈及其所在的槽位或磁極。這種更加準(zhǔn)確的、完整的自動(dòng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)如圖1所示，它實(shí)現(xiàn)了以下兩個(gè)創(chuàng)新:1)無需抽出轉(zhuǎn)子即可安裝探測器，它采用了一個(gè)放置在由彈性材料制成的底座上、并具有非常薄的多層印刷電路板的探測器，這種具有彈性的微小的扁平形探測器被粘在定子齒上(而不是槽楔上);2)采用了新型診斷裝置和計(jì)算分析程序。當(dāng)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行過程中，應(yīng)用它來測量主磁通時(shí)，能夠比較準(zhǔn)確地測量出來任何隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽內(nèi)發(fā)生匝間短路的線圈。這種新型系統(tǒng)已經(jīng)成功地用于勵(lì)磁繞組狀態(tài)的在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。［3］

3.1 隱極發(fā)電機(jī)

3.1.1 遠(yuǎn)離磁極的線圈

對一臺(tái)電壓為13.8 kV容量為115 MVA的2極隱極發(fā)電機(jī)，采用分辨率比較高的新型分析計(jì)算系統(tǒng)，在不同負(fù)荷情況下，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。結(jié)果表明，即使遠(yuǎn)離磁極的線圈，也不必改變負(fù)荷，就能準(zhǔn)確地監(jiān)測出來匝間短路。隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 大型電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈匝間短路新型完整的自動(dòng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

對于這臺(tái)隱極發(fā)電機(jī)來說，相鄰兩個(gè)(N和S)磁極的極性及其磁通方向正好相反。在它們兩個(gè)磁通密度波形之間分界線上的磁通，理論上應(yīng)當(dāng)為零，稱為磁通零點(diǎn)線。處在這個(gè)位置的線圈(圖2中的3號(hào)線圈)如果發(fā)生匝間短路，采用傳統(tǒng)的檢測方法，就很難檢測出來。此時(shí)，必須通過改變發(fā)電機(jī)的負(fù)荷來改變這個(gè)磁通零點(diǎn)線的位置，使它靠近磁極中心線和遠(yuǎn)離發(fā)生匝間短路的線圈，還要將負(fù)荷調(diào)節(jié)到最大值(有功功率為 80 MW和無功功率為12 MVar)。這樣，才能準(zhǔn)確地檢測出來遠(yuǎn)離磁極的發(fā)生匝間短路的線圈。［4］

圖2 隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極線圈結(jié)構(gòu)示意圖

如果采用配備有新開發(fā)的計(jì)算分析程序的檢測系統(tǒng)，可以不必再調(diào)節(jié)負(fù)荷，甚至能夠在沒有負(fù)荷的空載工況下，準(zhǔn)確地檢測出來任何一個(gè)線圈的匝間短路，而不必考慮這個(gè)線圈相對于磁極的距離。曾經(jīng)在不同的負(fù)荷情況下，對于每一個(gè)線圈都進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，即使在最小負(fù)荷、甚至達(dá)到空載工況下，也可以在零點(diǎn)軸線處于遠(yuǎn)離磁極軸線的那個(gè)發(fā)生匝間短路的線圈位置上，清晰地檢測出來這個(gè)線圈的匝間短路故障。采用新型檢測方法時(shí)，負(fù)荷的改變和零點(diǎn)軸線位置的調(diào)節(jié)，對于檢測結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，這是傳統(tǒng)方法不可能做到的。新方法之所以能做到，是因?yàn)樗捎昧艘环N新的計(jì)算分析程序，即自相關(guān)法則，對每個(gè)磁極的磁通幅值等數(shù)據(jù)進(jìn)行了積分，并將積分結(jié)果與其極性相反的磁極進(jìn)行比較。這種比較的結(jié)果表明，發(fā)生匝間短路的磁極磁通波形幅值與其相對應(yīng)磁極的差值大于3%，而沒有發(fā)生匝間短路線圈的磁極之間的差值不超過1%。

3.1.2 靠近磁極的線圈

對另一臺(tái)容量為100 MVA的隱極發(fā)電機(jī)也進(jìn)行了試驗(yàn)。多年來這臺(tái)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)在增加，引起振動(dòng)的原因不明。在最大負(fù)荷工況下，通過在定子齒上安裝的探測器測量了緊靠磁極的線圈磁通幅值，并與其它磁極線圈相比，其差值接近9%。但是不能確定發(fā)電機(jī)振動(dòng)就是線圈匝間短路引起的。因?yàn)椴捎玫氖莻鹘y(tǒng)的檢測方法，磁通密度零點(diǎn)線的位置，不利于準(zhǔn)確地檢測線圈匝間短路。所以采用了新的檢測方法如圖3所示。因?yàn)椴捎昧诵碌挠?jì)算分析處理程序，就無需要求在最大負(fù)荷下，也不必調(diào)節(jié)負(fù)荷，即可準(zhǔn)確地監(jiān)測出來這個(gè)靠近磁極線圈(比如圖2中的1號(hào)線圈)的匝間短路故障:該線圈相對于另外磁極的相對應(yīng)線圈的磁通幅值差別為8.2%～9.9%，而沒有發(fā)生匝間短路的不同磁極相對應(yīng)的線圈之間都不超過1%。

圖3 隱極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路線匝及其槽位的檢測示意圖

這種新型診斷裝置和計(jì)算分析程序也可以應(yīng)用于凸極結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)上。

3.2 凸極發(fā)電機(jī)

與隱極發(fā)電機(jī)不同，對于凸極發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈匝間短路的監(jiān)測診斷目標(biāo)不是發(fā)生短路的線圈槽位，而是發(fā)生匝間短路線圈所在的磁極。因?yàn)槊恳粋€(gè)磁極的氣隙徑向磁通波形，都與發(fā)電機(jī)的有功和無功功率有關(guān)。當(dāng)負(fù)荷為一定值時(shí)，這個(gè)磁極磁通波形相對于時(shí)間的任何變化，都很可能是匝間短路引起的。［5］

雖然轉(zhuǎn)子的極數(shù)和磁極磁通相互之間會(huì)有差異，而且轉(zhuǎn)子可能偏心，它們都能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁通幅值沿著圓周分布的不圓滑。但是，在某一個(gè)穩(wěn)定負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，如果凸極發(fā)電機(jī)某個(gè)磁極磁通的波形曲線圖有突變，那肯定是由匝間短路引起的。實(shí)施磁極與其相對應(yīng)磁極之間磁通幅值的比較，可以作為判斷線圈匝間短路的標(biāo)志。所進(jìn)行的磁場測試結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子磁極線圈匝間短路的在線檢測和離線(停機(jī)以后抽出轉(zhuǎn)子)檢測這兩種方法之間，不可能有比較好的相關(guān)性。因?yàn)?(1)這兩種測試方法都缺少對極性(正極和負(fù)極)的識(shí)別;(2)兩種測試方法和條件完全不同，離線測試采用交流電進(jìn)行，對第一個(gè)匝間短路很敏感，對其它的匝間短路就不太敏感;而在線測試，則是采用直流電來檢測磁通，對所有的匝間短路都有相同的靈敏度。雖然這兩種方法都能識(shí)別發(fā)生線圈匝間短路的磁極，但是在沒有抽出轉(zhuǎn)子的情況下，就無法確認(rèn)這些測試是指的同一個(gè)磁極，而且在運(yùn)行中通過在線檢測出來的匝間短路故障，在抽出轉(zhuǎn)子以后的離線檢測時(shí)，可能會(huì)消失。因此，采用了新型檢測系統(tǒng)，對一臺(tái)具有44極的凸極發(fā)電機(jī)的磁通、電壓和功率都進(jìn)行了在線和離線檢測。結(jié)果表明，采用的這三種方法都檢測出來發(fā)生線圈匝間短路的(21號(hào))磁極。從圖4給出的磁極磁通波形分布示意圖可見，21號(hào)磁極的磁通波形發(fā)生了突變，其磁通波形幅值有很大的跌落，而其相應(yīng)的電壓和功率也有類似的降低。

圖4 具有44個(gè)磁極的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極氣隙磁通波形分布示意圖

4 結(jié)語

1)由于轉(zhuǎn)子偏心、離心力、熱脹冷縮、機(jī)械磨損、過載過熱、過電壓、灰塵污染等等多種原因都會(huì)引起大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)，并進(jìn)一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈絕緣損壞和匝間短路。線圈的匝間短路會(huì)引起磁場的不平衡，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)又反過來促使線圈匝間短路故障的加重。這種惡性循環(huán)無法使發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)子燒毀和非計(jì)劃性突然強(qiáng)迫停機(jī)。

2)為了預(yù)防線圈匝間絕緣破壞和匝間短路故障的惡化，已經(jīng)應(yīng)用了40多年的傳統(tǒng)檢測方法仍然存在很多缺點(diǎn)，其中包括檢測的靈敏度不高和要求必須調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載才能進(jìn)行檢測，這些問題是用戶不能接受的。

3)開發(fā)應(yīng)用了一種新型完整的自動(dòng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，不必調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載就可以比較準(zhǔn)確地檢測出來轉(zhuǎn)子線圈的匝間短路故障。這種新型方法已經(jīng)納入現(xiàn)代化的發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)。