水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的新型在線診斷方法

武玉才　馬倩倩　蔡波沖　唐勁飛

摘要：針對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障可引起水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組較為強(qiáng)烈的振動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)的問(wèn)題，以二灘水電站一臺(tái)550 MW水輪發(fā)電機(jī)為例，根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡原理，推導(dǎo)匝間短路前后發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)的變化規(guī)律，提出在水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心上安裝U型檢測(cè)線圈，用以檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。根據(jù)發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)穿過(guò)U型檢測(cè)線圈的磁通表達(dá)式，進(jìn)一步得到檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。二維電磁場(chǎng)仿真證明U型檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓可以反映水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路程度，并能定位故障磁極位置，新型檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線診斷。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子繞組匝間短路；U型檢測(cè)線圈；感應(yīng)電壓差；在線診斷

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號(hào)：TM 315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是大型同步發(fā)電機(jī)的多發(fā)性故障[1-6]，其中水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障占據(jù)了一定的比例[7-12]。一旦水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，故障極磁場(chǎng)被削弱，就會(huì)造成轉(zhuǎn)子故障側(cè)單邊磁拉力下降，形成不平衡磁拉力，嚴(yán)重的匝間短路可引起水輪發(fā)電機(jī)的劇烈振動(dòng)[13-14]。此外，水輪發(fā)電機(jī)還發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起橫差保護(hù)動(dòng)作事件[15]，因此，水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障應(yīng)引起足夠的重視[16]。

水輪發(fā)電機(jī)具有極對(duì)數(shù)多、凸極結(jié)構(gòu)以及定子繞組分支數(shù)多等特點(diǎn)。某一磁極的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路對(duì)局部電磁量影響較大，對(duì)發(fā)電機(jī)整體影響較小，這一特點(diǎn)導(dǎo)致適用于汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線診斷方法并不適用于水輪發(fā)電機(jī)，探測(cè)線圈法[17]、勵(lì)磁電流法[18-20]、虛功率法[21]、期望電勢(shì)法[22]、軸電壓法[23-25]、并聯(lián)支路環(huán)流法[26-27]、勵(lì)磁電流諧波法[28-32]和端部漏磁[33]等都無(wú)法靈敏地檢測(cè)出水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。由于這些技術(shù)限制，目前水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷還停留在離線水平，常采用的是直流電阻比較法[34-35]，交流阻抗和功率損耗法[36-37]，交直流分壓電壓法[38-39]等。這些方法均需要對(duì)轉(zhuǎn)子各磁極的繞組逐個(gè)測(cè)試，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，增加了機(jī)組的停運(yùn)時(shí)間。水輪發(fā)電機(jī)組停運(yùn)時(shí)間增長(zhǎng)將損失發(fā)電量，造成水資源的巨大浪費(fèi)，開(kāi)發(fā)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線診斷方法、降低故障停運(yùn)時(shí)間對(duì)于水電廠具有現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

本文選擇一臺(tái)550 MW水輪發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障引起的磁場(chǎng)不平衡問(wèn)題，提出在發(fā)電機(jī)內(nèi)部安裝新型檢測(cè)線圈，實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，為水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)提供了新的解決方案。

1磁場(chǎng)不平衡分析

水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組為集中式結(jié)構(gòu)，某磁極繞組發(fā)生匝間短路后，被短路繞組內(nèi)部電流為零，該磁極的繞組有效匝數(shù)減少，產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢(shì)明顯小于正常磁極。短路后的勵(lì)磁磁場(chǎng)可以看作正常的勵(lì)磁磁勢(shì)與被短路的勵(lì)磁繞組通入反向勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢(shì)的疊加，如圖1所示。

圖1轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后的勵(lì)磁磁勢(shì)示意圖

Fig.1Excitation magnetic potential of the rotor winding interturn circuit

轉(zhuǎn)子繞組正常情況下勵(lì)磁磁勢(shì)波形是軸對(duì)稱的，經(jīng)過(guò)傅立葉分解后無(wú)直流和偶數(shù)次諧波分量，僅含奇數(shù)次諧波，用余弦函數(shù)可以表示為

Ffnorm（θr）=F1cospθr+F3cos3pθr+

F5cos5pθr+…+Ficosipθr。（1）

式中：Fi表示第i次諧波磁勢(shì)的幅值，i為奇數(shù)；θr表示轉(zhuǎn)子空間機(jī)械角度；p表示水輪發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

被短路的勵(lì)磁繞組通入反向勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁勢(shì)具有非對(duì)稱性質(zhì)，經(jīng)過(guò)傅立葉分解可以表示為

ΔFf（θr）=-2QIfπ∑

SymboleB@ n=1sin（nα/2）ncosnθr。（2）

式中：Q表示勵(lì)磁繞組的短路匝數(shù)；n為正整數(shù)；If表示發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流；α表示轉(zhuǎn)子磁極的寬度。

由式（2）可知，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)中產(chǎn)生了新的諧波。轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)勵(lì)磁磁勢(shì)中僅含有奇數(shù)次諧波，匝間短路后則出現(xiàn)了分?jǐn)?shù)次諧波，該分?jǐn)?shù)次諧波疊加到對(duì)稱的勵(lì)磁磁勢(shì)上，使得發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)不對(duì)稱。

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，定子開(kāi)槽，且鐵心存在飽和現(xiàn)象，解析計(jì)算是無(wú)法準(zhǔn)確獲取發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的，應(yīng)借助計(jì)算精度更高的數(shù)值仿真工具。以東方電機(jī)廠和加拿大GE公司合作生產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)為例（運(yùn)行于中國(guó)二灘水電廠），參數(shù)見(jiàn)表1，采用Ansoft軟件建立發(fā)電機(jī)二維仿真模型，如圖2所示。

將搭建的發(fā)電機(jī)模型導(dǎo)入到Simplorer軟件中，按照定、轉(zhuǎn)子繞組的實(shí)際連接方式編輯外電路模型，搭建場(chǎng)路耦合的二維瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真模型，如圖3所示。

以發(fā)電機(jī)空載和帶額定負(fù)載運(yùn)行為例，分別設(shè)置轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，仿真得到發(fā)電機(jī)氣隙主磁場(chǎng)如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5看出：無(wú)論水輪發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行還是帶額定負(fù)載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)，各磁極相同位置的磁場(chǎng)基本相同；轉(zhuǎn)子某磁極繞組發(fā)生匝間短路后，該極勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)減少，其磁場(chǎng)明顯弱于正常極的磁場(chǎng)。

2新型檢測(cè)線圈法

水輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心普遍采用空冷方式，定子鐵心沿軸向分成若干段，段與段之間流通空氣，實(shí)現(xiàn)鐵心散熱。圖6為某水輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心結(jié)構(gòu)。

水輪發(fā)電機(jī)的分段式定子鐵心為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷提供了傳感器安裝空間，提出一種新型發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)檢測(cè)線圈，其結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖7所示。

檢測(cè)線圈為U型結(jié)構(gòu)，沿徑向包圍水輪發(fā)電機(jī)定子的一個(gè)鐵心段，U型底部位于發(fā)電機(jī)氣隙，U型出口處并聯(lián)一個(gè)高阻值電阻（1 000 Ω以上），通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集該電阻兩端電壓。

2.1U型檢測(cè)線圈的診斷機(jī)理

水輪發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下，氣隙磁通密度可以表示為

B（θr）=∑

SymboleB@ i=1Bicos（iPθr）。（3）

式中：p表示水輪發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；i為奇數(shù)，i=1，3，5，…；Bi表示i次諧波磁通密度的幅值；θr表示轉(zhuǎn)子圓周的空間機(jī)械角度。

假定初始時(shí)刻檢測(cè)線圈位于轉(zhuǎn)子某N極軸線位置，該時(shí)刻穿過(guò)檢測(cè)線圈的磁通為零。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，穿過(guò)檢測(cè)線圈的磁通周期性改變，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，穿過(guò)檢測(cè)線圈的磁通可以表示為

Φ（t）=∫ωrt0B（θr）ld（θrR）=

lR∑

從上式可知：U型檢測(cè)線圈實(shí)質(zhì)上是一種磁場(chǎng)測(cè)量線圈，檢測(cè)線圈所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)時(shí)域波形（式（5））與發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)空間波形（式（3））具有相似的形狀。

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，故障極磁場(chǎng)明顯減弱，當(dāng)故障磁極掃過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)，檢測(cè)線圈所感應(yīng)的電壓幅值也將小于正常磁極掃過(guò)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓，可根據(jù)這一特點(diǎn)診斷水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

2.2U型檢測(cè)線圈有效性驗(yàn)證

以550 MW水輪發(fā)電機(jī)為例，在發(fā)電機(jī)空載和額定負(fù)載狀態(tài)下，分別設(shè)置轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9看出：受故障極磁場(chǎng)削弱的影響，該磁極掃過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)，檢測(cè)線圈感應(yīng)的電壓明顯低于正常磁極的電壓值，短路程度越嚴(yán)重，電壓偏差越大，因此，可以將檢測(cè)線圈在各磁極處的感應(yīng)電壓偏差作為水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判據(jù)。

可以在發(fā)電機(jī)的定子鐵心上同時(shí)安裝2個(gè)U型檢測(cè)線圈，2個(gè)檢測(cè)線圈的間距為發(fā)電機(jī)極距的整數(shù)倍。

當(dāng)2個(gè)U形檢測(cè)線圈間的距離為發(fā)電機(jī)極距的奇數(shù)倍時(shí)，當(dāng)某一個(gè)線圈位于某N極下，則另一個(gè)線圈剛好位于某S極下的對(duì)應(yīng)位置，2個(gè)線圈任意時(shí)刻感應(yīng)的電壓波形反相位，將2個(gè)U形檢測(cè)線圈的輸出電壓相加，即

ΔU（t）=U1（t）+U2（t）。（6）

理論上，轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)相加后結(jié)果為零，若轉(zhuǎn)子某磁極繞組存在匝間短路故障，這2個(gè)檢測(cè)線圈的輸出電壓將出現(xiàn)局部偏差，相加結(jié)果不為零。

當(dāng)2個(gè)U形檢測(cè)線圈間的距離為發(fā)電機(jī)極距的偶數(shù)倍時(shí)，將2個(gè)U形檢測(cè)線圈的輸出電壓相減，即

ΔU（t）=U1（t）-U2（t）。（7）

勵(lì)磁繞組正常時(shí)相減后結(jié)果為零；若轉(zhuǎn)子某磁極繞組存在匝間短路故障，這2個(gè)檢測(cè)線圈的輸出電壓將出現(xiàn)局部偏差，相減結(jié)果不為零。

雙線圈法的好處是：發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況變化時(shí)，穿過(guò)2個(gè)檢測(cè)線圈處的磁場(chǎng)同時(shí)改變，因此，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組正常時(shí)，2個(gè)檢測(cè)線圈的輸出電壓是完全相同的，診斷的抗干擾能力得到了大幅提升。

以水輪發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行為例，設(shè)置2個(gè)檢測(cè)線圈相距6倍的極距，在轉(zhuǎn)子某磁極繞組短路10%時(shí)，2個(gè)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓之差如圖10所示。

可以看到：勵(lì)磁繞組匝間短路后，在轉(zhuǎn)子1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，2個(gè)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓差波形中存在1個(gè)正向脈沖和1個(gè)負(fù)向脈沖，這2個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為0.06 s，2個(gè)脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)故障極磁場(chǎng)掃過(guò)這2個(gè)檢測(cè)線圈的時(shí)刻。

雙線圈法可以有效診斷出水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組匝間短路故障，隨著匝間短路程度的加重，2個(gè)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的幅值差異也將變大，因此，該方法還可以反映出勵(lì)磁繞組匝間短路故障的嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢(shì)。

U型檢測(cè)線圈可以在水輪發(fā)電機(jī)制造或大修階段安裝，該線圈檢測(cè)發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)，線圈底部可以緊貼定子內(nèi)徑，不存在與轉(zhuǎn)子碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。新型檢測(cè)線圈選擇高電阻率、高強(qiáng)度且具有一定韌性的合金材料制作而成，可以有效降低運(yùn)行過(guò)程中的渦流損耗和變形風(fēng)險(xiǎn)。檢測(cè)線圈的輸出電壓不會(huì)超過(guò)常規(guī)信號(hào)采集裝置的電壓上限，因此，常規(guī)的數(shù)據(jù)采集裝置可以直接采集檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓。經(jīng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算得到2個(gè)線圈感應(yīng)電壓之差ΔU，當(dāng)ΔU大于設(shè)定閾值時(shí)，計(jì)算機(jī)立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線診斷。結(jié)合鍵相信號(hào)還可以進(jìn)一步確定故障磁極位置，避免停機(jī)后進(jìn)行二次檢測(cè)，縮短了故障處理時(shí)間。

3結(jié)論

本文研究了水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的磁場(chǎng)特征，提出了在定子鐵心上安裝U型檢測(cè)線圈診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，得出以下結(jié)論：

1）水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，氣隙磁場(chǎng)將變得不對(duì)稱，故障極磁場(chǎng)明顯減弱；

2）在水輪發(fā)電機(jī)定子鐵軛上安裝2個(gè)U型檢測(cè)線圈，通過(guò)U型檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓差異可以診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障；

3）U型檢測(cè)線圈法的靈敏度和可靠性較高，可對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障進(jìn)行在線診斷和定位，解決了水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：邱赫男）