核電汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的定子環(huán)流特征

武玉才 馬冠華

摘 要：隨著我國新一代核電技術(shù)的成熟，未來將有更多先進(jìn)的核電站投入發(fā)電運(yùn)營。核電機(jī)組普遍為半速汽輪發(fā)電機(jī)，與全速汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有所不同，發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障時的特征也有一定的差異。本文針對轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的磁場特征進(jìn)行了分析，將交流繞組電動勢計算方法應(yīng)用到轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障這一特殊狀態(tài)，將故障形成的1/2次諧波特征磁場看作主磁場，將定子繞組看作超短距繞組，得到了一對磁極下1/2次諧波電動勢的表達(dá)式，進(jìn)一步推導(dǎo)了雙極繞組串聯(lián)后的電動勢表達(dá)式，建立了諧波電動勢與諧波磁場的函數(shù)關(guān)系式。通過數(shù)值仿真研究了并聯(lián)支路環(huán)流波形特征以及頻率特征與短路程度的關(guān)聯(lián)性，為并聯(lián)支路環(huán)流法在半速汽輪發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用提供了理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：半速汽輪發(fā)電機(jī); 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路; 諧波分析; 定子環(huán)流; 故障診斷與定位

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.006

中圖分類號：TM 761文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0045-08

Abstract：Nuclear power units are generally half speed turbogenerators. Halfspeed turbine generator is different from fullspeed turbine generator in structure， and the characteristics of rotor windings interturn short circuit fault are also different. In this paper， the magnetic field characteristics of the interturn shortcircuit fault in rotor winding were analyzed. Combining with the calculation method of electromotive force of AC windings， the expression of 1/2 harmonic electromotive force under a pair of poles was obtained， under the condition that the 1/2 harmonic magnetic field generated by the fault being regarded as the main magnetic field and the stator winding is regarded as the ultrashort distance winding. And the functional relationship between harmonic EMF and harmonic magnetic field is established. The expression of electromotive force in series of bipolar windings was further deduced. The waveform characteristics of parallel branch circulating current and the correlation between frequency characteristics and short circuit level were studied by numerical simulation， which provides theoretical reference and data support for the application of parallel branch circulating current method in halfspeed turbine generator.

Keywords：halfspeed turbine generator; rotor windings interturn short circuit; harmonic analysis ; stator circulating current; fault diagnosis and location

0 引 言

近些年，我國核電事業(yè)迎來了新一輪發(fā)展機(jī)遇，相繼有一批核電站投產(chǎn)運(yùn)營。隨著我國新一代核電技術(shù)的成熟，未來將有更多先進(jìn)的核電站投入發(fā)電運(yùn)營。為提高發(fā)電效率，核電站普遍采用大容量半速汽輪發(fā)電機(jī)組，核電站特殊環(huán)境對機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，提高在線監(jiān)測水平、降低惡性故障的發(fā)生率一直是核電站追求的重要目標(biāo)。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是大型汽輪發(fā)電機(jī)的一種常見故障，我國每年都有一些機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障[1-2]。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路不屬于惡性故障，但其所造成的振動問題一直困擾著發(fā)電企業(yè)，故障引起的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)或兩點(diǎn)接地、大軸磁化、軸電流超標(biāo)等可能對發(fā)電機(jī)造成實(shí)質(zhì)性損害。查找短路故障以及進(jìn)行故障定位需要花費(fèi)大量的人力、物力，延長了停機(jī)時間，造成的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。特別是大型核電機(jī)組，即使機(jī)組長期停運(yùn)，核燃料依然會定期、定量更換，這時發(fā)電量損益即意味著凈經(jīng)濟(jì)損失，可達(dá)每天千萬元之多。故障停機(jī)不僅影響了正常的發(fā)電計劃，也給電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)配和安全穩(wěn)定帶來了較大壓力。

針對轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，為了保證診斷的實(shí)時性，需要對短路故障進(jìn)行長期、連續(xù)監(jiān)測和快速判斷，離線方法顯然無法滿足要求，只能依賴在線檢測方法。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了數(shù)種轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線檢測方法，例如，文獻(xiàn)[3]分析了短路故障造成的發(fā)電機(jī)勵磁磁勢損失以及發(fā)電機(jī)無功與故障勵磁電流的關(guān)系，提出了基于勵磁電流變化量的判據(jù);文獻(xiàn)[4]分析了轉(zhuǎn)子槽漏磁通量在短路故障發(fā)生后減小的特點(diǎn)，提出通過徑向和切向的微型線圈檢測和定位匝間短路故障;文獻(xiàn)[5]基于勵磁電流、勵磁磁勢與發(fā)電機(jī)電磁功率的聯(lián)系，提出利用電磁功率期望值與實(shí)際值之差判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障;文獻(xiàn)[6]建議在定子槽楔下安裝大尺寸檢測線圈，利用線圈感應(yīng)的特定頻率諧波判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，此外，一些文章還研究了基于空載電動勢[7]、軸電壓[8-9]以及端部漏磁通[10]等狀態(tài)量的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線檢測方法。這些方法中的少數(shù)檢測方法如探測線圈法和勵磁電流法已經(jīng)獲得了應(yīng)用，然而，總體來看，上述檢測方法在靈敏度、可靠性等方面不夠理想，一些方法受到運(yùn)行工況限制。部分檢測方法如勵磁電流法、虛功率法依賴于勵磁電流的準(zhǔn)確測量，不適用于采用無刷勵磁方式的核電半速汽輪發(fā)電機(jī)。一些方法為侵入式檢測方法，如探測線圈法[11]、新型探測線圈法[6]、端部漏磁通法[10]等，有傳感器安裝不便、存在安全隱患等問題。文獻(xiàn)[12]根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后勵磁磁場不對稱現(xiàn)象以及定子一相雙分支的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出將定子繞組作為傳感器，通過并聯(lián)支路環(huán)流判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。該方法屬于非侵入式檢測方法，不影響發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，但受定子繞組出口處的空間限制，目前還無法在每相的2個分支均安裝傳統(tǒng)電磁式電流互感器。新型小體積的光電式電流互感器技術(shù)不斷發(fā)展，將來可能用于定子繞組各分支電流測量，屆時并聯(lián)支路環(huán)流法將具備實(shí)際應(yīng)用條件。因此，對定子并聯(lián)支路環(huán)流的分析和計算是有積極意義的，該方法在過去十余年時間里得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的深入探索，并取得了一系列可喜的研究成果[13-17]。

本文選擇核電半速汽輪發(fā)電機(jī)組作為研究對象，針對其轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了匝間短路故障后勵磁磁場的特有諧波，將交流繞組的感應(yīng)電動勢計算理論應(yīng)用到轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障這一特殊狀態(tài)，建立了諧波電動勢與諧波磁場的函數(shù)關(guān)系式。最后，通過有限元仿真驗(yàn)證了并聯(lián)支路環(huán)流與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障間的關(guān)聯(lián)性，完成了故障特征量的量化工作。

1 故障特征諧波分析

半速汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各槽的繞組匝數(shù)基本相同，僅靠近大齒的槽內(nèi)繞組匝數(shù)略少，勵磁磁勢在轉(zhuǎn)子各槽的階躍量與該槽的有效安匝數(shù)成正比例關(guān)系。一旦轉(zhuǎn)子某槽繞組發(fā)生匝間短路故障，勵磁磁勢在該槽的階躍量將下降，勵磁磁勢如圖1所示。圖中θr為轉(zhuǎn)子空間機(jī)械角度，虛線部分是繞組正常時的對稱勵磁磁動勢，實(shí)線部分是短路后的不對稱勵磁磁動勢。

對圖1中的正常、對稱勵磁磁勢作傅立葉分解，將僅能得到基波和奇數(shù)次諧波，對故障、非對稱勵磁磁勢作傅立葉分解，除了得到基波和奇數(shù)次諧波外，還將出現(xiàn)1/2次、3/2次、2次和5/2次等諧波。這些諧波磁勢將在發(fā)電機(jī)氣隙形成相應(yīng)的諧波磁場，其中頻率較低的1/2次諧波磁場的幅值最大，故理論分析部分僅以1/2次諧波磁場為例。

通過以上分析可知：對于核電半速汽輪發(fā)電機(jī)，定子一相繞組環(huán)流可以反映出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，但由于空載和負(fù)載工況下環(huán)流的明顯差別，需要分別針對空載和負(fù)載不同工況分別設(shè)置故障判定閾值。仿真結(jié)果表明環(huán)流與勵磁電流相關(guān)性較大，半速汽輪發(fā)電機(jī)通常采用無刷勵磁方式，勵磁電流不可直接測量，但主勵磁機(jī)勵磁電流與發(fā)電機(jī)勵磁電流存在著正相關(guān)關(guān)系，故可以將主勵磁機(jī)的勵磁電流作為閾值設(shè)置的參考，形成動態(tài)變化的定子環(huán)流判據(jù)。

3 結(jié)論

本文針對核電半速汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路問題展開研究，分析了定子一相繞組的環(huán)流特征，得出以下結(jié)論：

1）半速汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，氣隙磁場變得不對稱，出現(xiàn)1/2次、3/2次、等諧波磁場。

2）定子繞組并聯(lián)支路中的1/2次、3/2次諧波受短路故障程度的影響，短路越嚴(yán)重，1/2次、3/2次諧波環(huán)流幅值越大，故可選擇1/2次或3/2次諧波環(huán)流作為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的主要特征。

3）并聯(lián)支路環(huán)流法為非侵入式檢測方法，具有安全、可靠、靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)，在定子環(huán)流可以準(zhǔn)確、方便地測量時，該方法將具有技術(shù)優(yōu)勢。

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（編輯：賈志超）