U型線圈檢測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路性能分析

武玉才,李宏碩

(華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北保定 071003)

0 前言

勵(lì)磁繞組匝間短路故障是汽輪發(fā)電機(jī)一種常見電氣故障[1-3],會(huì)造成勵(lì)磁電流上升、溫度升高、無(wú)功功率相對(duì)降低,定子繞組并聯(lián)支路也會(huì)產(chǎn)生環(huán)流[4-6]。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路匝數(shù)較少且故障現(xiàn)象并不嚴(yán)重時(shí),發(fā)電機(jī)可以維持運(yùn)行,但如果不做出處理,匝間短路故障可能會(huì)進(jìn)一步惡化,導(dǎo)致嚴(yán)重的匝間短路[7],引起發(fā)電機(jī)強(qiáng)烈的振動(dòng)[8-12]。

U 型檢測(cè)線圈法是近年來(lái)提出的一種新型勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線檢測(cè)方法,通過(guò)檢測(cè)氣隙主磁場(chǎng)諧波判斷匝間短路故障是否存在,并且能夠根據(jù)電壓的時(shí)域波形對(duì)故障進(jìn)行定位[13],但U 型線圈安裝位置及其對(duì)檢測(cè)效果的影響還有待考察。

本文重點(diǎn)分析U 型線圈位置變化對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)匝間短路故障檢測(cè)性能的影響。首先分析了勵(lì)磁繞組匝間短路故障的磁場(chǎng)特征,介紹了U 型線圈法的檢測(cè)原理,隨后以QFSN-300-2-20B 型汽輪發(fā)電機(jī)為例,模擬了勵(lì)磁繞組匝間短路故障,最后得到了U 型檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓、諧波含量和電壓變化率等隨線圈位置的變化規(guī)律。

1 勵(lì)磁繞組匝間短路故障的磁動(dòng)勢(shì)特征

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為隱極機(jī)結(jié)構(gòu),通常為2 極或4 極,本文以2 極發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行分析。在靜止坐標(biāo)系下,對(duì)2 極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)做傅里葉分解,可得到基波和一系列奇數(shù)次諧波,勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為[10]:

式中,i為正整數(shù),i=1、2、3、4……;θr為轉(zhuǎn)子空間機(jī)械角度;β表示轉(zhuǎn)子槽間角;αk為第k槽繞組匝數(shù);γ為大齒區(qū)占轉(zhuǎn)子圓周的角度;If為勵(lì)磁電流。

勵(lì)磁繞組匝間短路故障后,被短路轉(zhuǎn)子繞組中無(wú)電流流過(guò),而剩余轉(zhuǎn)子繞組流過(guò)全部的勵(lì)磁電流,使得勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)變得不對(duì)稱。故障磁勢(shì)等于正常磁勢(shì)與被短路轉(zhuǎn)子繞組流過(guò)反向電流形成的磁勢(shì)的疊加[10],對(duì)被短路轉(zhuǎn)子繞組流過(guò)反向電流形成的磁勢(shì)可以表示為:

式中,m為從大齒起始的轉(zhuǎn)子槽編號(hào);Q為被短路轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù);j為正整數(shù),j=1、2、3、4……。

汽輪發(fā)電機(jī)在負(fù)載工況下運(yùn)行時(shí),其氣隙合成磁勢(shì)由勵(lì)磁磁勢(shì)與電樞反應(yīng)磁勢(shì)Fa組成,可以表示為:

由以上分析可知,汽輪發(fā)電機(jī)在發(fā)生勵(lì)磁繞組匝間短路故障后,勵(lì)磁磁勢(shì)及氣隙合成磁勢(shì)都變得不對(duì)稱,出現(xiàn)了新的2 次、4 次和6 次等偶數(shù)次諧波,這些諧波正比于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,勵(lì)磁電流越大,這種不對(duì)稱越明顯。

2 U 型檢測(cè)線圈原理

對(duì)于定子鐵芯徑向通風(fēng)的汽輪發(fā)電機(jī),可以包繞一段定子鐵芯安裝硬質(zhì)的U 型檢測(cè)線圈,如圖1所示,線圈底部位于發(fā)電機(jī)氣隙中,沿徑向伸出到發(fā)電機(jī)定子背部。

圖1 U 型檢測(cè)線圈安裝示意圖

汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,旋轉(zhuǎn)的氣隙主磁場(chǎng)切割U 型檢測(cè)線圈底部的有效邊,在線圈上感應(yīng)電壓表達(dá)式為:

式中,B為氣隙磁通密度;l為線圈的有效邊長(zhǎng);v為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的線速度。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),該感應(yīng)電勢(shì)中僅包含1、3、5 等奇數(shù)次諧波。

勵(lì)磁繞組匝間短路故障造成發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)不對(duì)稱,2 極汽輪發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)中出現(xiàn)2、4、6 等偶數(shù)次諧波[14],諧波磁場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切割U 型檢測(cè)線圈底部的有效邊,故線圈感應(yīng)電壓中將出現(xiàn)偶數(shù)次諧波,根據(jù)偶數(shù)次諧波(特別是二次諧波)幅值變化可以判斷勵(lì)磁繞組匝間短路故障。此外,轉(zhuǎn)子各槽口的漏磁通也將在U 型檢測(cè)線圈上感應(yīng)出脈沖,發(fā)生匝間短路故障的槽漏磁通減小,其在U 型檢測(cè)線圈上感應(yīng)的電壓將低于正常槽,可用于匝間短路故障定位。

3 仿真分析

本文以一臺(tái)QFSN-300-2-20B 型汽輪發(fā)電機(jī)為例,進(jìn)行有限元仿真,該發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)見表1。

通過(guò)ANSYS-Maxwell 搭建發(fā)電機(jī)二維有限元模型,如圖2所示。將模型導(dǎo)入到ANSYS-Simplorer 中,按照定、轉(zhuǎn)子繞組的實(shí)際連接方式構(gòu)造發(fā)電機(jī)外圍電路,建立場(chǎng)路耦合仿真平臺(tái)。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)場(chǎng)路耦合仿真模型

仿真發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載工況,分別設(shè)置轉(zhuǎn)子N 極1 號(hào)槽繞組正常、2 匝短路、4 匝短路。分別設(shè)置U型檢測(cè)線圈底部有效邊從定子齒正下方向定子槽正下方移動(dòng),在有限元模型中將線圈底部的有效邊等效為一點(diǎn),即從P1點(diǎn)向P3點(diǎn)移動(dòng),如圖3所示。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)的二維有限元模型局部圖

轉(zhuǎn)子發(fā)生不同程度匝間短路故障時(shí),各位置U 型線圈的感應(yīng)電壓如圖4所示。可以看到,在故障槽所覆蓋區(qū)域,線圈上感應(yīng)電壓低于繞組正常時(shí)的值,匝間短路故障越嚴(yán)重,電壓下降幅度越明顯。感應(yīng)電壓波形對(duì)U 型線圈的安裝位置并不敏感,僅有輕微的相位差。

圖4 不同位置U 型線圈的感應(yīng)電壓

對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行傅里葉分解,得到諧波含量如圖5所示?？梢钥吹?U 型線圈安裝位置對(duì)電壓諧波含量影響很小,隨著轉(zhuǎn)子1 號(hào)槽繞組短路匝數(shù)的增加,2 次、4 次等偶數(shù)次諧波的幅值顯著增大。

圖5 不同位置U 型線圈的電壓諧波含量

對(duì)圖4 中U 型線圈感應(yīng)電壓進(jìn)行微分,得到感應(yīng)電壓變化率波形,如圖6所示。轉(zhuǎn)子1 號(hào)槽繞組發(fā)生不同程度匝間短路時(shí),故障槽在U 型線圈上感應(yīng)電壓的變化率相對(duì)繞組正常時(shí)降低,且隨著匝間短路故障程度的加重,電壓變化率變化越明顯,由此可實(shí)現(xiàn)故障的定位。

安置轉(zhuǎn)子繞組的兩個(gè)故障槽在U 型線圈上感應(yīng)出的電壓變化率相對(duì)于正常情況下的偏差也是不同的,其中一個(gè)較為明顯,另一個(gè)則偏差較小,這一現(xiàn)象與負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)扭斜及各區(qū)間磁場(chǎng)飽和度不同有關(guān)。通過(guò)比較不同位置的U 型線圈的感應(yīng)電壓變化率可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論線圈位置如何,其感應(yīng)電壓變化率脈沖在匝間短路前后的幅值變化都比較明顯,因此線圈位置并不影響轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障定位。

4 結(jié)論

本文通過(guò)比較U 型線圈在不同位置處的檢測(cè)性能,得到以下結(jié)論:

(1)U 型線圈的位置并不影響對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判斷,也不影響故障定位性能;

(2)位于定子齒正下方的U 型線圈結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)潔,是優(yōu)選的線圈結(jié)構(gòu)和安裝方案。