基于端部畸变效应的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法

摘要

一种基于端部畸变效应的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法，所述方法将磁场探测线圈安装在发电机的端部畸变磁通路径上。然后利用数据采集仪在线采集磁场探测线圈感应的电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到其频谱图；最后根据该信号各频谱分量的幅值变化情况诊断汽轮发电机转子绕组是否存在匝间短路故障。本发明根据磁场探测线圈感应电压信号中某些特征频率分量的幅值变化诊断汽轮发电机转子绕组匝间短路故障，具有诊断灵敏性高，传感器安装方便等优点，所述方法普遍适用于电力系统中各类汽轮发电机，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够在线诊断同步电机转子绕组是否存在匝间短路故障的方法，属发电机技术领域。 

背景技术

转子绕组匝间短路故障是大型汽轮发电机常见的故障类型，较为轻微的转子绕组匝间短路故障通常不会对机组的运行构成威胁，但经验表明，若故障不能及时发现和处理，发电机带病运行可能进一步引起严重故障，如汽轮发电机的转子一点接地、两点接地、大轴磁化等问题。尽管大型汽轮发电机制造技术在不断发展和进步，但转子绕组匝间短路的故障率并没有呈现出明显下降趋势，反而有上升势头，特别是在当前及未来的主力600MW发电机型上，主要原因是：发电机容量越大额定励磁电流越大，600MW汽轮发电机的额定励磁电流为300MW汽轮发电机的近2倍，绕组承受的热负荷增加；转子半径更大，相应的离心力正比例增加。 汽轮发电机容量越大，转子绕组匝间短路故障造成的停机成本越高，鉴于大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障对机组安全稳定运行的潜在的威胁破坏能力及故障的多发性，在线监测并预警发电机转子绕组匝间短路故障是十分必要的。 

目前，在线检测转子绕组匝间短路故障的方法主要有探测线圈法、励磁电流法以及基于转子基频振动的检测方法。 

探测线圈法的基本原理是对发电机定子铁芯气隙中的旋转磁场进行微分，然后通过分析信号微分后的波形来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障以及故障槽的位置。所述方法的缺点是只适合诊断分布式绕组的隐极电机而且只在发电机空载状态才能获得较高的监测可靠性，而当发电机带载运行时，探测效果并不明显，检测准确度较差。此外，这种方法需要将探测线圈装在定子铁芯的空气隙表面，由于对已经投运汽轮发电机安装探测线圈相当困难，使所述方法的应用范围受到了限制。

励磁电流法是根据短路故障前后励磁电流的变化和无功的相对变化来监测转子短路故障，适用于静止励磁电机。所述方法为系统的扰动以及功率调节留有一定的裕度，对严重短路较为有效，而轻微的匝间短路（如1匝短路）通常难以检测。 

基于转子的基频振动的转子绕组匝间短路故障监测方法监测的是转子的振动信号，然而转子振动是机电交叉作用的结果，包括质量不平衡和动偏心等初始状态的影响，如果转子所受初始不平衡外力与转子匝间短路引起的不平衡磁拉力相位相反，那么短路发生后发电机的基频振动可能仍处于正常范围，无法检测出故障。 

总之，尽管国内外对转子绕组匝间短路故障的在线检测十分重视，但现有的各种方法在应用中还是受到一定的制约，实际测试中得到的结果并不十分理想，发电厂发生转子绕组匝间短路故障后未能及时发现而造成严重后果的事例屡见不鲜，因此有必要进一步提高此类故障的诊断水平。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种简单易行、可靠性高且适用范围广的基于端部畸变效应的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法。 

本发明所述问题是以下述技术方案实现的： 

一种基于端部畸变效应的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法，所述方法将磁场探测线圈安装在发电机的端部畸变磁通路径上。然后利用数据采集仪在线采集磁场探测线圈感应的电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到其频谱图；最后根据该信号各频谱分量的幅值变化情况诊断汽轮发电机转子绕组是否存在匝间短路故障：

故障判据为：

 

其中：（i= k/P，k=1、2、3…且k/P≠1、3、5…，P发电机极对数）表示信号的i倍工频分量的幅值，表示两次采样计算的时间间隔；

对于选定的时间间隔，若c%超过设定的阈值，则判定汽轮发电机发生了转子绕组匝间短路故障。

上述基于端部畸变效应的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法，所述时间间隔设置为10s，故障阈值设置为20%，若c%超过20%，则判定汽轮发电机发生了转子绕组匝间短路故障。 

上述基于端部畸变效应的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法，所述磁场探测线圈的安装位置为：对于采用座式轴承的中、小型汽轮发电机，探测线圈缠绕在发电机汽侧的轴承座上，对于采用端盖轴承的大型汽轮发电机，探测线圈缠绕在发电机汽侧上、下端盖结合面钢板上。 

本发明根据磁场探测线圈感应电压信号中某些特征频率分量的幅值变化诊断汽轮发电机转子绕组匝间短路故障，具有诊断灵敏性高，传感器安装方便等优点，所述方法普遍适用于电力系统中的各类汽轮发电机，具有广阔的应用前景。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

图1是发电机奇异磁通的示意图； 

图2是端部畸变磁通流通路径示意图；

图3是故障模拟发电机结构示意图；

图4是故障模拟实验接线图；

图5是发电机的两个磁场探测线圈安装位置示意图；

图6是空载正常驱动端探测线圈感应电压频谱；

图7是空载短路5.2%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图8是空载短路7.9%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图9是空载短路12.3%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图10是空载短路17.4%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图11是空载正常励端探测线圈感应电压频谱；

图12是空载短路5.2%励端探测线圈感应电压频谱；

图13是空载短路7.9%励端探测线圈感应电压频谱；

图14是空载短路12.3%励端探测线圈感应电压频谱；

图15是空载短路17.4%励端探测线圈感应电压频谱；

图16是负载正常驱动端探测线圈感应电压频谱；

图17是负载短路5.3%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图18是负载短路8%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图19是负载短路11.3%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图20是负载正常励端探测线圈感应电压频谱；

图21是负载短路5.3%驱动端探测线圈感应电压频谱；

图22是负载短路8%励端探测线圈感应电压频谱；

图23是负载短路11.3%励端探测线圈感应电压频谱；

图24是端盖轴承结构汽轮发电机的磁通分布及探测线圈安装位置示意图。

图中各标号为：1、发电机转子，B、磁力线，A、电流表，R、滑动变阻器，K、开关，N、定子绕组中性点，C1、第一抽头，C2、第二抽头，C3、第三抽头，C4、第四抽头。 

文中所用各符号的意义：、信号的i倍工频分量的幅值，、两次采样计算的时间间隔，、气隙磁势，F_k、第k次谐波磁势的幅值，θ_s、定子空间角度，、电角速度，ω_r、转子机械角速度，、短路匝总磁势，φ_k、k次谐波磁动势的相位，、气隙磁密，μ₀、真空中磁导率，g₀、平均气隙大小，k_μ、饱和度，δ_si、第i次谐波磁导系数，φ_si、第i次谐波磁导初始相位，Q、被短路匝数，I_f、励磁电流，P、汽轮发电机的极对数。 

具体实施方式

大型汽轮发电机由于制造、安装、运行等各方面的原因，几何结构上的不对称是无法完全避免和消除的，例如偏心、定子铁心片叠装时缝隙长度不等、定子铁心变形等。 

在建立汽轮发电机气隙磁导模型时，将各种不对称因素引起的气隙磁导变化考虑在内，则汽轮发电机气隙磁导模型表达式如下： 

                         （1）

汽轮发电机励磁磁动势为空间阶梯型波，经傅里叶分解后只包含奇数次谐波，而电枢反应磁动势经傅里叶分解后也只包含1、5、7、11等奇数次谐波，因此气隙合成磁动势只包含有奇数次谐波，可以表示为：

                              （2）

根据气隙磁导法：

     （3）

第k（k=1、3、5…）次谐波磁势F_kcoskP(θ_s-ω_rt-φ_k)被气隙磁导的第i（i=1、2、3…）次谐波δ_sicosi(θ_s+φ_si)调制产生的气隙磁通密度为：

                 （4）

当kP-i=0时，式（4）产生F_kδ_sicos(kPω_rt-iφ_si-kPφ_k)/2这个分量。单从表达式可以看到：由于θ_s这一参数消失了，就是说沿着圆周任意位置的磁通密度都相同，见图1，很显然不满足磁通守恒原理，这部分磁通必然发生畸变，使得磁通满足守恒定理。

汽轮发电机的端部是一个较为复杂的三维结构，包含了轴承座、机座等大量铁磁性材料，为磁通流动提供了低阻路径，图2端部畸变磁通流通路径示意图。对于不满足磁通守恒原理的一部分磁通，沿着图2所示的路径形成闭合回路。端部畸变磁通的角频率等于kω（k=1、3、5……）。 

汽轮发电机转子某一磁极绕组发生匝间短路故障后励磁磁动势变得不对称，经傅里叶分解后出现了新的频谱成分：对于一对极汽轮发电机，气隙磁动势中出现偶数次谐波分量；对于多对极汽轮发电机，气隙磁动势中出现分数次谐波分量。采用气隙磁导法单独分析这部分磁势被调制后的结果。 

磁势满足线性叠加关系，对于转子绕组匝间短路故障状态下的汽轮发电机，其磁动势可以拆分为两部分之和，即：绕组正常时的磁动势与被短路匝通入反向电流产生的磁动势。前面已经分析了绕组正常时的磁动势，因此只需对被短路匝磁势进行分析，该磁势可以表示为： 

                      （5）

其中：

结合式（1）和式（5），磁通密度可以表示为：

     （6）

第k(k=1、2、3…)次谐波磁势F_kcosk(θ_s-ω_rt)被结构不对称引起的气隙磁导的第i（i=1、2、3……）次谐波δ_sicosi(θ_s+φ_si)调制产生的气隙磁通密度为：

   （7）

当k-i=0时（k=1、2、3……，i=1、2、3……），产生F_kδ_sicos(kω_rt+iφ_si)/2这个分量，该分量同样不存在θ_s这一参数，即发生了畸变，畸变磁通的角频率为kω_r（k=1、2、3……），其中k/P≠1、3、5…的成份是发电机正常运行时所不存在的，是与转子绕组匝间短路故障对应的特征量。

为了验证畸变磁通的分布规律及故障后的特征，本文在动模实验室故障模拟发电机组MJF-30-6上进行了转子绕组匝间短路故障模拟实验，图3为该机组的截面图，具体参数见表1。 

表1 MJF-30-6 发电机参数 

电机型号MJF-30-6额定容量30kVA额定功率因数0.8额定电压400V额定转速1000r/min极对数P=3相数3定子绕组匝数72并联支路数2轴承类型座式

图4为发电机接线图，励磁绕组有四个抽头，其中第二抽头C2和第三抽头C3分别位于励磁绕组的25%和50%处，在第二抽头C2、第三抽头C3两抽头之间并联一旁路，旁路内串联滑动变阻器R，实验过程中通过调节旁路的滑动变阻器R调节旁路分流，模拟转子绕组匝间短路故障。若图4中开关K断开则发电机运行于正常状态，合上开关K后调节滑动变阻器R的阻值可调节旁路电流大小，旁路电流越大则短路程度越严重。短路程度计算方法为：

                          (7)

为了检测发电机端部畸变磁通需要在磁通路径上安装磁场探测线圈，由于MJF-30-6故障模拟发电机组为支座式，转子依靠驱动端和励端的两个支座进行支撑，且两支座底部与机座相连，构成了磁通流通的封闭回路。故磁场探测线圈只需缠绕在轴承座上即可检测到端部畸变磁通，见图5，两侧的探测线圈匝数均为20匝。

实验分两个阶段进行，第一阶段发电机空载运行，调节滑动变阻器阻值模拟不同程度的转子绕组短路，记录的数据见表2；第二阶段发电机并入电网，并向电网输出3kW电功率，调节滑动变阻器阻值模拟不同程度的转子绕组短路，记录的数据见表3。 

表2 空载转子匝间短路实验数据 

序号定子电压(V)励磁电流(A)旁路电流(A)短路程度a%14240.950024321.010.215.2%34321.0180.327.9%44201.0370.5112.3%54121.0750.7517.4%

表3 负载转子匝间短路实验数据

序号定子电压(V)负载电流(A)励磁电流(A)短路电流(A)短路程度a%14244.60.90024164.70.950.25.3%34124.70.9750.328%44124.710.4511.3%

将两个探测线圈采集到的信号进行傅里叶分解得到其频谱图，见图6-23。

探测线圈信号的频谱图显示：无论发电机空载运行还是负载运行，发生转子绕组匝间短路故障后，电机端部畸变磁通都出现了新的频谱分量，其频率为k×50/3Hz（k=1、2、3……），其中k/3≠1、3、5…的成份是发电机正常运行时不存在的，是与转子绕组匝间短路故障对应的。该特征量的幅值随着发电机转子绕组匝间短路程度加重而增大的趋势十分明显。 

上述实验数据是在3对极发电机组上得到的，对于任意P对极发电机，则与转子绕组匝间短路故障对应的特征频率为k×50/PHz（k=1、2、3…且k/P≠1、3、5…）。 

由于转子绕组匝间短路故障引起了发电机的端部磁通畸变，形成了不同于正常运行的磁通分量，且其幅值随着短路程度加重而增大，因此可以用它诊断汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障。 

在诊断汽轮发电机转子绕组匝间短路故障时，需要对故障特征进行量化，若量化的故障特征超过阈值则判定汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。从上述分析能够看到：汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，所产生的故障特征分量较多，其中某些特征分量在故障后的增幅十分明显，而某些特征分量的增幅则没有那么大。对于不同的汽轮发电机、不同的运行工况各特征分量的增幅可能都不相同，因此需要一种综合判别指标，融合主要的故障特征分量变化情况诊断汽轮发电机是否存在励磁绕组匝间短路故障。综合判别指标选择如下： 

    (8)

其中：（i= k/P，k=1、2、3…且k/P≠1、3、5…，P发电机极对数）表示信号的i倍工频分量的幅值，即与转子绕组匝间短路故障对应的汽轮发电机端部漏磁通特征分量的幅值； 表示两次采样计算的时间间隔，设置为10S。

当的变化超过一定百分比时，就可以判定发电机发生了转子绕组匝间短路故障。 

当前的汽轮发电机主要分为1对极和2对极两种类型，一般1000MW以下汽轮发电机多为1对极，1000MW及以上汽轮发电机多为2对极。 

当发电机极对数P=1时： 

    (9)

其中：

当发电机极对数P=2时：

   (10)

其中：

以在MJF-30-6 发电机上的实验结果为例，由于该故障模拟发电机组为三对极，故设定为：

        (11)

其中：

；

下面将空载和负载状态下不同程度的转子绕组匝间短路对应的列入表4和表5。

表4 空载状态下不同短路程度数值 

短路程度a%驱动端探测线圈信号变化量励端探测线圈信号变化量00%0%5.2%61.3%79.6%7.9%155.6%267.9%12.3%287.1%455.1%17.4%625.8%804.7%

表5负载状态下不同短路程度数值

短路程度a%驱动端探测线圈信号变化量励端探测线圈信号变化量00%0%5.3%61..4%351.6%8%324.6%679.3%11.3%412.5%986.2%

可以看到：转子绕组匝间短路故障发生后相对于故障前呈现出明显的变化，短路程度越严重变化量越大。因此，只需要提前设定好阈值，即可根据的实时值判断汽轮发电机是否发生了转子绕组匝间短路故障。

中小容量的汽轮发电机一般采用座式轴承结构，轴承座是端部畸变磁通的流通路径之一，因此只需要在轴承座上缠绕探测线圈即可检测到端部畸变磁通，见图5；大容量的汽轮发电机常采用端盖轴承，轴承装在高强度钢板焊接的端盖上。端盖由水平分开的上下两半构成，端盖外侧有沿径向的加强筋，上、下半个端盖接合面采用螺栓进行连接。汽轮发电机的端部畸变磁通一部分沿着上下端盖结合面回流至转轴。因此在上、下端盖接合面处安装探测线圈即可检测到端部畸变磁通,见图24。 

将所述方法与常规汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法相比具有如下优点：①探测线圈安装较为简单、不影响发电机的正常运行。②诊断方法的灵敏性高，不受发电机运行状态的影响。通过实验可以看到：无论空载还是负载状态下，即使发生轻微的转子绕组匝间短路故障，的变化也是十分明显的。