基于定子線圈探測(cè)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識(shí)別方法

1、歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站基于定子線圈探測(cè)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識(shí)別方法歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站      Fault Identification Method of Rotor Inter Turn Short-circuit using Stator Winding DetectionLi yong-gang, Li he-ming, Zhao hua, Wan shu-ting（North China Electric Power Unive

2、rsity, Baoding 071003, China）Abstract: In this paper, the electromagnetic characteristic on rotor windings inter turn short-circuit of steam generator has been analyzed and calculated. The phenomenon, which the variation of main magnetic field of rotor windings is more apparent than the stray magnet

3、ic field when the rotor winding inter turn short-circuit happens, has been found. Using the stator winding as the detection fault winding, the corresponding relationships between the faults levels of rotor winding inter turn short-circuit and the effective magnetic field loss is established. The pot

4、ential difference and the circular current in the parallel connection spur track of generator stator winding appears because of the inter turn short-circuit of rotor windings. There is a corresponding relationship between the magnitude and the fault serious levels, which can be as the fault criterio

5、ns of inter turn short-circuit in rotor winding. The relevant verification has been carried using the dynamic simulative experimental units, and the result coincides with the theory deduction.Key words: rotor winding inter turn short-circuit; stator winding detection; fault identification; Steam gen

6、erator摘要：該文通過(guò)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路時(shí)的電磁特性進(jìn)行分析和計(jì)算，提出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組主磁場(chǎng)變化比漏磁場(chǎng)明顯，用定子線圈作為探測(cè)故障線圈，確立了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度和有效磁場(chǎng)損失之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；提出轉(zhuǎn)子匝間短路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組并聯(lián)支路之間出現(xiàn)了電勢(shì)差和環(huán)流，其大小和分布與短路嚴(yán)重程度有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系；利用動(dòng)模試驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行了有關(guān)的驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果和理論推導(dǎo)相吻合。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子線圈匝間短路；定子線圈探測(cè)；故障識(shí)別；汽輪發(fā)電機(jī)1 引言轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是一種較常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)故障。輕微的匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生太大影響，如果故障繼續(xù)發(fā)展，將會(huì)使轉(zhuǎn)子電流顯著增加，繞組溫度升

7、高，無(wú)功出力降低，電壓波形畸變，機(jī)組振動(dòng)并出現(xiàn)其它機(jī)械故障，因此進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的早期預(yù)報(bào)是十分必要的1-3。目前國(guó)內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線方法是微分線圈動(dòng)測(cè)法及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法。該方法的基本原理是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組漏磁場(chǎng)發(fā)生變化，利用安裝的探測(cè)線圈，探測(cè)漏磁場(chǎng)變化波形。該方法的不足在于轉(zhuǎn)子繞組漏磁場(chǎng)很弱，易受干擾。在發(fā)電機(jī)空載及三相對(duì)稱(chēng)短路情況下，探測(cè)效果較明顯，發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于電樞反應(yīng)，探測(cè)效果不明顯。該論文通過(guò)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路的電磁特性進(jìn)行分析和計(jì)算，提出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組主磁場(chǎng)變化比漏磁場(chǎng)明顯，用定子線圈作為探測(cè)線圈，識(shí)別轉(zhuǎn)子匝

8、間短路故障。2 正常情況下轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的分析對(duì)于勵(lì)磁繞組，它通入的是直流電流，所以產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)較為簡(jiǎn)單。由于隱極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是圓柱形的，所以根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)積分的方法可以看出勵(lì)磁磁勢(shì)的曲線為一階梯形波。它是由各槽內(nèi)線圈所產(chǎn)生的磁勢(shì)疊加而成。中間的大齒部分沒(méi)有勵(lì)磁繞組，所以磁勢(shì)保持不變。階梯波磁動(dòng)勢(shì)的最大值為Ff =wf If，其中wf是轉(zhuǎn)子線圈每極的匝數(shù)，If為勵(lì)磁電流。由于空氣的導(dǎo)磁率比鐵心的導(dǎo)磁率小得多，所以空氣隙磁路的磁阻比鐵心磁路的磁阻要大得多。如果把鐵心磁路的磁阻都忽略不計(jì)，可以認(rèn)為整個(gè)磁回路的磁動(dòng)勢(shì)wf If都消耗在空氣隙上了。圖1是隱極同步電機(jī)的勵(lì)磁磁勢(shì)分布圖。正常情況下，若將磁勢(shì)的階梯

9、波簡(jiǎn)化為梯形波考慮，這個(gè)轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)在空間2?角度內(nèi)是關(guān)于縱坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng)分布的，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偶函數(shù)。同時(shí)它也是一個(gè)周期函數(shù)，因此對(duì)于正常情況轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行付里葉分析，它的付里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中只含有余弦分量中的奇次諧波分量，不含有正弦分量、直流分量和余弦分量中的偶次諧波分量。3 短路情況下故障部分的磁場(chǎng)分析匝間短路發(fā)生后，由于勵(lì)磁繞組的有效匝數(shù)減少，將會(huì)導(dǎo)致磁動(dòng)勢(shì)的局部損失，從而使有短路磁極的磁勢(shì)峰值和平均值減少?？紤]對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子一個(gè)極（N極）附近距離大齒最近的一個(gè)線槽內(nèi)一匝短路的情況。這種一匝短路的情況是轉(zhuǎn)子繞組最輕微的短路情況，即有效節(jié)距最小的一匝金屬性短路。因此可以近似考慮轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流并

10、未發(fā)生明顯變化，視為短路匝中流過(guò)一個(gè)與正常情況相反的勵(lì)磁電流-if,它所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)即為若表示每極嵌放繞組部分與極距之比，則是嵌放繞組部分（小齒部分）所占角度，用表示槽間角（其中（）/2n0.04545）。短路匝產(chǎn)生的磁勢(shì)分布圖如圖2所示。根據(jù)橫坐標(biāo)位置是按照橫坐標(biāo)上下磁勢(shì)曲線包圍的面積相等原則確定，即從N極出來(lái)的磁通量一定等于進(jìn)入S極的磁通量，所以從正波頂?shù)截?fù)波頂間的距離等于一對(duì)極的總磁動(dòng)勢(shì)-ifwf-if(wf1)，而橫坐標(biāo)的位置是按橫坐標(biāo)上下磁動(dòng)勢(shì)曲線包圍的面積相等這一原則來(lái)確定的。對(duì)于故障匝，其磁動(dòng)勢(shì)在-范圍內(nèi)，關(guān)系式表達(dá)如下根據(jù)磁通量上下面積相等的原則，可以建立方程，并求解，得到N、

11、S極磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為根據(jù)付里葉級(jí)數(shù)的理論，如果要用付里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示非周期信號(hào)，則此級(jí)數(shù)是在區(qū)間(t,t+T)內(nèi)與該非周期信號(hào)相等。也就是說(shuō)，該級(jí)數(shù)實(shí)際上是這樣一個(gè)周期信號(hào)的展開(kāi)式，該周期信號(hào)的周期為T(mén)，且在區(qū)間(t,t+T)內(nèi)的值與原非周期信號(hào)相等。顯然，短路線匝是一個(gè)非周期的函數(shù)。但是如果將其看作是周期為2?的函數(shù)，其在(-?,?)范圍內(nèi)的值與原非周期函數(shù)完全相等。這將其表示為周期性的信號(hào)在此周期內(nèi)是完全準(zhǔn)確的。所以，對(duì)于這個(gè)短路線匝產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)函數(shù)可表示如下所以可得到由此可見(jiàn)，發(fā)生匝間短路后，短路部分的磁勢(shì)既包含有余弦分量的奇數(shù)次的諧波分量，又包含有余弦分量的偶數(shù)次的諧波分量。從付里葉級(jí)數(shù)

12、的分析中也可以得到這種現(xiàn)象的解釋?zhuān)憾搪吩旬a(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)波形同樣也是關(guān)于縱坐標(biāo)對(duì)稱(chēng)，是一個(gè)偶函數(shù)。而且根據(jù)磁通量等面積原則，它也是以橫坐標(biāo)為界，其波形的上下面積相等。因此，短路線匝產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)函數(shù)表達(dá)式同樣只含有余弦分量，而無(wú)正弦分量和直流分量。但是它不是奇諧波函數(shù)，所以對(duì)于余弦分量，它既含有奇次諧波分量，又含有偶次諧波分量。值得分析是另一種情況，如果轉(zhuǎn)子兩極同時(shí)發(fā)生故障，甚至完全故障對(duì)稱(chēng)，由于短路匝幾乎是對(duì)稱(chēng)的，它只影響磁勢(shì)幅值的大小，使得波形的對(duì)稱(chēng)減少，并不會(huì)產(chǎn)生偶次成分的諧波含量。從理論上將這種情況是可以說(shuō)的通的，但是本文診斷的故障在故障初期，故障的發(fā)展總是有一過(guò)程，從輕微到嚴(yán)重，從一點(diǎn)匝間

13、短路發(fā)展到多點(diǎn)，如果不及時(shí)處理，可能發(fā)展為一點(diǎn)接地，甚至兩點(diǎn)接地，導(dǎo)致繼電保護(hù)動(dòng)作。在匝間短路故障初期，瞬間就產(chǎn)生多點(diǎn)匝間短路故障可能性非常小，從搜集資料及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)就證明了這一點(diǎn)4-6。4 合成磁場(chǎng)的分析匝間短路發(fā)生后，勵(lì)磁繞組線圈匝數(shù)的減少可以看作是退磁的磁勢(shì)分布。它反向作用在一個(gè)特定極或有短路的磁極主磁場(chǎng)的磁勢(shì)上。只考慮由于短路引起的基本問(wèn)題，將正常條件下的磁勢(shì)減去由短路引起磁勢(shì)的小的突變，即可得到故障后的合成磁勢(shì)。這種考慮意味著問(wèn)題是線性的，所以可以利用疊加原理。發(fā)電機(jī)主磁通回路上出現(xiàn)飽和，會(huì)導(dǎo)致一些非線性的問(wèn)題。但是由于磁勢(shì)的損失會(huì)使整個(gè)問(wèn)題更傾向于線性，而不會(huì)使得線性程度減小，所以可

14、以用疊加的方法分析匝間短路的磁勢(shì)損失問(wèn)題。由圖2中可以看到故障后的合成磁動(dòng)勢(shì)由于遵守磁通量等面積的原理，是以橫坐標(biāo)為界將其磁動(dòng)勢(shì)曲線包圍的面積平均分成上下兩個(gè)面積相等的部分，即從N極出來(lái)的磁通量一定等于進(jìn)入S極的磁通量。由于它具有短路損失，相對(duì)于正常情況下的磁動(dòng)勢(shì)，其橫坐標(biāo)向上平移了的距離。磁動(dòng)勢(shì)關(guān)于縱坐標(biāo)對(duì)稱(chēng)，故合成磁動(dòng)勢(shì)的波形函數(shù)應(yīng)該含有余弦分量，而不含正弦分量和直流分量。合成磁勢(shì)的波形函數(shù)可以表示為5 轉(zhuǎn)子匝間短路后定子側(cè)電氣參量的變化關(guān)系5.1 定子繞組一相并聯(lián)支路的電壓差和環(huán)流發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路后，由于磁動(dòng)勢(shì)的波形變化，產(chǎn)生了較高次頻率的諧波分量，必然會(huì)對(duì)磁場(chǎng)和磁路發(fā)生影響，進(jìn)而使得

15、定子側(cè)電氣信號(hào)發(fā)生改變，產(chǎn)生異于正常情況下的某些信號(hào)特征。這些特征可以作為檢測(cè)故障信號(hào)的有效手段，并應(yīng)用于故障檢測(cè)技術(shù)?？紤]隱極式同步發(fā)電機(jī)，根據(jù)所通過(guò)的磁通，磁路的截面尺寸以及介質(zhì)的情況通常把整個(gè)閉合磁路分為五段：氣隙1（2個(gè)）、定子齒2（2個(gè)）、定子軛3、轉(zhuǎn)子齒4（2個(gè)）、轉(zhuǎn)子軛5。氣隙均勻，對(duì)于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)所產(chǎn)生的氣隙磁通只交鏈定子齒和轉(zhuǎn)子齒的部分，可以只考慮線性條件。以磁極中心線為坐標(biāo)軸，對(duì)于一個(gè)線圈組考慮分布因數(shù)和節(jié)距因數(shù)的作用后，一相并聯(lián)的一條支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的函數(shù)為以A相并聯(lián)支路為例，對(duì)于60° 相帶分布的情況，i=0一相的這一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢(shì)函數(shù)為記并聯(lián)支路的

16、首端為H，尾端為K，則定子繞組并聯(lián)支路的電路圖可以表示如圖3。對(duì)于第i條半相支路與相隔180° 另外半相支路之間的電壓差可以表示為一相電流為：ia=i0-i3    當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，有奇次的諧波通過(guò)定子并聯(lián)支路時(shí)得到：U=0,ia=2i3-2i0，并聯(lián)支路內(nèi)部的環(huán)流i環(huán)流0，也就是說(shuō)這時(shí)候定子的并聯(lián)支路里面并沒(méi)有奇次諧波的環(huán)流。然而，當(dāng)n為偶數(shù)半相并聯(lián)支路內(nèi)的電流。所以通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)定子一相并聯(lián)支路的電壓差和環(huán)流的信息就可以得到轉(zhuǎn)子繞組匝間是否發(fā)生了短路情況。其中并聯(lián)支路電壓差為5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證采用華北電力大學(xué)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室MJF-30-6模擬同步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子

17、繞組匝間短路實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量空載正常和短路故障的情況以及并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行正常和短路故障的情況，將幾種情況做比較，就可以找到故障發(fā)生后對(duì)應(yīng)定子側(cè)電氣參量的影響（圖4）。在任一相并聯(lián)的兩條支路上放置電流表，或者將兩條并聯(lián)支路反串入傳感器內(nèi)測(cè)量?？蛰d情況下任意一條并聯(lián)支路的電流值就是環(huán)流，并網(wǎng)帶負(fù)荷條件下兩條并聯(lián)支路電流差值就是環(huán)流大小。若在兩條并聯(lián)支路間接上一個(gè)電壓傳感器，其中的電壓差值也能反映電氣參量的較高次諧波。在發(fā)電機(jī)定子繞組一相并聯(lián)的兩條支路上各放置一個(gè)電流傳感器，通過(guò)比較兩者的差值，就可以得到環(huán)流的大小，在兩條支路之間加一個(gè)電壓傳感器就可以得到不平衡電壓的

18、大小。并網(wǎng)帶負(fù)荷情況保持定子電流10A，發(fā)電機(jī)有功輸出10kW，無(wú)功功率5kVAR。維持有功和無(wú)功基本不變，從圖中可以看到，突然短路的發(fā)生使得定子一相并聯(lián)支路的電壓差和環(huán)流增大。短路的突然消失后，異常電氣量的變化也隨之消失。證實(shí)了轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，確實(shí)引起定子側(cè)不平衡電氣量的出現(xiàn)。從圖5和可以很明顯地看到轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后，定子一相并聯(lián)的兩條支路之間存在著偶次諧波的環(huán)流，其大小隨短路嚴(yán)重程度上升。同樣從下表1可以看到，定子環(huán)流的2次諧波大小隨短路的嚴(yán)重程度的增加而增大，呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系。表1和2分別顯示了空載和并網(wǎng)帶負(fù)荷兩種狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路發(fā)生后，定子側(cè)一相并聯(lián)兩條支路

19、之間的環(huán)流和電壓不平衡值的大小?？梢悦黠@看到兩種狀態(tài)下，環(huán)流和電壓差都有隨故障嚴(yán)重程度增加的明顯趨勢(shì)，而以空載條件下的趨勢(shì)更為明顯。6 結(jié)論本文對(duì)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，確立了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度和有效磁場(chǎng)損失之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；轉(zhuǎn)子匝間短路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組并聯(lián)支路之間出現(xiàn)了電勢(shì)差和環(huán)流，其大小或分布與短路嚴(yán)重程度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后利用動(dòng)模試驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行了有關(guān)的驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果和理論推導(dǎo)相吻合。參考文獻(xiàn)1. 高景德，王祥珩，李發(fā)海交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析M北京：清華大學(xué)出版社，1993：135-231 2. ，. CInternational Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，1992：10-14 3. 阮羚，周世平，周理兵（Ruan ling，Zhou shiping，Zhou libing）大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測(cè)方法的研究及應(yīng)用（the research and application of the on-line monitor