任曉駿，李 揚(yáng)，郝亮亮，桂 林，孫宇光，張琦雪，陳 俊

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長興電廠汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測

任曉駿1，李 揚(yáng)2，郝亮亮2，桂 林3，孫宇光3，張琦雪4，陳 俊4

（1. 浙江浙能長興發(fā)電有限公司，浙江長興 313100；2. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 北京 100044；3. 清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084；4. 南京南瑞繼保有限公司，南京211102）

轉(zhuǎn)子匝間短路故障會引起同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢發(fā)生變化?；跁r(shí)空向量圖，利用發(fā)電機(jī)運(yùn)行的機(jī)端電壓、機(jī)端電流與定子漏抗，建立受發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式影響較小的磁動(dòng)勢計(jì)算數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際勵(lì)磁磁動(dòng)勢，通過與勵(lì)磁電流計(jì)算得到的正常磁動(dòng)勢進(jìn)行比較，即可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子匝間短路故障的監(jiān)測。將基于此原理研發(fā)的PCS-988B故障監(jiān)測裝置應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上，進(jìn)行了不同工況下不同短路位置與匝數(shù)的轉(zhuǎn)子匝間短路動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了原理的正確性和裝置的有效性。

汽輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子匝間短路；在線監(jiān)測；磁動(dòng)勢

0 前言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是大型同步發(fā)電機(jī)常見的一種電氣故障，會引起勵(lì)磁電流增大，輸出無功減小，機(jī)組振動(dòng)加劇等一系列不良影響，若不及時(shí)處理還有可能引起更嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子接地故障和大軸磁化故障。汽輪發(fā)電機(jī)相比于水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速更高，運(yùn)行環(huán)境溫度更惡劣，更容易發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2009~2011年三年間，僅中國廣東省就有十余臺400MW~1000MW等級的汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生勵(lì)磁繞組匝間短路故障，在2010年就已確認(rèn)發(fā)生了5起[1, 2]。

近幾年，清華大學(xué)一直基于“交流電機(jī)的多回路分析法”研究發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，提出了利用發(fā)電機(jī)裂相橫差電流[3]（分支繞組的環(huán)流）或者單元件橫差電流[4]的諧波特征判別轉(zhuǎn)子匝間短路故障，相關(guān)成果已在新安江和彭水等電廠得到了應(yīng)用。但在中國，除少量的俄供機(jī)組外，絕大多數(shù)大型汽輪發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)僅引出3個(gè)端子，不具備安裝分支電流互感器的條件，無法測量到故障引起的定子相繞組不平衡電流。所以，這種基于定子相繞組分支不平衡電流的故障監(jiān)測方案很難應(yīng)用于汽輪發(fā)電機(jī)[5]。

為提高大型汽輪發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，應(yīng)在現(xiàn)有的條件下努力尋求新的在線故障監(jiān)測方案。故障后發(fā)電機(jī)內(nèi)磁動(dòng)勢的分布不再對稱，轉(zhuǎn)子受不平衡磁拉力的影響，發(fā)電機(jī)的振動(dòng)加劇[6]。因此，通過監(jiān)測發(fā)電機(jī)的振動(dòng)判別轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在理論上是可行的[7-9]，但是發(fā)電機(jī)的振動(dòng)是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，電氣故障僅是引起振動(dòng)的一個(gè)方面。目前電氣故障對轉(zhuǎn)子的振動(dòng)機(jī)理還不明確，相關(guān)研究也僅限于定性的理論分析與實(shí)驗(yàn)階段，較難實(shí)用化。此外，華北電力大學(xué)的學(xué)者基于“故障后勵(lì)磁電流增加而無功輸出量卻相對減小”的特征進(jìn)行故障判別[10, 11]，將故障后的電氣量視為轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)的輸出，計(jì)算勵(lì)磁電流理論值，將勵(lì)磁電流的正常理論計(jì)算值與實(shí)測值的相對偏差作為是否存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路及短路嚴(yán)重程度的判據(jù)。這一原理為故障監(jiān)測提供了一條可行的途徑，但這種故障監(jiān)測方法的準(zhǔn)確性及靈敏度會受發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式和條件的影響，應(yīng)用的可行性較差。

轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路后，勵(lì)磁磁動(dòng)勢將產(chǎn)生變化，與正常運(yùn)行時(shí)有所不同?；诖?，本文首先以長興發(fā)電廠一臺實(shí)際的汽輪發(fā)電機(jī)為例，利用相電壓、相電流與定子漏阻抗，基于發(fā)電機(jī)三相對稱運(yùn)行時(shí)的相量圖，建立計(jì)算發(fā)電機(jī)實(shí)際基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢的數(shù)學(xué)模型，將模型計(jì)算結(jié)果與利用當(dāng)前工況下的勵(lì)磁電流計(jì)算出的正常勵(lì)磁磁動(dòng)勢進(jìn)行比較，就可以判斷發(fā)電機(jī)是否發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障；然后，利用該原理開發(fā)了故障的在線監(jiān)測裝置，并通過動(dòng)模實(shí)驗(yàn)對監(jiān)測原理與裝置進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于勵(lì)磁磁動(dòng)勢差值的故障監(jiān)測原理

1.1 故障判斷的基本原理

以長興發(fā)電廠的一臺實(shí)際汽輪發(fā)電機(jī)為例，對該故障監(jiān)測方法的基本原理進(jìn)行說明。該大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，每極下共有8個(gè)轉(zhuǎn)子槽，最靠近磁極大齒的槽（如圖1中S極的11'槽）內(nèi)匝數(shù)為6，其他轉(zhuǎn)子槽內(nèi)匝數(shù)為8。假設(shè)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組流經(jīng)恒定的勵(lì)磁電流f，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)，其勵(lì)磁磁動(dòng)勢階梯波形如圖1（b）所示，對其進(jìn)行快速傅里葉分解（FFT）后，得到基波磁動(dòng)勢幅值f1=ff，f為勵(lì)磁磁動(dòng)勢的波形因數(shù)，定義為勵(lì)磁磁動(dòng)勢基波幅值與勵(lì)磁磁動(dòng)勢幅值之比，f為梯形波的勵(lì)磁磁動(dòng)勢幅值。

（a） 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子截面示意圖

（b） 匝間短路故障前后勵(lì)磁磁動(dòng)勢波形

當(dāng)勵(lì)磁繞組發(fā)生匝間短路后，磁動(dòng)勢波形將發(fā)生變化。圖1（b）的短虛線階梯波為33'槽發(fā)生部分匝間短路故障時(shí)的磁動(dòng)勢波形，其基波磁動(dòng)勢幅值為f1'。因故障后的勵(lì)磁繞組的有效匝數(shù)減少，故障后的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢f1'必然小于故障前的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢f1。即

當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)，滿足

由此可見，如何準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際的勵(lì)磁磁動(dòng)勢是保證該方法切實(shí)可行的關(guān)鍵。

1.2 實(shí)際勵(lì)磁磁動(dòng)勢的計(jì)算方法

由隱極式汽輪發(fā)電機(jī)的時(shí)空統(tǒng)一相量圖（圖2）可知，基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢，因此，只要準(zhǔn)確求出基波氣隙磁動(dòng)勢和基波電樞合成磁動(dòng)勢a1，便可求解基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢。應(yīng)當(dāng)指出，轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障后，定子三相仍然是對稱的，發(fā)電機(jī)運(yùn)行的時(shí)空統(tǒng)一相量圖仍然適用。

圖2 隱極式發(fā)電機(jī)的時(shí)空統(tǒng)一相量圖

（1）基波電樞磁動(dòng)勢a1

由時(shí)空相量圖可知，a1與A相電流相量方向相同。

式中，1——定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；

dp1——定子基波繞組因數(shù)；

——極對數(shù)。

然后，根據(jù)發(fā)電機(jī)正常時(shí)的空載特性，如圖3所示，得到δ對應(yīng)的階梯波轉(zhuǎn)子，磁動(dòng)勢幅值f，則δ對應(yīng)的氣隙基波磁動(dòng)勢可以直接得到f1=ff。

圖3 勵(lì)磁磁動(dòng)勢幅值的計(jì)算

通過發(fā)電機(jī)的空間向量圖，利用發(fā)電機(jī)運(yùn)行的三相電壓、三相電流、定子漏感與電阻求得發(fā)電機(jī)實(shí)際的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢后，即可依據(jù)1.1節(jié)中判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行故障識別。

應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，在利用時(shí)空相量圖求勵(lì)磁磁動(dòng)勢時(shí)，還可以依據(jù)同步電抗s進(jìn)行求解，但是定子電樞的同步電抗隨磁場的飽和程度而變化，受發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式影響較大，無法較為準(zhǔn)確地計(jì)算勵(lì)磁磁動(dòng)勢。而本文利用了定子漏抗進(jìn)行計(jì)算，受發(fā)電機(jī)運(yùn)行條件與方式的影響較小，可以保證基波磁動(dòng)勢計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2 在線監(jiān)測裝置及其動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

2.1 在線監(jiān)測裝置簡介

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的“基于磁動(dòng)勢比較的轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測方法”的可行性，并且應(yīng)用于工程實(shí)際，研發(fā)了“PCS-988B發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障監(jiān)測裝置”，并將其應(yīng)用于浙江長興電廠。

PCS-988B的產(chǎn)品部署視圖如圖4所示，裝置接入發(fā)電機(jī)機(jī)端PT、機(jī)端CT、勵(lì)磁變CT。其中，機(jī)端PT和CT分別用于測量發(fā)電機(jī)端的相電壓和相電流，而勵(lì)磁變CT用于測量勵(lì)磁變低壓側(cè)三相交流電流，三相電流的瞬時(shí)值相加即可得到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的直流分量。

圖4 PCS-988B的產(chǎn)品部署視圖

PCS-988B裝置基于本文提出的在線監(jiān)測算法，首先計(jì)算發(fā)電機(jī)實(shí)際基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢，再將該磁動(dòng)勢與當(dāng)前勵(lì)磁電流計(jì)算出的正常勵(lì)磁磁動(dòng)勢進(jìn)行比較，根據(jù)式（3）判斷發(fā)電機(jī)是否發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

2.2 在線監(jiān)測裝置的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證PCS-988B發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障監(jiān)測裝置的電氣量采樣、電氣量計(jì)算以及邏輯判別的正確性及可靠性，在動(dòng)模樣機(jī)上對該裝置進(jìn)行了動(dòng)模測試。圖5為動(dòng)模測試的實(shí)物接線圖。

圖5 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的實(shí)物接線圖

圖5中的直流電源為同步發(fā)電機(jī)提供高品質(zhì)的勵(lì)磁，可以工作在恒流模式或者恒壓模式。直流原動(dòng)機(jī)由西門子6RA70直流調(diào)速設(shè)備驅(qū)動(dòng)，故障前后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠保持同步轉(zhuǎn)速。A1553同步發(fā)電機(jī)是專門為進(jìn)行轉(zhuǎn)子匝間短路實(shí)驗(yàn)而特別定制，其勵(lì)磁繞組除首、末端引出2個(gè)抽頭外，還額外引出了5個(gè)用于短路的抽頭，這7個(gè)抽頭分別與7個(gè)連到外部接線端子上的滑環(huán)相連。各抽頭的位置及相應(yīng)匝數(shù)如圖6所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要用來檢驗(yàn)監(jiān)測方案的有效性，而沒有考慮各抽頭之間短路故障實(shí)際出現(xiàn)的可能性。

圖6 A1553樣機(jī)轉(zhuǎn)子沖片及勵(lì)磁繞組引出抽頭示意圖

裝置系統(tǒng)定值整定時(shí)，取機(jī)端電壓互感器變比為18kV/100V；取機(jī)端CT、第1分支組CT的電流變比為4000A/5A。按此定值計(jì)算，電流模擬放大了4000A/20A = 200倍，模擬的發(fā)電機(jī)額定電流為21.7A×200 = 4340A；電壓模擬放大了18kV/400V = 45倍，模擬的發(fā)電機(jī)額定電壓為400V×45 = 18kV；模擬的額定功率為1.732×4340A×18kV×0.8 = 108.24MW。即模擬一臺功率為108.24MW的發(fā)電機(jī)組，實(shí)驗(yàn)將勵(lì)磁磁動(dòng)勢的差值整定為0.006p.u.。

實(shí)驗(yàn)1：勵(lì)磁恒流模式帶負(fù)載短路

在負(fù)載電流為1.28A時(shí)，短接勵(lì)磁繞組6-7抽頭、5-6抽頭和1-4抽頭，短路后的勵(lì)磁磁動(dòng)勢差值分別為0.147 p.u.、0.016 p.u.和0.014 p.u.，裝置均正確報(bào)警。而在其余更小匝數(shù)的短路時(shí)，裝置未發(fā)出報(bào)警信號。

實(shí)驗(yàn)2：勵(lì)磁恒壓模式帶負(fù)載短路

在負(fù)載電流為1.28A時(shí)，短接勵(lì)磁繞組6-7抽頭、5-6抽頭和1-4抽頭，短路后的勵(lì)磁磁動(dòng)勢差值分別為0.299 p.u.、0.017 p.u.和0.017 p.u.，裝置均正確報(bào)警。而在其余更小匝數(shù)的短路時(shí)，裝置未發(fā)出報(bào)警信號。

實(shí)驗(yàn)3：空載時(shí)的短路

在恒壓模式下短接勵(lì)磁繞組6-7抽頭、5-6抽頭和1-4抽頭，短路后的勵(lì)磁磁動(dòng)勢差值分別為0.272 p.u.、0.016p.u.和0.017 p.u.，裝置均正確報(bào)警。以上抽頭相應(yīng)的空載恒流模式時(shí)的故障實(shí)驗(yàn)，裝置也能正確報(bào)警。在其余更小匝數(shù)的短路中，裝置未發(fā)出報(bào)警信號。

實(shí)驗(yàn)4：裝置防誤報(bào)警性能實(shí)驗(yàn)

該樣機(jī)上進(jìn)行的零起升壓、滅磁、并網(wǎng)、甩負(fù)荷、機(jī)端三相短路、機(jī)端兩相短路以及定子匝間短路故障等實(shí)驗(yàn)中，裝置均未出現(xiàn)誤報(bào)警。

3 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對無分支電流互感器汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測，本文提出了一種基于故障前后勵(lì)磁磁動(dòng)勢變化的監(jiān)測方法，用動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了原理的正確性和裝置的有效性，該裝置已應(yīng)用于浙江長興電廠。下一步將重點(diǎn)研究在保證防誤動(dòng)性能的基礎(chǔ)上縮小匝數(shù)短路故障的監(jiān)測死區(qū)。

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Monitoring of Inter-turn Short Circuit of Rotor Windings in Turbo-generator of Changxing power plant

Ren Xiaojun1, Li Yang2, Hao Liangliang2, Gui Lin3, Sun Yuguang3, Zhang Qixue4, Chen Jun4

(1. Zhejiang Changxin Power Plant, Changxing 313100, China; 2. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 4. Nanjing Nari-Relays Electric CO., LTD, Nanjing 211102, China)

The rotor winding inter-turn short circuit may cause change of magnetic motive force of synchronous generators. Based on phase vector of synchronous generator and using the machine terminal voltage, terminal current and the stator leakage reactance during the operation of generators, this paper builds the mathematical model which is less affected by the operation mode of generator. This model can calculate the real time magnetic motive force, accurately, when the generator is running. Compared with normal magnetic motive force calculated by field current, this method will achieve the monitoring of the rotor winding inter-turn short circuit fault. The fault monitoring device PCS-988B based on this principle is applied to the model machine and experiments with different short circuit position and turn number under different operating conditions are made. The result has verified the correctness of this principle and the effectiveness of this device.

turbo-generator; inter-turn short circuit of rotor; online monitoring; magnetic motive force

TM341

A

1000-3983(2016)05-0022-04

2016-01-09

任曉駿（1981-），畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事發(fā)電廠繼電保護(hù)工作，工程師。

國家自然科學(xué)基金（51307005）基于機(jī)電信息融合的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測

審稿人：畢純輝