武玉才　馬倩倩　蔡波沖　唐勁飛

摘要：針對轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障可引起水輪發(fā)電機機組較為強烈的振動，導致計劃外停機的問題，以二灘水電站一臺550 MW水輪發(fā)電機為例，根據(jù)磁動勢平衡原理，推導匝間短路前后發(fā)電機主磁場的變化規(guī)律，提出在水輪發(fā)電機定子鐵心上安裝U型檢測線圈，用以檢測轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。根據(jù)發(fā)電機主磁場的運動規(guī)律，推導穿過U型檢測線圈的磁通表達式，進一步得到檢測線圈的感應(yīng)電動勢。二維電磁場仿真證明U型檢測線圈的感應(yīng)電壓可以反映水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路程度，并能定位故障磁極位置，新型檢測方法實現(xiàn)了對水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線診斷。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子繞組匝間短路；U型檢測線圈；感應(yīng)電壓差；在線診斷

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是大型同步發(fā)電機的多發(fā)性故障[1-6]，其中水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障占據(jù)了一定的比例[7-12]。一旦水輪發(fā)電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，故障極磁場被削弱，就會造成轉(zhuǎn)子故障側(cè)單邊磁拉力下降，形成不平衡磁拉力，嚴重的匝間短路可引起水輪發(fā)電機的劇烈振動[13-14]。此外，水輪發(fā)電機還發(fā)生過轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起橫差保護動作事件[15]，因此，水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障應(yīng)引起足夠的重視[16]。

水輪發(fā)電機具有極對數(shù)多、凸極結(jié)構(gòu)以及定子繞組分支數(shù)多等特點。某一磁極的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路對局部電磁量影響較大，對發(fā)電機整體影響較小，這一特點導致適用于汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線診斷方法并不適用于水輪發(fā)電機，探測線圈法[17]、勵磁電流法[18-20]、虛功率法[21]、期望電勢法[22]、軸電壓法[23-25]、并聯(lián)支路環(huán)流法[26-27]、勵磁電流諧波法[28-32]和端部漏磁[33]等都無法靈敏地檢測出水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。由于這些技術(shù)限制，目前水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷還停留在離線水平，常采用的是直流電阻比較法[34-35]，交流阻抗和功率損耗法[36-37]，交直流分壓電壓法[38-39]等。這些方法均需要對轉(zhuǎn)子各磁極的繞組逐個測試，整個檢測過程耗時較長，增加了機組的停運時間。水輪發(fā)電機組停運時間增長將損失發(fā)電量，造成水資源的巨大浪費，開發(fā)水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線診斷方法、降低故障停運時間對于水電廠具有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

本文選擇一臺550 MW水輪發(fā)電機作為研究對象，分析了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障引起的磁場不平衡問題，提出在發(fā)電機內(nèi)部安裝新型檢測線圈，實時檢測轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，為水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測提供了新的解決方案。

1磁場不平衡分析

水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組為集中式結(jié)構(gòu)，某磁極繞組發(fā)生匝間短路后，被短路繞組內(nèi)部電流為零，該磁極的繞組有效匝數(shù)減少，產(chǎn)生的勵磁磁勢明顯小于正常磁極。短路后的勵磁磁場可以看作正常的勵磁磁勢與被短路的勵磁繞組通入反向勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁勢的疊加，如圖1所示。

圖1轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后的勵磁磁勢示意圖

Fig.1Excitation magnetic potential of the rotor winding interturn circuit

轉(zhuǎn)子繞組正常情況下勵磁磁勢波形是軸對稱的，經(jīng)過傅立葉分解后無直流和偶數(shù)次諧波分量，僅含奇數(shù)次諧波，用余弦函數(shù)可以表示為

Ffnorm（θr）=F1cospθr+F3cos3pθr+

F5cos5pθr+…+Ficosipθr。（1）

式中：Fi表示第i次諧波磁勢的幅值，i為奇數(shù)；θr表示轉(zhuǎn)子空間機械角度；p表示水輪發(fā)電機的極對數(shù)。

被短路的勵磁繞組通入反向勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁勢具有非對稱性質(zhì)，經(jīng)過傅立葉分解可以表示為

ΔFf（θr）=-2QIfπ∑

SymboleB@ n=1sin（nα/2）ncosnθr。（2）

式中：Q表示勵磁繞組的短路匝數(shù)；n為正整數(shù)；If表示發(fā)電機勵磁電流；α表示轉(zhuǎn)子磁極的寬度。

由式（2）可知，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在發(fā)電機主磁場中產(chǎn)生了新的諧波。轉(zhuǎn)子繞組正常時勵磁磁勢中僅含有奇數(shù)次諧波，匝間短路后則出現(xiàn)了分數(shù)次諧波，該分數(shù)次諧波疊加到對稱的勵磁磁勢上，使得發(fā)電機磁場不對稱。

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，定子開槽，且鐵心存在飽和現(xiàn)象，解析計算是無法準確獲取發(fā)電機的磁場數(shù)據(jù)的，應(yīng)借助計算精度更高的數(shù)值仿真工具。以東方電機廠和加拿大GE公司合作生產(chǎn)的水輪發(fā)電機為例（運行于中國二灘水電廠），參數(shù)見表1，采用Ansoft軟件建立發(fā)電機二維仿真模型，如圖2所示。

將搭建的發(fā)電機模型導入到Simplorer軟件中，按照定、轉(zhuǎn)子繞組的實際連接方式編輯外電路模型，搭建場路耦合的二維瞬態(tài)電磁場仿真模型，如圖3所示。

以發(fā)電機空載和帶額定負載運行為例，分別設(shè)置轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，仿真得到發(fā)電機氣隙主磁場如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5看出：無論水輪發(fā)電機空載運行還是帶額定負載運行，轉(zhuǎn)子繞組正常時，各磁極相同位置的磁場基本相同；轉(zhuǎn)子某磁極繞組發(fā)生匝間短路后，該極勵磁繞組有效匝數(shù)減少，其磁場明顯弱于正常極的磁場。

2新型檢測線圈法

水輪發(fā)電機的定子鐵心普遍采用空冷方式，定子鐵心沿軸向分成若干段，段與段之間流通空氣，實現(xiàn)鐵心散熱。圖6為某水輪發(fā)電機的定子鐵心結(jié)構(gòu)。

水輪發(fā)電機的分段式定子鐵心為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷提供了傳感器安裝空間，提出一種新型發(fā)電機磁場檢測線圈，其結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖7所示。

檢測線圈為U型結(jié)構(gòu)，沿徑向包圍水輪發(fā)電機定子的一個鐵心段，U型底部位于發(fā)電機氣隙，U型出口處并聯(lián)一個高阻值電阻（1 000 Ω以上），通過數(shù)據(jù)采集儀采集該電阻兩端電壓。

2.1U型檢測線圈的診斷機理

水輪發(fā)電機空載運行狀態(tài)下，氣隙磁通密度可以表示為

B（θr）=∑

SymboleB@ i=1Bicos（iPθr）。（3）

式中：p表示水輪發(fā)電機的極對數(shù)；i為奇數(shù)，i=1，3，5，…；Bi表示i次諧波磁通密度的幅值；θr表示轉(zhuǎn)子圓周的空間機械角度。

假定初始時刻檢測線圈位于轉(zhuǎn)子某N極軸線位置，該時刻穿過檢測線圈的磁通為零。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，穿過檢測線圈的磁通周期性改變，經(jīng)過時間t后，穿過檢測線圈的磁通可以表示為

Φ（t）=∫ωrt0B（θr）ld（θrR）=

lR∑

從上式可知：U型檢測線圈實質(zhì)上是一種磁場測量線圈，檢測線圈所感應(yīng)的電動勢時域波形（式（5））與發(fā)電機氣隙磁場空間波形（式（3））具有相似的形狀。

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，故障極磁場明顯減弱，當故障磁極掃過檢測線圈時，檢測線圈所感應(yīng)的電壓幅值也將小于正常磁極掃過檢測線圈的感應(yīng)電壓，可根據(jù)這一特點診斷水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

2.2U型檢測線圈有效性驗證

以550 MW水輪發(fā)電機為例，在發(fā)電機空載和額定負載狀態(tài)下，分別設(shè)置轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周檢測線圈的感應(yīng)電壓如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9看出：受故障極磁場削弱的影響，該磁極掃過檢測線圈時，檢測線圈感應(yīng)的電壓明顯低于正常磁極的電壓值，短路程度越嚴重，電壓偏差越大，因此，可以將檢測線圈在各磁極處的感應(yīng)電壓偏差作為水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判據(jù)。

可以在發(fā)電機的定子鐵心上同時安裝2個U型檢測線圈，2個檢測線圈的間距為發(fā)電機極距的整數(shù)倍。

當2個U形檢測線圈間的距離為發(fā)電機極距的奇數(shù)倍時，當某一個線圈位于某N極下，則另一個線圈剛好位于某S極下的對應(yīng)位置，2個線圈任意時刻感應(yīng)的電壓波形反相位，將2個U形檢測線圈的輸出電壓相加，即

ΔU（t）=U1（t）+U2（t）。（6）

理論上，轉(zhuǎn)子繞組正常時相加后結(jié)果為零，若轉(zhuǎn)子某磁極繞組存在匝間短路故障，這2個檢測線圈的輸出電壓將出現(xiàn)局部偏差，相加結(jié)果不為零。

當2個U形檢測線圈間的距離為發(fā)電機極距的偶數(shù)倍時，將2個U形檢測線圈的輸出電壓相減，即

ΔU（t）=U1（t）-U2（t）。（7）

勵磁繞組正常時相減后結(jié)果為零；若轉(zhuǎn)子某磁極繞組存在匝間短路故障，這2個檢測線圈的輸出電壓將出現(xiàn)局部偏差，相減結(jié)果不為零。

雙線圈法的好處是：發(fā)電機運行工況變化時，穿過2個檢測線圈處的磁場同時改變，因此，當同步發(fā)電機勵磁繞組正常時，2個檢測線圈的輸出電壓是完全相同的，診斷的抗干擾能力得到了大幅提升。

以水輪發(fā)電機空載運行為例，設(shè)置2個檢測線圈相距6倍的極距，在轉(zhuǎn)子某磁極繞組短路10%時，2個檢測線圈的感應(yīng)電壓之差如圖10所示。

可以看到：勵磁繞組匝間短路后，在轉(zhuǎn)子1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，2個檢測線圈的感應(yīng)電壓差波形中存在1個正向脈沖和1個負向脈沖，這2個脈沖的時間間隔為0.06 s，2個脈沖的產(chǎn)生時刻分別對應(yīng)故障極磁場掃過這2個檢測線圈的時刻。

雙線圈法可以有效診斷出水輪發(fā)電機的勵磁繞組匝間短路故障，隨著匝間短路程度的加重，2個檢測線圈感應(yīng)電壓的幅值差異也將變大，因此，該方法還可以反映出勵磁繞組匝間短路故障的嚴重程度和發(fā)展趨勢。

U型檢測線圈可以在水輪發(fā)電機制造或大修階段安裝，該線圈檢測發(fā)電機主磁場，線圈底部可以緊貼定子內(nèi)徑，不存在與轉(zhuǎn)子碰撞的風險。新型檢測線圈選擇高電阻率、高強度且具有一定韌性的合金材料制作而成，可以有效降低運行過程中的渦流損耗和變形風險。檢測線圈的輸出電壓不會超過常規(guī)信號采集裝置的電壓上限，因此，常規(guī)的數(shù)據(jù)采集裝置可以直接采集檢測線圈的感應(yīng)電壓。經(jīng)計算機實時運算得到2個線圈感應(yīng)電壓之差ΔU，當ΔU大于設(shè)定閾值時，計算機立刻發(fā)出報警信號，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線診斷。結(jié)合鍵相信號還可以進一步確定故障磁極位置，避免停機后進行二次檢測，縮短了故障處理時間。

3結(jié)論

本文研究了水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的磁場特征，提出了在定子鐵心上安裝U型檢測線圈診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，得出以下結(jié)論：

1）水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，氣隙磁場將變得不對稱，故障極磁場明顯減弱；

2）在水輪發(fā)電機定子鐵軛上安裝2個U型檢測線圈，通過U型檢測線圈感應(yīng)電壓差異可以診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障；

3）U型檢測線圈法的靈敏度和可靠性較高，可對水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障進行在線診斷和定位，解決了水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障無法實時監(jiān)測的問題。

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（編輯：邱赫男）