基于定子線圈探測的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識別方法

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站基于定子線圈探測的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識別方法歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問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：該文通過對汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈匝間短路時的電磁特性進行分析和計算，提出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時，轉(zhuǎn)子繞組主磁場變化比漏磁場明顯，用定子線圈作為探測故障線圈，確立了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度和有效磁場損失之間的對應(yīng)關(guān)系；提出轉(zhuǎn)子匝間短路導致發(fā)電機定子繞組并聯(lián)支路之間出現(xiàn)了電勢差和環(huán)流，其大小和分布與短路嚴重程度有一定對應(yīng)關(guān)系；利用動模試驗機組進行了有關(guān)的驗證，試驗結(jié)果和理論推導相吻合。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子線圈匝間短路；定子線圈探測；故障識別；汽輪發(fā)電機1 引言轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是一種較常見的發(fā)電機故障。輕微的匝間短路對發(fā)電機運行不會產(chǎn)生太大影響，如果故障繼續(xù)發(fā)展，將會使轉(zhuǎn)子電流顯著增加，繞組溫度升

7、高，無功出力降低，電壓波形畸變，機組振動并出現(xiàn)其它機械故障，因此進行發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障的早期預報是十分必要的1-3。目前國內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線方法是微分線圈動測法及在此基礎(chǔ)上的改進方法。該方法的基本原理是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時，轉(zhuǎn)子繞組漏磁場發(fā)生變化，利用安裝的探測線圈，探測漏磁場變化波形。該方法的不足在于轉(zhuǎn)子繞組漏磁場很弱，易受干擾。在發(fā)電機空載及三相對稱短路情況下，探測效果較明顯，發(fā)電機負載運行時，由于電樞反應(yīng)，探測效果不明顯。該論文通過對汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈匝間短路的電磁特性進行分析和計算，提出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時，轉(zhuǎn)子繞組主磁場變化比漏磁場明顯，用定子線圈作為探測線圈，識別轉(zhuǎn)子匝

8、間短路故障。2 正常情況下轉(zhuǎn)子磁場的分析對于勵磁繞組，它通入的是直流電流，所以產(chǎn)生的磁動勢較為簡單。由于隱極同步電機的轉(zhuǎn)子是圓柱形的，所以根據(jù)磁動勢積分的方法可以看出勵磁磁勢的曲線為一階梯形波。它是由各槽內(nèi)線圈所產(chǎn)生的磁勢疊加而成。中間的大齒部分沒有勵磁繞組，所以磁勢保持不變。階梯波磁動勢的最大值為Ff =wf If，其中wf是轉(zhuǎn)子線圈每極的匝數(shù)，If為勵磁電流。由于空氣的導磁率比鐵心的導磁率小得多，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，可以認為整個磁回路的磁動勢wf If都消耗在空氣隙上了。圖1是隱極同步電機的勵磁磁勢分布圖。正常情況下，若將磁勢的階梯

9、波簡化為梯形波考慮，這個轉(zhuǎn)子的磁動勢在空間2?角度內(nèi)是關(guān)于縱坐標軸對稱分布的，為一個標準的偶函數(shù)。同時它也是一個周期函數(shù)，因此對于正常情況轉(zhuǎn)子的磁動勢波形進行付里葉分析，它的付里葉級數(shù)展開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分析匝間短路發(fā)生后，由于勵磁繞組的有效匝數(shù)減少，將會導致磁動勢的局部損失，從而使有短路磁極的磁勢峰值和平均值減少。考慮對應(yīng)于轉(zhuǎn)子一個極（N極）附近距離大齒最近的一個線槽內(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)子的勵磁電流并

10、未發(fā)生明顯變化，視為短路匝中流過一個與正常情況相反的勵磁電流-if,它所產(chǎn)生的磁動勢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)生的磁勢分布圖如圖2所示。根據(jù)橫坐標位置是按照橫坐標上下磁勢曲線包圍的面積相等原則確定，即從N極出來的磁通量一定等于進入S極的磁通量，所以從正波頂?shù)截摬旈g的距離等于一對極的總磁動勢-ifwf-if(wf1)，而橫坐標的位置是按橫坐標上下磁動勢曲線包圍的面積相等這一原則來確定的。對于故障匝，其磁動勢在-范圍內(nèi)，關(guān)系式表達如下根據(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極磁動勢的表達式為根據(jù)付里葉級數(shù)的理論，如果要用付里葉級數(shù)來表示非周期信號，則此級數(shù)是在區(qū)間(t,t+T)內(nèi)與該非周期信號相等。也就是說，該級數(shù)實際上是這樣一個周期信號的展開式，該周期信號的周期為T，且在區(qū)間(t,t+T)內(nèi)的值與原非周期信號相等。顯然，短路線匝是一個非周期的函數(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在此周期內(nèi)是完全準確的。所以，對于這個短路線匝產(chǎn)生的磁動勢函數(shù)可表示如下所以可得到由此可見，發(fā)生匝間短路后，短路部分的磁勢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。從付里葉級數(shù)

12、的分析中也可以得到這種現(xiàn)象的解釋：短路匝產(chǎn)生的磁動勢波形同樣也是關(guān)于縱坐標對稱，是一個偶函數(shù)。而且根據(jù)磁通量等面積原則，它也是以橫坐標為界，其波形的上下面積相等。因此，短路線匝產(chǎn)生的磁動勢函數(shù)表達式同樣只含有余弦分量，而無正弦分量和直流分量。但是它不是奇諧波函數(shù)，所以對于余弦分量，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)子兩極同時發(fā)生故障，甚至完全故障對稱，由于短路匝幾乎是對稱的，它只影響磁勢幅值的大小，使得波形的對稱減少，并不會產(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)展總是有一過程，從輕微到嚴重，從一點匝間

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

14、以用疊加的方法分析匝間短路的磁勢損失問題。由圖2中可以看到故障后的合成磁動勢由于遵守磁通量等面積的原理，是以橫坐標為界將其磁動勢曲線包圍的面積平均分成上下兩個面積相等的部分，即從N極出來的磁通量一定等于進入S極的磁通量。由于它具有短路損失，相對于正常情況下的磁動勢，其橫坐標向上平移了的距離。磁動勢關(guān)于縱坐標對稱，故合成磁動勢的波形函數(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)電機發(fā)生匝間短路后，由于磁動勢的波形變化，產(chǎn)生了較高次頻率的諧波分量，必然會對磁場和磁路發(fā)生影響，進而使得

15、定子側(cè)電氣信號發(fā)生改變，產(chǎn)生異于正常情況下的某些信號特征。這些特征可以作為檢測故障信號的有效手段，并應(yīng)用于故障檢測技術(shù)。考慮隱極式同步發(fā)電機，根據(jù)所通過的磁通，磁路的截面尺寸以及介質(zhì)的情況通常把整個閉合磁路分為五段：氣隙1（2個）、定子齒2（2個）、定子軛3、轉(zhuǎn)子齒4（2個）、轉(zhuǎn)子軛5。氣隙均勻，對于轉(zhuǎn)子磁勢所產(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軸，對于一個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)電動勢隨時間變化的函數(shù)為以A相并聯(lián)支路為例，對于60° 相帶分布的情況，i=0一相的這一條并聯(lián)支路的電動勢函數(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n為奇數(shù)時，有奇次的諧波通過定子并聯(lián)支路時得到：U=0,ia=2i3-2i0，并聯(lián)支路內(nèi)部的環(huán)流i環(huán)流0，也就是說這時候定子的并聯(lián)支路里面并沒有奇次諧波的環(huán)流。然而，當n為偶數(shù)半相并聯(lián)支路內(nèi)的電流。所以通過測量發(fā)電機定子一相并聯(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 試驗驗證采用華北電力大學動模實驗室MJF-30-6模擬同步電機進行轉(zhuǎn)子

17、繞組匝間短路實驗。通過實驗獲取電氣狀態(tài)監(jiān)測量，試驗過程中，測量空載正常和短路故障的情況以及并網(wǎng)帶負荷運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)電機定子繞組一相并聯(lián)的兩條支路上各放置一個電流傳感器，通過比較兩者的差值，就可以得到環(huán)流的大小，在兩條支路之間加一個電壓傳感器就可以得到不平衡電壓的

18、大小。并網(wǎng)帶負荷情況保持定子電流10A，發(fā)電機有功輸出10kW，無功功率5kVAR。維持有功和無功基本不變，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。證實了轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，確實引起定子側(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)帶負荷兩種狀態(tài)下，發(fā)電機轉(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。可以明顯看到兩種狀態(tài)下，環(huán)流和電壓差都有隨故障嚴重程度增加的明顯趨勢，而以空載條件下的趨勢更為明顯。6 結(jié)論本文對轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后的磁場特性進行了詳細的分析，確立了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度和有效磁場損失之間的對應(yīng)關(guān)系；轉(zhuǎn)子匝間短路導致發(fā)電機定子繞組并聯(lián)支路之間出現(xiàn)了電勢差和環(huán)流，其大小或分布與短路嚴重程度呈對應(yīng)關(guān)系；最后利用動模試驗機組進行了有關(guān)的驗證，試驗結(jié)果和理論推導相吻合。參考文獻1. 高景德，王祥珩，李發(fā)海交流電機及其系統(tǒng)的分析M北京：清華大學出版社，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)電機轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測方法的研究及應(yīng)用（the research and application of the on-line monitor