郝亮亮，吳俊勇

（北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

0 引言

同步發(fā)電機作為電能生產(chǎn)的基本設(shè)備，對電力系統(tǒng)的安全運行起著至關(guān)重要的作用。伴隨電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，發(fā)電機的容量也在不斷地增加，人們對大型發(fā)電機安全運行的要求越來越高。近年來，國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）的歷屆年會中，發(fā)電機的故障保護及監(jiān)測一直是旋轉(zhuǎn)電機專業(yè)委員會（SC-A1）的重點議題［1］。

轉(zhuǎn)子匝間短路是同步發(fā)電機常見的一種電氣故障，近年來對該故障的報道屢見不鮮［2-5］，三峽發(fā)電機在機組檢修中就曾發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路；而僅中國廣東省在2009年至2011年，就已經(jīng)有十余臺400～1000 MW等級的發(fā)電機出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子匝間短路故障，在2010年就已確認發(fā)生了5起。

輕微的短路故障不會給發(fā)電機帶來嚴重的后果，但若無法實現(xiàn)故障的早期診斷，而任其不斷惡化，會引起勵磁電流的增加、輸出無功能力的降低以及機組振動的加劇。故障還有可能惡化為發(fā)生在勵磁繞組與轉(zhuǎn)子本體之間的一點或兩點接地故障，嚴重時還可能會燒傷軸頸、軸瓦，給發(fā)電機組及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來巨大的威脅［6］。由轉(zhuǎn)子匝間短路故障引起損失的例子也不勝枚舉，20世紀90年代中國某火電廠4臺300 MW發(fā)電機中就有3臺因轉(zhuǎn)子匝間短路等原因最終導(dǎo)致大軸磁化，其中2臺還燒壞護環(huán)；2002年某核電站2號發(fā)電機組在更換C相主變后的起機過程中，由于轉(zhuǎn)子匝間短路在主變事故沖擊下發(fā)展為接地故障，機組被迫停機檢修［7］；2005年鳳灘水電站6號發(fā)電機的轉(zhuǎn)子匝間短路故障還引起了主保護的動作。

現(xiàn)場常用的監(jiān)測發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障傳統(tǒng)方法主要包括：開口變壓器法、直流阻抗法、交流阻抗和功率損耗法、空載及短路特性試驗法、兩極電壓平衡試驗、繞組分布電壓測量、沖擊脈沖法試驗、紅外熱成像法等［1-2，7-8］。這些方法有的已在現(xiàn)場應(yīng)用多年，并且積累了很多經(jīng)驗，適用于離線的故障監(jiān)測或定位，但不能在實際運行工況下對故障進行在線監(jiān)測，有的方法甚至要將轉(zhuǎn)子抽出，應(yīng)用效果往往不太理想。文獻［8］對各種離線監(jiān)測方法進行了詳細介紹。

除加工工藝不良以及絕緣缺陷等原因造成的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子匝間短路外，發(fā)電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)中勵磁繞組承受離心力造成繞組間的相互擠壓及移位變形、勵磁繞組的熱變形、通風不良引起的局部過熱以及金屬異物等是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路的重要原因，這些原因引起的動態(tài)匝間短路故障多在發(fā)電機的實際運行中發(fā)生。如果能夠在發(fā)電機運行中實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)處于萌芽期的小匝數(shù)早期故障，監(jiān)視其發(fā)展并確定是否需要檢修，就能避免輕微的故障惡化成為嚴重的匝間短路或轉(zhuǎn)子接地故障，這對保障大型發(fā)電機的安全運行具有重要的意義。因此，近年來國內(nèi)外專家學者更加關(guān)注于對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測的研究。

本文首先總結(jié)了轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測技術(shù)方案，對其基本原理及優(yōu)缺點進行了全面客觀的評述。在此基礎(chǔ)上，重點對基于運行中電氣量的在線監(jiān)測方法及相關(guān)研究進行了探討，結(jié)合當前的研究現(xiàn)狀指出目前研究中存在的不足，并對該領(lǐng)域的研究趨勢進行了展望。

1 轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測方法的原理及評述

近年來國內(nèi)外專家學者對同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測進行了大量的研究，并提出了很多方法。

1.1 基于磁場探測的故障監(jiān)測方法

同步發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路后，轉(zhuǎn)子主極磁場和漏磁場都將不同于正常運行，通過在氣隙中布置探測導(dǎo)體或線圈提取磁場特征進行故障監(jiān)測是一種可行的方案。

單導(dǎo)線微分法［9］是我國哈爾濱大電機研究所提出的一種方法，并在太原熱電廠試驗成功。該方法將一根與發(fā)電機軸向平行的探測導(dǎo)線固定在定子槽中或槽楔上，通過該導(dǎo)線感應(yīng)電動勢的微分波形對故障進行監(jiān)測。圖1為該方法的原理示意圖，由轉(zhuǎn)子表面的磁場分布可知，探測導(dǎo)線的感應(yīng)電動勢波形呈現(xiàn)階梯狀，而每一階梯的高低取決于對應(yīng)槽的磁通變化率，與匝數(shù)有關(guān)。若各槽繞組的匝數(shù)相等，正常運行時各槽磁通變化率也相等，各階梯的高度也就相等；當某槽內(nèi)有短路匝時，相應(yīng)匝數(shù)減少，那么階梯的高度就會降低。同時，利用微分電路將所有階梯降到同一水平面進行比較，依據(jù)此便可判斷某槽是否發(fā)生了短路。顯然該方法僅適合空載時的故障監(jiān)測，發(fā)電機負載時會受到電樞反應(yīng)的影響，使監(jiān)測結(jié)果失效。

圖1 單導(dǎo)線微分法的原理圖Fig.1 Schematic diagram of single-wire differential method

微分線圈動測法［10］是英國學者 Albright提出的，圍繞該方法學者們進行了大量的研究［11-13］。由于主磁場是由所有線圈共同產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子匝間短路雖然會影響主磁通的強度，但是由于所占比例很小，不容易測量。而漏磁通分別交鏈于各槽的勵磁繞組，其大小與該槽內(nèi)線圈匝數(shù)成正比，能直接反映出各槽線圈匝數(shù)的變化。因此該方法將探測線圈固定在定子上，并使其盡量靠近轉(zhuǎn)子鐵芯，同時測量轉(zhuǎn)子漏磁通的徑向分量和切向分量，并對其進行微分，通過對微分波形的分析可判斷發(fā)電機是否發(fā)生了轉(zhuǎn)子匝間短路故障。

圖2是發(fā)電機空載運行時微分線圈動測法的原理示意圖。如果勵磁繞組不存在匝間短路，則探測線圈感應(yīng)電壓波峰的包絡(luò)線連續(xù)平滑，其波峰個數(shù)和序號與轉(zhuǎn)子槽一一對應(yīng)。當勵磁繞組某槽線圈存在匝間短路時，交鏈于該槽的漏磁通就會減少，在探測線圈上所感應(yīng)出的電動勢就會相應(yīng)降低。因此，當探測線圈感應(yīng)電壓波形的某一特征波峰離開包絡(luò)線凹縮變短時，即表明它對應(yīng)槽中的繞組存在匝間短路故障。

圖2 微分線圈動測法的原理圖Fig.2 Schematic diagram of differential coil dynamic test

微分線圈動測法一定程度上彌補了單導(dǎo)線微分法在發(fā)電機負載時的局限性，最適合在空載及機端三相對稱短路時監(jiān)測發(fā)電機轉(zhuǎn)子是否存在匝間短路以及判斷短路的嚴重程度。但在實際運行時，電樞反應(yīng)引起的氣隙磁場畸變以及鐵芯飽和等因素，仍給匝間短路的準確判斷帶來了困難［14］。有學者在微分線圈動測法的基礎(chǔ)上，將小波變換應(yīng)用于對探測線圈感應(yīng)電動勢波形特征的提?。?5］，一定程度上克服了該困難，起到了較好的效果。因目前絕大多數(shù)發(fā)電機出廠時未裝設(shè)探測線圈，在已經(jīng)投運的發(fā)電機上加裝該線圈十分困難，也較難被電廠所接受，因此該方法的應(yīng)用受到了一定的限制。

1.2 沖擊脈沖法

圖3 沖擊脈沖法原理圖Fig.3 Schematic diagram of shock pulse method

英國的Wood J.W.等學者提出的沖擊脈沖法［16］是建立在行波理論的基礎(chǔ)上。如圖3所示，利用信號發(fā)生器發(fā)出連續(xù)的陡前沿脈沖波，將該脈沖波同時加在勵磁繞組的兩端，在監(jiān)測點可測到2組響應(yīng)曲線。若發(fā)電機的勵磁繞組不存在匝間短路，則2組響應(yīng)曲線的差值為一條直線；反之，若勵磁繞組存在匝間短路，這時兩響應(yīng)曲線不重合，差值不再是一條直線。因此，可以用顯示在示波器上的2組響應(yīng)特性曲線之差的合成波形來判定發(fā)電機是否存在勵磁繞組匝間短路，波形有突起的地方說明存在匝間短路，并且突起的波幅大小反映了短路的嚴重程度。理論上即使勵磁繞組出現(xiàn)1匝的短路故障，應(yīng)用沖擊脈沖法也有較高的靈敏度［17-18］。

沖擊脈沖法所需的監(jiān)測裝置簡單，且靈敏度較高，適用于在轉(zhuǎn)子靜態(tài)下對故障進行監(jiān)測及輔助定位，而用于機組運行狀態(tài)下在線監(jiān)測的研究也正在開展，但效果尚不理想［19-20］。

1.3 利用機組振動特性

機組的振動特性為電機及變壓器的繞組內(nèi)部故障監(jiān)測提供了一種嶄新的思路，Trutt F.C.等學者對此進行了大量研究［21-24］。實際中確實曾出現(xiàn)較多由于轉(zhuǎn)子匝間短路故障引起的機組振動超標的案例。在工程實踐中，當電廠運行人員發(fā)現(xiàn)機組瓦振或軸振超標，且振動幅值與勵磁電流和無功功率呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢時，就會懷疑發(fā)電機發(fā)生了轉(zhuǎn)子匝間短路［25］。華北電力大學的萬書亭等學者在轉(zhuǎn)子匝間短路對發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子振動特性影響方面進行了大量開創(chuàng)性的理論研究工作［26］，推導(dǎo)了故障時定子和轉(zhuǎn)子的振動特性方程，并指出：“對于轉(zhuǎn)子，故障將激發(fā)工頻振動；對于1對極發(fā)電機的定子，2倍機械轉(zhuǎn)頻振動下降；對于多對極發(fā)電機的定子，工頻、2倍頻振動增加?！?/p>

但當短路匝數(shù)較少時，故障引起的機組振動不明顯，且實際中引起發(fā)電機振動的因素也很多（比如轉(zhuǎn)子熱不平衡、風路堵塞、軸瓦碰磨、偏芯、機座下沉等），尚無法單純利用振動特性來診斷包括轉(zhuǎn)子匝間短路在內(nèi)的發(fā)電機內(nèi)部故障，一般只能作為輔助判據(jù)。

1.4 利用軸電壓

軸電壓是指由磁不對稱等原因引起的存在于電機主軸兩端的交流電壓。若防護不當，軸電壓將可能引起破壞性的軸電流，因此近年來國內(nèi)外學者對軸電壓進行了廣泛且深入的研究［27-28］，也有學者嘗試利用發(fā)電機的軸電壓進行轉(zhuǎn)子匝間短路故障的監(jiān)測［29-30］。文獻［29］以 1 臺 30 kV·A 的 2 對極汽輪發(fā)電機為例，分析了轉(zhuǎn)子匝間短路時轉(zhuǎn)子的軸電壓諧波特征，得出故障發(fā)生后將產(chǎn)生2倍頻、4倍頻和6倍頻的軸電壓。文獻［30］提出利用齒槽諧波軸電壓診斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障的方法：發(fā)電機定子齒槽效應(yīng)可以導(dǎo)致發(fā)電機氣隙磁通密度畸變，在轉(zhuǎn)軸兩端感應(yīng)頻率與齒槽數(shù)相對應(yīng)的軸電壓特征分量，可以利用該特征分量診斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障。

但由于引起軸電壓的原因很多，每一種磁場的不對稱都有可能引起不同幅值及頻率的軸電壓，使得軸電壓的頻率成分非常復(fù)雜。除此之外，靜電電荷、靜態(tài)勵磁系統(tǒng)、剩磁及電容電流等原因均可能造成各種復(fù)雜的軸電壓頻率分量［1］。而目前利用軸電壓進行發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測還僅局限于定性分析與實驗，也僅可作為一種輔助的監(jiān)測手段。

1.5 利用運行中的電氣量

利用運行中的電氣量實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子匝間短路故障的在線監(jiān)測不需對發(fā)電機一次側(cè)進行改造，且針對性強，能發(fā)現(xiàn)運行中的動態(tài)短路，是目前的研究熱點。

文獻［31］提出了利用發(fā)電機運行監(jiān)測數(shù)據(jù)中的勵磁電流進行故障診斷的方法。文中的理論分析和實驗表明，轉(zhuǎn)子匝間短路會引起勵磁電流的增大和無功功率的減少，可以把故障后發(fā)電機的輸出狀態(tài)（包括有功功率、無功功率、定子電壓和電流等）看成是發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子繞組均正常的運行結(jié)果，用正常發(fā)電機的數(shù)學模型計算出勵磁電流，將勵磁電流的正常理論計算值與實測值的相對偏差作為是否存在轉(zhuǎn)子匝間短路及短路嚴重程度的判據(jù)。但因發(fā)電機參數(shù)受運行方式和條件的影響，由發(fā)電機的輸出狀態(tài)量準確計算勵磁電流比較困難。

文獻［32-33］對轉(zhuǎn)子匝間短路時的勵磁電流特性進行了分析，實驗表明了轉(zhuǎn)子匝間短路故障時勵磁電流附加交流分量的存在，而且附加諧波電流的幅值還可反映轉(zhuǎn)子匝間短路故障的嚴重程度。但勵磁電流附加交流諧波分量比較小，無法據(jù)此區(qū)分是轉(zhuǎn)子匝間短路還是其他電氣故障（比如定子繞組內(nèi)部故障等）。文中也僅限于對諧波產(chǎn)生原因進行定性分析，沒有研究不同的定子繞組形式對勵磁電流諧波成分的影響，而且沒有考慮附加諧波成分對氣隙磁場及定、轉(zhuǎn)子電流帶來的影響，更不能準確地定量計算。文獻［34］以定子單個線圈為基本對象，對轉(zhuǎn)子匝間短路時定子和轉(zhuǎn)子電流特征進行分析，但文中的分析并沒有全面考慮定子單個線圈之間的聯(lián)接關(guān)系，而事實上，定子繞組的分布及連接方式也會對故障后的定轉(zhuǎn)子電流頻率特性產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

針對采用無刷勵磁方式的同步發(fā)電機，文獻［35］基于對轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征傳遞規(guī)律的研究，創(chuàng)造性地提出利用勵磁機勵磁電流監(jiān)測主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子匝間短路故障。但同時文中也指出了勵磁機勵磁電流的故障特征幅值對發(fā)電機的勵磁方式和自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的整流方式較為敏感，選取合適的監(jiān)測閾值還需要進一步研究，這首先需要對不同運行方式下發(fā)生不同匝數(shù)短路時的勵磁機勵磁電流進行定量計算。

文獻［36］還提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測方法，無需建立精確的發(fā)電機數(shù)學模型，但此方法需要測量發(fā)電機正常狀態(tài)極限運行范圍內(nèi)的勵磁電流、無功功率以及有功功率等大量數(shù)據(jù)樣本，在實際應(yīng)用中有一定局限性。

監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間短路的另一種方法是將定子繞組本身作為探測線圈，利用轉(zhuǎn)子匝間短路時定子并聯(lián)支路中產(chǎn)生的環(huán)流來監(jiān)測故障。此法是Kryukhin首先提出的［37］，并在英國的許多發(fā)電機上得到應(yīng)用。大型汽輪發(fā)電機一般只有1對極，每相的2個分支分布在不同極的相同位置，并且繞向相反。正常運行時，轉(zhuǎn)子磁場的基波及奇數(shù)次諧波在同相不同分支中感應(yīng)出相同的電動勢，不會產(chǎn)生環(huán)流。但當轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路時，將出現(xiàn)偶數(shù)次空間諧波轉(zhuǎn)子磁場，進而會在同相2個并聯(lián)分支中感應(yīng)出大小相等、方向相反的電動勢，引起定子相繞組內(nèi)的偶次諧波環(huán)流。

國內(nèi)學者在這方面也做了很多實驗和理論分析工作［38］?？蛰d實驗和并網(wǎng)負載實驗都表明，發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路后，定子同相的2個并聯(lián)分支之間存在偶次諧波環(huán)流，而且其大小隨短路匝數(shù)的增加而上升。其中文獻［39］針對氣隙均勻的汽輪發(fā)電機，用磁網(wǎng)絡(luò)法計算轉(zhuǎn)子匝間短路引起的定子環(huán)流大小，在計算中把勵磁電流當作已知的常量來考慮勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢。由于定子環(huán)流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場影響了氣隙磁場，又會引起勵磁電流（包括勵磁繞組正常部分電流和短路匝電流）的變化，這種計算定子環(huán)流的方法在某些故障情況下會出現(xiàn)較大誤差，還有待進一步完善。

文獻［40］的實驗表明，1臺4對極、每相2分支的同步發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路時，定子繞組中會產(chǎn)生1/2及3/2等分數(shù)次諧波的環(huán)流。事實上，對多極的同步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子匝間短路后定子相繞組中環(huán)流的諧波成分還與定子繞組結(jié)構(gòu)（包括每相分支數(shù)以及各分支的位置）有關(guān)，有些電機會出現(xiàn)偶次諧波環(huán)流，也有些電機出現(xiàn)分數(shù)次諧波的環(huán)流，需要進一步深入分析并準確計算其大小。

2 基于電氣量在線監(jiān)測的相關(guān)研究進展

通過上述分析可以看出，雖然近年來學者們對轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測進行了大量研究，但實際應(yīng)用中還存在局限性：或無法實現(xiàn)在線監(jiān)測（傳統(tǒng)監(jiān)測法及沖擊脈沖法等）；或需對發(fā)電機一次側(cè)進行改造（基于磁場探測）；或監(jiān)測結(jié)果缺乏針對性（利用機組振動及軸電壓）。所認識到的電氣故障特征往往十分微弱、模糊，且多種因素交織在一起，無法對故障進行準確的在線分析和診斷?；诖耍陙韲@著基于電氣量的轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測，筆者進行了大量研究，取得了初步的研究成果。

郝憲印在總結(jié)講話中，就抓好會議精神的貫徹落實提出三點要求：一要強化形勢研判，做好政策儲備，圍繞創(chuàng)新思路抓落實；二要聚焦關(guān)鍵領(lǐng)域，把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圍繞重點工作抓落實；三要強化責任分工，凝聚工作合力，圍繞改進作風抓落實。

2.1 故障的數(shù)學建模

由于轉(zhuǎn)子匝間短路破壞了發(fā)電機電氣參數(shù)的對稱性，引起氣隙磁場的畸變和定子相繞組內(nèi)部的不平衡電流，對稱分量法及相坐標法均不再適用。為突破以往無法準確計算故障時發(fā)電機電氣量的研究瓶頸，文獻［41］采用多回路分析法按照定、轉(zhuǎn)子的實際回路列出了以定、轉(zhuǎn)子所有回路電流為變量的狀態(tài)方程：

式（1）相關(guān)的符號解釋見文獻［41］，該式為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障的數(shù)學模型，對凸極機和隱極機均適用。

采用諸如Runge-Kutta等數(shù)值方法對式（1）進行求解，可得自故障發(fā)生到進入穩(wěn)態(tài)的整個過渡過程。但對于極對數(shù)和阻尼回路多的大型水輪發(fā)電機，式（1）的維數(shù)很高，迭代求解到穩(wěn)態(tài)將花費大量機時，實用性不強。為此文獻［42］根據(jù)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障后的氣隙磁場及其在定、轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)電流的一般性分析，提出了故障的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，該模型將式（1）的時變系數(shù)微分方程組轉(zhuǎn)化成以定、轉(zhuǎn)子電流的各次諧波的正弦和余弦分量幅值為變量的線性代數(shù)方程組，可直接求得故障后的穩(wěn)態(tài)電流，實現(xiàn)故障的快速求解。

2種數(shù)學模型的計算結(jié)果均經(jīng)過了模擬樣機的實驗驗證。

2.2 故障特征及其機理

文獻［43］以1臺12 kW、3對極的隱極同步發(fā)電機樣機為例，通過對轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組產(chǎn)生的磁動勢性質(zhì)及其在氣隙磁場中相互作用的理論分析，對實驗中出現(xiàn)的定、轉(zhuǎn)子各次諧波分量進行物理解釋。在此基礎(chǔ)上，文獻［44］基于對該臺發(fā)電機定子繞組3種不同形式的變換（轉(zhuǎn)子保持不變），利用故障的數(shù)學模型對不同定子繞組形式的電機所發(fā)生的同一種轉(zhuǎn)子匝間短路故障進行了計算；通過傅里葉分解得到了穩(wěn)態(tài)故障電流的諧波特征，并進行比較分析，揭示了定子繞組形式對故障穩(wěn)態(tài)電流諧波特征的影響。進而得到1對極大型汽輪發(fā)電機及常見定子繞組形式的大型水輪發(fā)電機故障時的穩(wěn)態(tài)電流特征［45］，并對故障特性量的影響因素（包括結(jié)構(gòu)完整的阻尼繞組、分布式勵磁繞組短路位置、短路匝數(shù)等）進行了理論分析［46］。

理論分析和仿真計算都表明，轉(zhuǎn)子匝間短路故障后相繞組內(nèi)部會出現(xiàn)偶數(shù)次或與極對數(shù)有關(guān)的分數(shù)次諧波的穩(wěn)態(tài)不平衡電流，這種故障特征與其他常見電氣故障及系統(tǒng)振蕩等不正常狀態(tài)的特征存在明顯差異，為故障監(jiān)測提供了理論依據(jù)。

2.3 基于定子相繞組內(nèi)部不平衡電流有效值的故障監(jiān)測方案

由于定子繞組內(nèi)部故障對發(fā)電機的破壞力極大，大型發(fā)電機一般都配置了主保護。若發(fā)電機主保護配置的電流互感器在反應(yīng)定子內(nèi)部故障的同時也能實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子匝間短路故障的監(jiān)測將是十分有意義的。

為此，文獻［47］以三峽左岸VGS發(fā)電機為例，通過定量分析轉(zhuǎn)子匝間短路故障對主保護不平衡電流的影響，提出了基于定子相繞組內(nèi)部穩(wěn)態(tài)不平衡電流總有效值的故障監(jiān)測原理。計算與分析表明，該故障監(jiān)測原理能解決依靠單一諧波監(jiān)測所帶來的一系列問題，可較靈敏地反應(yīng)轉(zhuǎn)子的小匝數(shù)短路故障。而且這種監(jiān)測方法只需利用主保護配置的分支（組）電流互感器或中性點連線間電流互感器，工程可行性較強。根據(jù)該原理研制的故障在線監(jiān)測裝置已于2012年3月在浙江新安江水電站投入試運行。

3 轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線監(jiān)測技術(shù)的研究展望及初步思路

3.1 無死區(qū)靈敏監(jiān)測方案

雖然基于定子相繞組內(nèi)穩(wěn)態(tài)不平衡電流總有效值的故障監(jiān)測原理已實現(xiàn)了對穩(wěn)態(tài)故障特征量的最大程度提取，但由于發(fā)電機機端和中性點兩側(cè)的電流互感器特性不完全一致以及發(fā)電機的制造偏差等原因，正常運行時也會有不平衡電流進入故障監(jiān)測裝置，這會引起監(jiān)測靈敏性的下降。例如對于彭水ALSTOM 1號發(fā)電機，實測正常時進入不完全裂相橫差保護的不平衡電流總有效值為432.6 A，而經(jīng)過計算可知，當勵磁繞組短路11匝（短路匝比為0.92%）時引起的不平衡電流才與正常時相當，可見監(jiān)測的靈敏性還不夠高。因此，需要進一步深入研究勵磁繞組全范圍內(nèi)無死區(qū)的匝間短路監(jiān)測方案。

3.2 不具備分支電流互感器安裝條件的發(fā)電機故障監(jiān)測

除少量俄供機型外，中國絕大多數(shù)的大型汽輪發(fā)電機中性點僅引出3個端子，尚不具備分支電流互感器的安裝條件。而實際上，相比水輪發(fā)電機而言，汽輪發(fā)電機的工作環(huán)境更為惡劣，轉(zhuǎn)子匝間短路故障發(fā)生幾率更高。對不具備分支電流互感器安裝條件發(fā)電機的故障監(jiān)測可通過以下途徑展開。

3.2.1 基于轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢的故障監(jiān)測原理

轉(zhuǎn)子匝間短路首先將引起勵磁繞組拓撲結(jié)構(gòu)的改變，進而引起不同于正常運行時的勵磁磁動勢。而發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路故障后，相電壓和相電流均以基波分量為主，同步電機的相矢量圖仍然適用。因此，可根據(jù)相電壓、相電流建立實際運行時發(fā)電機基波勵磁磁動勢F′f1的準確計算模型，然后與正常運行時根據(jù)勵磁電流和轉(zhuǎn)子繞組實際分布計算得到的基波勵磁磁動勢Ff1相比較。理論上正常運行時兩者應(yīng)相同，而轉(zhuǎn)子匝間短路時將有F′f1＜Ff1，由此即可實現(xiàn)對短路故障的判斷。

由于該方法基于轉(zhuǎn)子勵磁磁勢的計算與比較，因此不論勵磁調(diào)節(jié)器如何動作、負載如何變化，該方法均不受影響。實現(xiàn)這一原理監(jiān)測的關(guān)鍵點有2個：首先是實際運行時勵磁磁動勢的準確計算模型，模型中的參數(shù)應(yīng)受發(fā)電機運行工況影響較??；另外，還需研究其他故障對監(jiān)測判據(jù)的影響，以采取相應(yīng)的閉鎖等解決方式。

3.2.2 基于機組振動的監(jiān)測方案

目前對轉(zhuǎn)子匝間短路故障時定、轉(zhuǎn)子振動特性的理論分析研究還較為初步，在分析時大都沒有全面地考慮故障后定、轉(zhuǎn)子各種時間電流所產(chǎn)生的各種空間諧波磁場之間的相互作用，因此分析還有局限性，得不到嚴謹、完整的結(jié)論。

可在已有研究的基礎(chǔ)上［25-26］，更進一步細致分析故障后定、轉(zhuǎn)子的振動特性（包括切向和徑向），以期找到故障所獨有的振動特性，并明晰其影響因素和變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究基于振動的監(jiān)測方案。

3.3 故障在線定位

目前對同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線定位的研究還較少，多數(shù)情況下是利用分布電壓法或沖擊脈沖法進行故障的離線定位。對于受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響的動態(tài)匝間短路（如因相互擠壓引起的短路），即使在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了故障，但在停機后可能無法找到故障位置。這就需要對故障在線定位進行研究，在發(fā)現(xiàn)故障后找到對應(yīng)的故障磁極（對于隱極電機還需找到短路槽）。

一種較初步的思路是，引入發(fā)電機的轉(zhuǎn)子鑒相信號，找到故障后電氣量的時域特點或某些時間諧波的相位特點與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系。初步的分析表明，這種關(guān)系可能受定子繞組的空間連接與分布影響。

4 結(jié)語

近年來大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障頻發(fā)，已引起很多電廠的重視。雖然轉(zhuǎn)子小匝數(shù)短路故障不會引起勵磁電流、無功及振動的顯著變化，對發(fā)電機運行影響不大。但初步的分析表明，越是小匝數(shù)的短路越容易受到其他故障或過渡過程（起停機等）的沖擊而惡化（轉(zhuǎn)子接地等）。

從文中的展望中還可以看到，對大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障監(jiān)測的研究更為迫切。故筆者呼吁大型汽輪發(fā)電機的設(shè)計專家與制造廠商能夠改變目前的中性點3端子引出方式，已有的研究成果已充分論證了引出分支電流的可行性［48］，若能加以推廣必將實現(xiàn)對發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子繞組的高質(zhì)量保護或監(jiān)測，進一步提高運行可靠性。