任曉駿，李 揚，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)電機轉子匝間短路故障的在線監(jiān)測

任曉駿1，李 揚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. 北京交通大學電氣工程學院, 北京 100044；3. 清華大學電機系，北京100084；4. 南京南瑞繼保有限公司，南京211102）

轉子匝間短路故障會引起同步發(fā)電機的勵磁磁動勢發(fā)生變化?；跁r空向量圖，利用發(fā)電機運行的機端電壓、機端電流與定子漏抗，建立受發(fā)電機運行方式影響較小的磁動勢計算數學模型，準確計算發(fā)電機運行時的實際勵磁磁動勢，通過與勵磁電流計算得到的正常磁動勢進行比較，即可實現對轉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)測裝置應用在實驗樣機上，進行了不同工況下不同短路位置與匝數的轉子匝間短路動模實驗，驗證了原理的正確性和裝置的有效性。

汽輪發(fā)電機；轉子匝間短路；在線監(jiān)測；磁動勢

0 前言

轉子繞組匝間短路是大型同步發(fā)電機常見的一種電氣故障，會引起勵磁電流增大，輸出無功減小，機組振動加劇等一系列不良影響，若不及時處理還有可能引起更嚴重的轉子接地故障和大軸磁化故障。汽輪發(fā)電機相比于水輪發(fā)電機，轉子轉速更高，運行環(huán)境溫度更惡劣，更容易發(fā)生轉子繞組匝間短路。據不完全統(tǒng)計，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)電機發(fā)生勵磁繞組匝間短路故障，在2010年就已確認發(fā)生了5起[1, 2]。

近幾年，清華大學一直基于“交流電機的多回路分析法”研究發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障，提出了利用發(fā)電機裂相橫差電流[3]（分支繞組的環(huán)流）或者單元件橫差電流[4]的諧波特征判別轉子匝間短路故障，相關成果已在新安江和彭水等電廠得到了應用。但在中國，除少量的俄供機組外，絕大多數大型汽輪發(fā)電機的中性點僅引出3個端子，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)測方案很難應用于汽輪發(fā)電機[5]。

為提高大型汽輪發(fā)電機安全運行的可靠性和穩(wěn)定性，應在現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)電機內磁動勢的分布不再對稱，轉子受不平衡磁拉力的影響，發(fā)電機的振動加劇[6]。因此，通過監(jiān)測發(fā)電機的振動判別轉子繞組匝間短路故障在理論上是可行的[7-9]，但是發(fā)電機的振動是一個十分復雜的問題，電氣故障僅是引起振動的一個方面。目前電氣故障對轉子的振動機理還不明確，相關研究也僅限于定性的理論分析與實驗階段，較難實用化。此外，華北電力大學的學者基于“故障后勵磁電流增加而無功輸出量卻相對減小”的特征進行故障判別[10, 11]，將故障后的電氣量視為轉子繞組正常時的輸出，計算勵磁電流理論值，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子繞組匝間短路及短路嚴重程度的判據。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)測方法的準確性及靈敏度會受發(fā)電機運行方式和條件的影響，應用的可行性較差。

轉子發(fā)生匝間短路后，勵磁磁動勢將產生變化，與正常運行時有所不同?；诖耍疚氖紫纫蚤L興發(fā)電廠一臺實際的汽輪發(fā)電機為例，利用相電壓、相電流與定子漏阻抗，基于發(fā)電機三相對稱運行時的相量圖，建立計算發(fā)電機實際基波勵磁磁動勢的數學模型，將模型計算結果與利用當前工況下的勵磁電流計算出的正常勵磁磁動勢進行比較，就可以判斷發(fā)電機是否發(fā)生轉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，并通過動模實驗對監(jiān)測原理與裝置進行了驗證。

1 基于勵磁磁動勢差值的故障監(jiān)測原理

1.1 故障判斷的基本原理

以長興發(fā)電廠的一臺實際汽輪發(fā)電機為例，對該故障監(jiān)測方法的基本原理進行說明。該大型汽輪發(fā)電機轉子徑向結構如圖1（a）所示，每極下共有8個轉子槽，最靠近磁極大齒的槽（如圖1中S極的11'槽）內匝數為6，其他轉子槽內匝數為8。假設轉子勵磁繞組流經恒定的勵磁電流f，當轉子繞組正常時，其勵磁磁動勢階梯波形如圖1（b）所示，對其進行快速傅里葉分解（FFT）后，得到基波磁動勢幅值f1=ff，f為勵磁磁動勢的波形因數，定義為勵磁磁動勢基波幅值與勵磁磁動勢幅值之比，f為梯形波的勵磁磁動勢幅值。

（a） 發(fā)電機轉子截面示意圖

（b） 匝間短路故障前后勵磁磁動勢波形

當勵磁繞組發(fā)生匝間短路后，磁動勢波形將發(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的磁動勢波形，其基波磁動勢幅值為f1'。因故障后的勵磁繞組的有效匝數減少，故障后的基波勵磁磁動勢f1'必然小于故障前的基波勵磁磁動勢f1。即

當發(fā)電機發(fā)生轉子匝間短路時，滿足

由此可見，如何準確計算實際的勵磁磁動勢是保證該方法切實可行的關鍵。

1.2 實際勵磁磁動勢的計算方法

由隱極式汽輪發(fā)電機的時空統(tǒng)一相量圖（圖2）可知，基波勵磁磁動勢，因此，只要準確求出基波氣隙磁動勢和基波電樞合成磁動勢a1，便可求解基波勵磁磁動勢。應當指出，轉子發(fā)生匝間短路故障后，定子三相仍然是對稱的，發(fā)電機運行的時空統(tǒng)一相量圖仍然適用。

圖2 隱極式發(fā)電機的時空統(tǒng)一相量圖

（1）基波電樞磁動勢a1

由時空相量圖可知，a1與A相電流相量方向相同。

式中，1——定子繞組每相串聯匝數；

dp1——定子基波繞組因數；

——極對數。

然后，根據發(fā)電機正常時的空載特性，如圖3所示，得到δ對應的階梯波轉子，磁動勢幅值f，則δ對應的氣隙基波磁動勢可以直接得到f1=ff。

圖3 勵磁磁動勢幅值的計算

通過發(fā)電機的空間向量圖，利用發(fā)電機運行的三相電壓、三相電流、定子漏感與電阻求得發(fā)電機實際的基波勵磁磁動勢后，即可依據1.1節(jié)中判斷標準進行故障識別。

應當強調，在利用時空相量圖求勵磁磁動勢時，還可以依據同步電抗s進行求解，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)電機的運行方式影響較大，無法較為準確地計算勵磁磁動勢。而本文利用了定子漏抗進行計算，受發(fā)電機運行條件與方式的影響較小，可以保證基波磁動勢計算的準確性。

2 在線監(jiān)測裝置及其動模實驗

2.1 在線監(jiān)測裝置簡介

為進一步驗證本文所提出的“基于磁動勢比較的轉子匝間短路故障在線監(jiān)測方法”的可行性，并且應用于工程實際，研發(fā)了“PCS-988B發(fā)電機轉子繞組匝間故障監(jiān)測裝置”，并將其應用于浙江長興電廠。

PCS-988B的產品部署視圖如圖4所示，裝置接入發(fā)電機機端PT、機端CT、勵磁變CT。其中，機端PT和CT分別用于測量發(fā)電機端的相電壓和相電流，而勵磁變CT用于測量勵磁變低壓側三相交流電流，三相電流的瞬時值相加即可得到發(fā)電機勵磁電流的直流分量。

圖4 PCS-988B的產品部署視圖

PCS-988B裝置基于本文提出的在線監(jiān)測算法，首先計算發(fā)電機實際基波勵磁磁動勢，再將該磁動勢與當前勵磁電流計算出的正常勵磁磁動勢進行比較，根據式（3）判斷發(fā)電機是否發(fā)生轉子繞組匝間短路故障。

2.2 在線監(jiān)測裝置的動模實驗

為驗證PCS-988B發(fā)電機轉子繞組匝間故障監(jiān)測裝置的電氣量采樣、電氣量計算以及邏輯判別的正確性及可靠性，在動模樣機上對該裝置進行了動模測試。圖5為動模測試的實物接線圖。

圖5 動模實驗的實物接線圖

圖5中的直流電源為同步發(fā)電機提供高品質的勵磁，可以工作在恒流模式或者恒壓模式。直流原動機由西門子6RA70直流調速設備驅動，故障前后的發(fā)電機轉子能夠保持同步轉速。A1553同步發(fā)電機是專門為進行轉子匝間短路實驗而特別定制，其勵磁繞組除首、末端引出2個抽頭外，還額外引出了5個用于短路的抽頭，這7個抽頭分別與7個連到外部接線端子上的滑環(huán)相連。各抽頭的位置及相應匝數如圖6所示，實驗樣機主要用來檢驗監(jiān)測方案的有效性，而沒有考慮各抽頭之間短路故障實際出現的可能性。

圖6 A1553樣機轉子沖片及勵磁繞組引出抽頭示意圖

裝置系統(tǒng)定值整定時，取機端電壓互感器變比為18kV/100V；取機端CT、第1分支組CT的電流變比為4000A/5A。按此定值計算，電流模擬放大了4000A/20A = 200倍，模擬的發(fā)電機額定電流為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)電機組，實驗將勵磁磁動勢的差值整定為0.006p.u.。

實驗1：勵磁恒流模式帶負載短路

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

實驗2：勵磁恒壓模式帶負載短路

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

實驗3：空載時的短路

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

實驗4：裝置防誤報警性能實驗

該樣機上進行的零起升壓、滅磁、并網、甩負荷、機端三相短路、機端兩相短路以及定子匝間短路故障等實驗中，裝置均未出現誤報警。

3 結論

為了實現對無分支電流互感器汽輪發(fā)電機的轉子匝間短路故障監(jiān)測，本文提出了一種基于故障前后勵磁磁動勢變化的監(jiān)測方法，用動模實驗驗證了原理的正確性和裝置的有效性，該裝置已應用于浙江長興電廠。下一步將重點研究在保證防誤動性能的基礎上縮小匝數短路故障的監(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電氣工程及其自動化專業(yè)，現從事發(fā)電廠繼電保護工作，工程師。

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

審稿人：畢純輝