李永剛，王海蛟，武玉才，董晨晨

?

基于交流阻抗法的發(fā)電機勵磁繞組短路故障診斷

李永剛，王海蛟，武玉才，董晨晨

（華北電力大學(xué)，河北保定 071003）

本文分析了勵磁繞組短路故障對發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流阻抗的影響，在故障模擬發(fā)電機上進行轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗，表明發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，轉(zhuǎn)子交流阻抗變小。本文分析了勵磁繞組短路故障對發(fā)電機靜態(tài)等效電路的影響，提出了利用定子交流阻抗判斷勵磁繞組短路故障的方法。通過在故障模擬發(fā)電機上進行勵磁繞組短路故障模擬試驗，計算不同短路故障情況下定子交流阻抗值，并將其與正常情況下的定子交流阻抗值比較，當(dāng)偏差超過一定數(shù)值時，可判斷汽輪發(fā)電機存在勵磁繞組短路故障。同時，將定子交流阻抗法試驗結(jié)果和轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗結(jié)果進行比較，分析定子交流阻抗法的有效性。定子交流阻抗法為離線監(jiān)測方法，具有較高的靈敏度。

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子交流阻抗；定子交流阻抗；勵磁繞組短路；離線診斷；交流阻抗

0 前言

汽輪發(fā)電機勵磁繞組匝間短路是發(fā)電機運行過程中比較常見的故障，同時也是影響發(fā)電機安全運行的主要原因之一[1]。大型汽輪發(fā)電機故障中，發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障占故障總數(shù)的比重較大，故障發(fā)生的頻率為11.46%[2]。勵磁繞組短路故障不僅影響發(fā)電任務(wù)的順利完成，而且造成巨大的經(jīng)濟損失，因此勵磁繞組匝間短路的故障診斷是十分有必要的。

國內(nèi)外學(xué)者提出很多離線和在線監(jiān)測發(fā)電機勵磁繞組匝間短路的方法。勵磁繞組匝間短路故障在線診斷方法主要是線圈探測法[3-4]、勵磁電流法[5]和軸電壓法[6]。由于發(fā)電機正常運行時，發(fā)電機的運行狀態(tài)受各種因素影響變化，因此勵磁繞組匝間短路故障在線診斷方法的靈敏度需要提高。

關(guān)于勵磁繞組匝間短路離線檢測，目前較成熟的診斷方法主要是空載和短路特性試驗，直流電阻試驗，交流阻抗和損耗試驗，RSO重復(fù)脈沖檢測法，轉(zhuǎn)子繞組電壓分布試驗，開口變壓器法?？蛰d和短路特性試驗法將正常情況下的空載或短路特性曲線與故障情況下的空載或短路特性曲線對比來判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生匝間短路故障。直流電阻試驗法利用發(fā)電機勵磁繞組匝間短路后，勵磁繞組的直流電阻將會減小，通過直流電阻的變化判斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障。該方法的靈敏度相對較低，只有短路程度比較嚴(yán)重時，才能檢測出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。文獻[7]~[8]利用交流阻抗試驗檢測發(fā)電機勵磁繞組短路故障，該方法利用轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，短路匝中的電流遠大于正常匝的電流，且有很強的去磁作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗大幅下降。該方法具有簡便、實用和較為靈敏的優(yōu)點，但交流阻抗法的測試結(jié)果受外部條件影響因素較多，故不能作為判斷匝間短路的主要依據(jù)。文獻[9]~[12]利用RSO重復(fù)脈沖檢測法檢測發(fā)電機勵磁繞組短路故障，該方法可判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間是否存在短路以及短路點的位置，但由于波形容易受到轉(zhuǎn)子阻抗變化的影響，不可作為在線監(jiān)測方法。文獻[13] ~[14]利用轉(zhuǎn)子繞組電壓分布試驗檢測發(fā)電機勵磁繞組短路故障，該方法利用轉(zhuǎn)子兩極線圈良好的對稱性，測量兩極各個槽繞組的電壓分布，該方法可以準(zhǔn)確地診斷出轉(zhuǎn)子匝間短路故障，并且將故障定位到具體槽。文獻[14]利用開口變壓器法檢測汽輪發(fā)電機勵磁繞組短路故障，該方法的測試原理是將轉(zhuǎn)子置于定子膛外，由滑環(huán)通入交流電到繞組中，在轉(zhuǎn)子槽齒上便產(chǎn)生交變磁通。該方法的優(yōu)點是可以準(zhǔn)確定位匝間短路線圈所在的槽。

本文分析了勵磁繞組短路故障對發(fā)電機靜態(tài)等效電路的影響，提出了利用定子交流阻抗判斷勵磁繞組短路故障的方法，并在故障模擬發(fā)電機上進行勵磁繞組匝間短路故障模擬試驗，將定子交流阻抗試驗結(jié)果和轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗結(jié)果對比，提出了離線檢測轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的新途徑。

1 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗

1.1 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗基本原理[15]

發(fā)電機的轉(zhuǎn)子鐵心為鐵磁性物質(zhì)，磁導(dǎo)率很大，具有良好的導(dǎo)磁性能。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組外加交流電時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。

對鐵磁性物質(zhì)，磁滯損耗h與磁通密度最大值m和交流電壓的頻率有關(guān)，即

式中，m為磁通密度最大值；為交變頻率。

轉(zhuǎn)子鐵心產(chǎn)生的渦流損耗為：

式中，m為磁通密度最大值；為交變頻率。

轉(zhuǎn)子的鐵心損耗包括磁滯損耗和渦流損耗，即：

分析式（1），式（2），式（3）可得：如果發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置不發(fā)生改變，轉(zhuǎn)子鐵心損耗與磁通密度最大值的平方成正比關(guān)系，即：

（4）

發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組加交流電壓時，繞組中就會產(chǎn)生交變的磁通。交變磁通與磁阻成反比，與繞組匝數(shù)和電流成正比，即：

磁通密度為：

式中，為磁通經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心本體的截面積。

分析（3）式、（4）式可得：

式中，1為常數(shù)。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的電抗可以表示為：

式中，為轉(zhuǎn)子繞組電流的角頻率；為轉(zhuǎn)子繞組的電感；為轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)。則轉(zhuǎn)子繞組的電抗為：

（10）

式中，2為常數(shù)。

由式（8），式（10）分析可知：轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗中，轉(zhuǎn)子繞組等效電阻與磁通流過路徑的磁阻的平方成反比，電抗與磁通流過路徑的磁阻成反比。

當(dāng)發(fā)電機勵磁繞組發(fā)生匝間短路故障時，流過勵磁繞組短路匝的電流遠大于正常匝的電流，并且短路電流有強烈的去磁作用，使磁通路徑的磁阻變大，分析可知，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，交流阻抗變小。

1.2 故障模擬發(fā)電機

為了驗證交流阻抗法，在試驗室一臺10kVA的故障模擬發(fā)電機上進行勵磁繞組短路故障模擬試驗，實測轉(zhuǎn)子交流阻抗和定子交流阻抗，如圖2所示。

圖2 故障模擬發(fā)電機

故障模擬發(fā)電機基本參數(shù)見表1。

表1 故障模擬發(fā)電機基本參數(shù)

該發(fā)電機N極勵磁繞組的24.3%，23.2%引出兩個抽頭F11和F12，在S極的25.9%引出一個抽頭F13，加上勵磁繞組兩端抽頭F1和F2，共5個抽頭，通過電刷引出，將相應(yīng)的接頭短路可模擬一定程度的勵磁繞組短路故障。

1.3 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗結(jié)果

測量轉(zhuǎn)子交流阻抗與原始數(shù)據(jù)比較是判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路比較靈敏的方法之一。在試驗室一臺故障模擬發(fā)電機上進行了勵磁繞組短路故障模擬試驗，實測轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗。故障前后發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的交流阻抗數(shù)據(jù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗數(shù)據(jù)

從表2可以得到，短路程度越嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子交流阻抗值越小，且轉(zhuǎn)子交流阻抗的比值近似等于轉(zhuǎn)子正常線匝比值的平方，即

式中，1和2表示不同短路程度的交流阻抗；1和2表示未短路的轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)。

2 定子交流阻抗法

2.1 定子交流阻抗法基本原理

汽輪發(fā)電機的勵磁繞組發(fā)生短路故障后的等效電路如圖3所示，圖中虛框內(nèi)是整流部分，對于靜止勵磁和旋轉(zhuǎn)勵磁發(fā)電機，整流部分略有區(qū)別。被短路繞組隨發(fā)電機磁場同步旋轉(zhuǎn)，短路繞組內(nèi)部電流為零，失去勵磁作用。

圖3 勵磁繞組等效電路

當(dāng)轉(zhuǎn)子q軸與定子A相繞組軸線重合時，勵磁繞組與定子A相繞組軸線平行，沒有交變磁通穿過勵磁繞組，被短路繞組內(nèi)部無電流，只有q軸阻尼繞組有電流流過。定子A相繞組相當(dāng)于變壓器的原邊繞組，q軸阻尼繞組相當(dāng)于變壓器的副邊短路繞組，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子q軸與A相軸線重合

由圖4可得，A相繞組的交流阻抗為：

當(dāng)轉(zhuǎn)子d軸與A相軸線重合時，A相繞組產(chǎn)生的交變磁通垂直穿過勵磁繞組，當(dāng)勵磁繞組存在匝間短路時，勵磁繞組感應(yīng)交流電勢，被短路繞組存在交流電流，d軸阻尼繞組中也有電流流過。定子A相繞組相當(dāng)于變壓器的原邊繞組，d軸阻尼繞組和被短路繞組相當(dāng)于變壓器副邊繞組，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子d軸與A相軸線重合

由圖5可得，A相繞組的交流阻抗為：

通過在故障模擬發(fā)電機上試驗,就可以得到不同短路程度下的定子繞組交流阻抗,它和正常狀態(tài)下的定子繞組交流阻抗比較，可以判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生匝間短路故障，判據(jù)為：

（14）

2.2 定子交流阻抗數(shù)據(jù)分析

在故障模擬發(fā)電機的平衡盤上進行標(biāo)記，等分36份，標(biāo)記為0-35。在發(fā)電機的A相繞組加交流電壓，分別在勵磁繞組正常和不同短路程度的情況下試驗，平衡盤從標(biāo)號0開始轉(zhuǎn)動，記錄數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)動平衡盤，每轉(zhuǎn)動10°，記錄一次數(shù)據(jù)。如圖6~10所示。

圖6 轉(zhuǎn)子繞組開路電壓

圖7 定轉(zhuǎn)子繞組電壓

圖8 定轉(zhuǎn)子繞組電流

圖9 定子繞組電流

圖10 定子交流阻抗

圖6所示為不同短路程度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同角度時的轉(zhuǎn)子繞組開路電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至10°、100°、190°和280°時，勵磁繞組軸線和A相繞組軸線重合，A相繞組產(chǎn)生的脈振磁通垂直穿過勵磁繞組，磁通最大，故感應(yīng)出較大電壓；而在60°、150°、240°和330°方向時，磁通與勵磁繞組平行，磁通量極小，故感應(yīng)出電壓很小。勵磁繞組出現(xiàn)匝間短路后，有效匝數(shù)減小，勵磁繞組開路電壓下降，短路程度越嚴(yán)重，開路電壓下降越明顯。

圖7所示為勵磁繞組正常，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)100°時，定轉(zhuǎn)子繞組電壓，由于勵磁繞組匝數(shù)較多，所以勵磁繞組感應(yīng)出電壓較大。圖8為短路24.3%，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)100°時的定、轉(zhuǎn)子繞組電流。

圖9所示為不同短路程度，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不同角度時A相定子繞組電流值。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至10°、100°、190°和280°時，勵磁繞組軸線和A相繞組軸線重合，定子電流較小。發(fā)生短路故障后，A相定子繞組電流呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢，這是因為短路繞組內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流，對主磁場起去磁作用，減小主磁通，A相繞組交流阻抗下降，電流上升。

分析可知，定子交流阻抗值與發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置有很大的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組軸線和定子繞組軸線重合時，定子交流阻抗達到最大值；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組軸線和定子繞組軸線垂直時，定子交流阻抗達到最小值（如圖10所示），因此進行定子交流阻抗試驗時，應(yīng)讓轉(zhuǎn)子繞組軸線和定子繞組軸線盡可能重合。

2.3 定子交流阻抗試驗結(jié)果

當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組軸線和定子繞組軸線重合時，定子交流阻抗達到最大值。經(jīng)分析可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到10°、100°、190°和280°附近時，轉(zhuǎn)子繞組軸線和定子繞組軸線近似重合。對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到100°時的數(shù)據(jù)進行分析，計算不同短路情況下的定子交流阻抗，見表3。

表3 定子交流阻抗試驗數(shù)據(jù)

從表3可以看出，短路程度越嚴(yán)重，定子交流阻抗值越小，且并非與短路程度呈正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

本文分析勵磁繞組短路故障對發(fā)電機靜態(tài)等效電路的影響，提出了利用定子交流阻抗判斷勵磁繞組短路故障的新方法。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在短路1.1%的情況下，定子交流阻抗法的偏差為－2.9%，而轉(zhuǎn)子交流阻抗法的偏差為－2.0%，說明在短路程度比較小的情況下，定子交流阻抗法的靈敏度更高。

定子交流阻抗法是離線監(jiān)測方法，具有較高的靈敏度。同時，由于定子交流阻抗與轉(zhuǎn)子的位置有很大的關(guān)系，可能讓定子交流阻抗法產(chǎn)生較大的誤差。

[1] 張征平, 劉石, 姚森敬. 大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障分析與診斷[M]. 中國電力出版社, 2011.

[2] 馬宏忠. 電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M]. 機械工業(yè)出版社, 2008.

[3] Albright D R ．Inter-turn short-circuit detector for turbine-generator rotor windings[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1971, 90(2): 478-483．

[4] 劉慶河, 蔡維錚, 徐殿國. 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線檢測方法的研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2004, 24(9):234-237.

[5] 李永剛, 李和明, 趙華. 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷新判據(jù)[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2003, 23(6):112-116.

[6] 武玉才, 李永剛, 李和明. 基于軸電壓的隱極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子典型故障診斷[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2010, 25(6):178-184.

[7] 李永剛, 李和明. 在線檢測汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障方法研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2002, 26(20):47-49.

[8] 梅強. 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗測量的理論分析[J]. 華東電力, 1998(7):4-6.

[9] Wood J W, Hindmarch R T. Rotor winding short detection[J]. 1986, 133(3):181-189.

[10] 賈志東, 陳海, 張征平,等. 采用重復(fù)脈沖法診斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(11):2927-2933.

[11] 吳宇輝, 席斌, 余學(xué)文,等. 一起汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路缺陷的查找與分析[J]. 大電機技術(shù), 2012(1):1-4.

[12] 彭發(fā)東, 張征平, 陳杰華,等. 大型汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障的分析與診斷[J]. 大電機技術(shù), 2010(6):17-19.

[13] 柴方光, 程振偉, CHAIFangguang,等. 50MW水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極異常情況分析[J]. 華電技術(shù), 2011, 33(2):55-57.

[14] 李偉清, 王紹禹. 發(fā)電機故障檢查分析及預(yù)防[M]. 中國電力出版社, 1996.

[15] 賀小明. 對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路故障測試方法的探討[J]. 廣東科技, 2009, 18(24):128-130.

Field Winding Short Circuit Fault Diagnosis on Turbine Generators Based on the AC Impedance Test

LI Yonggang, WANG Haijiao, WU Yucai, DONG Chenchen

(North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

This paper analyses the variation of the rotor AC impedance after a field winding short-circuit fault. The rotor AC impedance test on the fault simulation generator indicates that the AC impedance of the rotor decrease because of the occurrence of a field winding short-circuit fault. This paper analyses the variation ofthe static equivalent circuit of the generator after a field winding short-circuit fault and proposes a way to diagnose field winding short-circuit fault by using the AC impedance of the stator. With the aid of short-circuit fault simulation test on generator, the AC impedance of the stator can be calculated at different short-circuit fault conditions, which is used to compare with the normal value. When the deviation exceeds a certain value, the field winding short-circuit fault within the turbine generator is recognized. Moreover, the effectiveness of the stator AC impedance method can be analyzed by comparing the result of stator AC impedance test, which is an off-line monitoring method with high sensitivity with that of the rotor AC impedance test.

generator excitation system; the AC impedance of the rotor; the AC impedance of the stator; short circuit of field windings; off-line diagnosis; AC impedance

TM303.1

A

1000-3983(2017)04-0010-05

2016-09-06

李永剛（1967-），畢業(yè)于華北電力大學(xué)，博士，研究方向為大型發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，教授，博士生導(dǎo)師。