武玉才，馬倩倩，李永剛

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同步發(fā)電機(jī)穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障的在線監(jiān)測(cè)方法

武玉才，馬倩倩，李永剛

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院)，河北 保定 071003）

同步電機(jī)的穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障會(huì)嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。本文提出了基于穿心螺桿感應(yīng)電壓的同步發(fā)電機(jī)穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障檢測(cè)方法，分析了檢測(cè)方法的基本原理。為驗(yàn)證該方法的有效性，以某核電廠一臺(tái)TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)（2對(duì)極）作為研究對(duì)象，對(duì)發(fā)電機(jī)空載和額定負(fù)載工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：發(fā)生穿心螺桿與定子鐵心沖片短路時(shí)，檢測(cè)方法的采樣電壓升高，可以根據(jù)電壓值定位短路點(diǎn)位置，與理論分析結(jié)果一致，該方法實(shí)現(xiàn)了同步電機(jī)穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障的在線檢測(cè)。

定子鐵心；穿心螺桿；短路；接地；對(duì)地電壓；診斷

0 前言

同步發(fā)電機(jī)的定子鐵心采用硅鋼沖片疊裝而成，為了防止鐵心沖片在運(yùn)行中發(fā)生位移和振動(dòng)切割定子繞組絕緣，需要借助穿心螺桿向鐵心沖片施加軸向壓力，使鐵心沖片緊固。在穿心螺桿與沖片之間設(shè)置了絕緣材料以防止兩者短路引起局部渦流或環(huán)流造成過(guò)熱損壞。然而，近年來(lái)發(fā)生了多起由于穿心螺桿過(guò)熱引發(fā)的短路事故，個(gè)別事故中甚至造成了定子鐵心被融化的惡劣后果，導(dǎo)致整個(gè)定子返廠處理，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失也十分嚴(yán)重[1,2]。這一問(wèn)題已經(jīng)引起了制造廠商及研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的高度重視，開(kāi)發(fā)穿心螺桿絕緣異常故障的在線監(jiān)測(cè)方法是避免鐵心發(fā)生大面積融化的有效措施，對(duì)于降低故障損失具有重要意義[3,4]。

運(yùn)行中的同步發(fā)電機(jī)處于完全封閉的狀態(tài)，目前還無(wú)法在線測(cè)量穿心螺桿的絕緣情況，只能在大修期進(jìn)行穿心螺桿的絕緣電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)，例如文獻(xiàn)[5]介紹某水輪發(fā)電機(jī)大修期間進(jìn)行穿心螺桿的絕緣測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣值不達(dá)標(biāo)有105根，其中82根絕緣值在0.5MΩ以下，有11根絕緣值已經(jīng)為零。穿心螺桿的絕緣出現(xiàn)問(wèn)題，最直接的現(xiàn)象是導(dǎo)致絕緣破損處的定子鐵心出現(xiàn)片間短路故障。目前對(duì)于發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片片間短路故障尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，只能在發(fā)電機(jī)大修階段進(jìn)行離線測(cè)試，主要檢測(cè)方法有兩種，即：鐵損試驗(yàn)法和ELCID。鐵損試驗(yàn)法[6]是一種傳統(tǒng)的定子鐵心短路故障檢測(cè)方法，該方法在發(fā)電機(jī)抽出轉(zhuǎn)子后進(jìn)行，在發(fā)電機(jī)定子鐵心上纏繞大功率絕緣導(dǎo)線，并向?qū)Ь€中注入交流電流，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿整個(gè)定子鐵心閉合，磁場(chǎng)的周期性交變?cè)阼F心中產(chǎn)生發(fā)熱損耗，當(dāng)定子鐵心存在局部片間短路故障時(shí)，該處的渦流損耗更大，發(fā)熱量更高，用紅外測(cè)溫儀觀察發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫度即可找到短路點(diǎn)。該方法只能觀測(cè)到鐵心表面的溫度分布狀況，定子鐵心與穿心螺桿間的短路故障則無(wú)法有效反映出來(lái)，此外，試驗(yàn)設(shè)備電壓、電流大，造價(jià)昂貴，還可能因試驗(yàn)導(dǎo)致故障進(jìn)一步惡化。ELCID法[7]是由英國(guó)中心電力委員會(huì)研發(fā)出來(lái)，目前該技術(shù)權(quán)利由加拿大IRIS 電力公司持有。該方法利用便攜式設(shè)備在發(fā)電機(jī)定子鐵心相鄰尺槽間產(chǎn)生交變的局部磁場(chǎng)，若定子鐵心層間絕緣短路，將產(chǎn)生局部故障電流，該電流將被Chattock繞組線圈檢測(cè)到。2004年度的 CIGRE會(huì)議中已確定ELCID能對(duì)定子鐵心層間故障進(jìn)行可靠和安全的檢測(cè)，此方法已被電力行業(yè)廣泛地采用。 然而，該方法也有明顯的缺點(diǎn)，即只能發(fā)現(xiàn)定子齒槽部位的短路故障，對(duì)于穿心螺桿與鐵心短路故障不能靈敏反映。綜上所述，目前盡管有專(zhuān)門(mén)針對(duì)穿心螺桿絕緣故障或定子鐵心短路故障的檢測(cè)方法，但都屬于離線檢測(cè)方式，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致故障的惡化，此外，大部分離線檢測(cè)方法是無(wú)法發(fā)現(xiàn)穿心螺桿與鐵心短路這樣的深層短路故障的，因此，開(kāi)發(fā)穿心螺桿與鐵心短路故障的高靈敏度在線檢測(cè)方法十分必要。

本文根據(jù)穿心螺桿與定子鐵心短路故障的基本特征，提出將發(fā)電機(jī)內(nèi)部的各穿心螺桿通過(guò)高阻值電阻接地，實(shí)時(shí)測(cè)量電阻兩端的電壓，以檢測(cè)螺桿對(duì)地電流，當(dāng)對(duì)地電流超過(guò)設(shè)定上限時(shí)判定穿心螺桿發(fā)生接地故障，為穿心螺桿與定子鐵心短路故障提供早期預(yù)警。

1 同步發(fā)電機(jī)穿心螺桿與鐵心短路故障簡(jiǎn)介

同步發(fā)電機(jī)的穿心螺桿與鐵心之間設(shè)置了絕緣層，用來(lái)防止鐵心與穿心螺桿之間發(fā)生短路，如圖1所示。為了避免穿心螺桿在鐵心端部通過(guò)壓圈等結(jié)構(gòu)形成短路且接地的籠型結(jié)構(gòu)，穿心螺桿的端部也設(shè)置了絕緣墊，這樣，同步發(fā)電機(jī)的全部穿心螺桿形成了空間圓柱體分布的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 發(fā)電機(jī)定子鐵心及穿心螺桿結(jié)構(gòu)

圖2 發(fā)電機(jī)的穿心螺桿

穿心螺桿的上述結(jié)構(gòu)在一定程度上能減少穿心螺桿與鐵心間發(fā)生短路的幾率，但發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中穿心螺桿的渦流損耗引起的溫升是不可忽略的問(wèn)題，可能導(dǎo)致絕緣層的快速老化和性能下降，造成短路故障，此外，鐵心松動(dòng)造成部分疊片切割絕緣層也是短路的重要誘因。同步發(fā)電機(jī)的定子鐵心短路故障中，穿心螺桿與鐵心間的短路故障占了比較大的比例，以某汽輪發(fā)電機(jī)為例，其定子鐵心的損壞情況如圖3所示。圖3中，1、2、3三處鐵心損壞均是穿心螺桿與鐵心短路引起的，4處的大面積損壞的誘因也是穿心螺桿與鐵心短路，融化的鐵水的流淌導(dǎo)致了故障的擴(kuò)大，僅5處的故障屬于定子鐵心槽部短路故障。

圖3 某汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心損壞情況

2 新檢測(cè)方法的基本原理

同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，穿心螺桿處于“懸浮”狀態(tài)。即使定子鐵心疊片有一片與穿心螺桿發(fā)生短路，由于未形成回路，并不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，僅短路點(diǎn)的渦流略有增加，情況并不嚴(yán)重，但若短路點(diǎn)本身包含多片鐵心，則在該處也將產(chǎn)生較大的渦流，促使故障點(diǎn)擴(kuò)大，如圖4所示。

圖4 穿心螺桿與鐵心一點(diǎn)短路示意圖

一旦多處絕緣被破壞，則在穿心螺桿、定子鐵心、背部定位筋之間形成了閉合回路，穿心螺桿位于主磁場(chǎng)中，運(yùn)行時(shí)有較大的感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓在回路中產(chǎn)生了較大的環(huán)流，可以造成短路點(diǎn)的快速擴(kuò)大，如圖5所示。

圖5 穿心螺桿與鐵心二點(diǎn)短路示意圖

從上述分析可知：無(wú)論穿心螺桿與定子鐵心一處短路還是多處短路，都將對(duì)定子鐵心構(gòu)成威脅，因此，新的檢測(cè)方法應(yīng)能有效檢測(cè)出穿心螺桿與定子鐵心的一點(diǎn)短路，本文提出的穿心螺桿與定子鐵心短路故障在線檢測(cè)方法原理如圖6所示。

圖6中，在每個(gè)穿心螺桿的中間部位經(jīng)過(guò)一個(gè)10000Ω+100Ω的電阻接地。當(dāng)穿心螺桿與定子鐵心無(wú)短路點(diǎn)時(shí)，無(wú)法形成閉合回路，接地電阻支路的電流為零；一旦穿心螺桿與定子鐵心間出現(xiàn)短路點(diǎn)，構(gòu)成了閉合回路，回路內(nèi)有交變電勢(shì)，則形成環(huán)流。由此可見(jiàn)，電阻回路是否有電流可以作為判斷穿心螺桿與定子鐵心有無(wú)短路點(diǎn)的依據(jù)。

圖6 穿心螺桿與鐵心短路故障檢測(cè)方法示意圖

同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，單根穿心螺桿感應(yīng)的電壓最大不會(huì)超過(guò)1000V，即使短路形成了閉合回路，由于回路內(nèi)串入了10100Ω的電阻，回路電流將限制在0.1A以?xún)?nèi)，不會(huì)對(duì)定子鐵心構(gòu)成威脅。100Ω電阻為采樣電阻，其兩端直接連接電壓采集設(shè)備（量程為±10V），實(shí)時(shí)采集其電壓值，如圖7所示。一旦該電壓超過(guò)設(shè)定閾值，即可判定該穿心螺桿與定子鐵心發(fā)生短路故障。

圖7 穿心螺桿短路及測(cè)量原理圖

3 數(shù)值仿真

為了驗(yàn)證新型檢測(cè)方法的有效性，選擇某核電廠一臺(tái)TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)（2對(duì)極）作為研究對(duì)象，完成空載和額定負(fù)載工況下的仿真驗(yàn)證，該機(jī)組的參數(shù)見(jiàn)表1。

建立的TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)二維電磁場(chǎng)仿真模型如圖8所示。

表1 TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

圖8 TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)二維仿真模型

為了檢驗(yàn)新型診斷方法在各種工況下的有效性，仿真分為兩種工況進(jìn)行，即發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行和帶額定負(fù)載運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，切割穿心螺桿的磁場(chǎng)是該處磁通密度的徑向分量，因此，仿真獲取發(fā)電機(jī)某穿心螺桿位置的徑向磁場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿處徑向磁密

圖10 單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿感應(yīng)電壓

穿心螺桿的感應(yīng)電壓為分布式電壓，假定發(fā)電機(jī)穿心螺桿距離一端的1/4處在0.2s時(shí)刻與定子鐵心間發(fā)生金屬性短路故障，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的電壓波形如圖11所示（0.2s時(shí)刻對(duì)應(yīng)圖中的第1′104點(diǎn)）。

從圖11可以看到：當(dāng)穿心螺桿與定子鐵心間未發(fā)生短路時(shí)，采樣電阻兩端電壓為零；一旦穿心螺桿與定子鐵心間發(fā)生短路，采樣電阻兩端電壓立即上升，有顯著的交流分量出現(xiàn)，因此，可以將該電壓作為穿心螺桿與定子鐵心短路故障的判據(jù)。

圖11 采集電壓波形

該交流電壓的幅值與發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況、短路點(diǎn)位置等因素有關(guān)，特別是短路點(diǎn)位置，短路點(diǎn)越靠近穿心螺桿的中部，采集到的電壓值越低，為了保證診斷的靈敏度，應(yīng)對(duì)故障閾值進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，以發(fā)現(xiàn)靠近穿心螺桿中部的短路故障，針對(duì)本例，故障閾值可以設(shè)定為0.1V。

4 結(jié)論

本文根據(jù)同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及穿心螺桿與鐵心短路的基本特征，提出了一種新型穿心螺桿與鐵心短路故障的在線監(jiān)測(cè)方法，得出以下結(jié)論：

（1）同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，穿心螺桿切割發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)感應(yīng)交流電壓，其波形與螺桿處的徑向磁密波形一致；

（2）通過(guò)測(cè)量穿心螺桿的對(duì)地電流可以反映穿心螺桿與定子鐵心是否發(fā)生短路故障，采集電壓的幅值能夠反映出短路點(diǎn)的位置；

（3）通過(guò)在同步發(fā)電機(jī)穿心螺桿上引出接地線，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿心螺桿與鐵心短路故障的在線監(jiān)測(cè)，接地線可以在發(fā)電機(jī)制造或大修階段安裝，全部穿心螺桿的監(jiān)測(cè)可以通過(guò)集總在端部的附加環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行接線，實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不復(fù)雜。

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A On-line Monitoring Method for The Short-circuit Fault between Piercing Screw and Stator Core Lamination in Synchronous Generator

WU Yucai, MA Qianqian, LI Yonggang

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(Dept. of Electrical Engineering, North China Electric Power University), Baoding 071003, China)

The short-circuit fault between piercing screw and stator core lamination in synchronous generator can seriously threaten the safe operation of generator set. This paper presented a method for detecting short circuit fault between piercing screw and stator core lamination of synchronous generator based on the induced voltage of piercing screw, and the basic principle of the detection method was analyzed. To verify the effectiveness of the method, a TA1100-78 type turbine generator (2 pairs of poles) in a nuclear power plant was chose as the research object, the no-load and rated load working condition of the generator is simulated, the results show that the sampling voltage of the detection method will rise when the short-circuit between the piercing screw and stator core lamination occurs, and the position of the short-circuit point can be located according to the voltage value, which is consistent with the theoretical analysis. The method realizes the on-line detection of the short-circuit fault between the piercing screw and stator core lamination of synchronous generator.

stator core; piercing screw; short circuit; grounding; voltage to earth; diagnosis

TM311

A

1000-3983(2018)05-0020-05

2018-06-20

武玉才（1982-），于2010年獲得華北電力大學(xué)電機(jī)與電器專(zhuān)業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，目前從事汽輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究，作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金課題“多目標(biāo)框架下的發(fā)電機(jī)故障在線檢測(cè)技術(shù)研究”一項(xiàng)，副教授。

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2016502031）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助