發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測

蔣云飛， 楊宣訪， 張 超

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

0 引言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是發(fā)電機(jī)的一種常見電氣故障。輕微的匝間短路故障機(jī)組仍可繼續(xù)運(yùn)行，一旦故障惡化，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)接地等惡性故障的發(fā)生，使得被迫停機(jī)檢修，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。如果在匝間短路故障發(fā)生初期能夠及時做出預(yù)報，不僅可以避免惡性事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，還有利于機(jī)組安排檢修，提高故障處理效率。因此，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的早期檢測預(yù)報十分必要［1-2］。

國內(nèi)外已有很多針對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障檢測方法，總體可分為離線檢測和在線檢測兩類，在線檢測方法的研究越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。目前，已投入運(yùn)行的在線檢測方法主要有探測線圈法和勵磁電流法［3］。

1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的危害和分類

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輕微的匝間短路并不影響機(jī)組的正常運(yùn)行，所以經(jīng)常會被忽略，但如果故障繼續(xù)發(fā)展，將會使轉(zhuǎn)子電流顯著增加，繞組溫度升高，無功功率下降，電壓波形畸變，轉(zhuǎn)子磁極間的電磁負(fù)荷不平衡、熱不平衡，從而使機(jī)組振動加劇并出現(xiàn)其他機(jī)械故障，甚至導(dǎo)致接地故障發(fā)生，使大軸、轉(zhuǎn)子磁化，嚴(yán)重者還將出現(xiàn)燒傷軸頸和軸瓦，燒毀護(hù)環(huán)、轉(zhuǎn)子等惡性事故，對機(jī)組本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成很大威脅。現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障多發(fā)生在繞組端部，尤其是在有過橋連線的一端居多［2］。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路按短路是否隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動狀態(tài)和運(yùn)行工況發(fā)生變化，可以分為穩(wěn)定性匝間短路和不穩(wěn)定性匝間短路(動態(tài)匝間短路)，其中動態(tài)匝間短路故障出現(xiàn)的頻率較高，造成的損失也很大，一旦出現(xiàn)誤判、漏判，后果非常嚴(yán)重。按故障發(fā)展的過程來分，可分為三個階段:萌芽期、發(fā)展期和故障期。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測的目就是盡可能的在故障的萌芽期和發(fā)展期準(zhǔn)確地診斷出穩(wěn)定性匝間短路和動態(tài)性匝間短路，確定故障發(fā)生的部位和嚴(yán)重程度，以便及時檢修［1-2］。

2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測方法

檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的傳統(tǒng)方法如開口變壓器法、交流阻抗和功率損耗法、直流電阻法、發(fā)電機(jī)空載及短路特性試驗(yàn)法、電壓降法等，雖然應(yīng)用多年，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，但這些方法大多是發(fā)電機(jī)不帶負(fù)荷運(yùn)行時的離線檢測或者是受其他因素的干擾比較大，靈敏度低，不能捕捉發(fā)電機(jī)帶載運(yùn)行時轉(zhuǎn)子繞組動態(tài)匝間短路，無法應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)的在線檢測。動態(tài)匝間短路故障的檢測成為當(dāng)前研究的主要方向，下面將詳細(xì)介紹現(xiàn)行主要方法。

2.1 探測線圈法

探測線圈法于1971年提出，目前廣泛應(yīng)用于隱極同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障檢測［3］。其基本原理是用探測線圈對發(fā)電機(jī)氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行微分，根據(jù)微分后的波形分析，診斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在匝間短路，并顯示故障槽位。發(fā)電機(jī)氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場B(t)由空載磁場B0(t)和定子電樞反應(yīng)磁場Ba(t)合成，可直接相加［4］。

則發(fā)電機(jī)運(yùn)行時探測線圈感應(yīng)電勢為

式中:Φ(t)是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場穿過探測線圈有效面積S的磁通量。把氣隙磁場B(t)解析式代入式(2)，進(jìn)一步分解并引入計算機(jī)或示波器，實(shí)現(xiàn)對信號的觀察、分析。該方法不僅能判斷轉(zhuǎn)子匝間有無短路，還能確定故障點(diǎn)所在的槽，在故障處理階段可節(jié)省大量時間，這種方法在發(fā)電機(jī)空載和三相短路時效果好，而在發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時受電樞反應(yīng)等因素的影響，探測線圈上感應(yīng)電勢的波形不規(guī)則，形狀較復(fù)雜，靈敏度下降，效果不好，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確診斷，并且對輕微的匝間短路故障反應(yīng)不靈敏［3-5］。該方法應(yīng)用的最大問題是，要在發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子氣隙之間安裝一個探測線圈，但目前國內(nèi)絕大多數(shù)電廠現(xiàn)有及新設(shè)計的電機(jī)中，極少裝有這種測量線圈，并且安裝這種線圈需要的停機(jī)時間也很長［2］。目前對探測線圈法的研究主要是把小波變換等信號處理技術(shù)應(yīng)用于故障信號處理，提高其靈敏度。

2.2 定子環(huán)流判別法

該方法是俄羅斯的B.T.卡茨曼于1992年提出。它直接用定子線圈作探測線圈，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路時會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組并聯(lián)支路之間出現(xiàn)電勢差和環(huán)流這一原理實(shí)現(xiàn)故障檢測，并且其大小和分布與短路程度有一定關(guān)系［6-7］，該方法的缺點(diǎn)是不易定位，還要在定子方面增加儒可夫斯基線圈、電流傳感器等設(shè)備，安裝復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用高，受繞組結(jié)構(gòu)限制［2-3，5］。與小波分析方法結(jié)合可提高該方法的準(zhǔn)確性［8］，分析短路匝數(shù)與定子并聯(lián)支路環(huán)流的確切關(guān)系有利于該方法對故障程度的判斷和預(yù)測［9］，分析故障時定子繞組環(huán)流的諧波特性有助于該方法靈敏度的提高和故障的準(zhǔn)確定位［10-12］，但要克服測試不便的缺點(diǎn)。

2.3 勵磁電流和無功功率判別法

該方法基本原理如下:機(jī)組正常運(yùn)行時，氣隙磁勢在載流導(dǎo)體處發(fā)生跳躍，當(dāng)略去開槽造成磁動勢的少許不連續(xù)性，轉(zhuǎn)子磁勢分布可近似認(rèn)為是梯形，如圖1(b)所示。但是當(dāng)匝間發(fā)生短路故障時，有短路匝磁極的磁動勢就會產(chǎn)生局部損失，磁極的磁動勢峰值和平均值均會減小。因此，匝間短路可認(rèn)為是退磁的磁動勢分布作用，即短路部分的等效磁動勢反向作用在有短路的磁極主磁場的正常磁動勢上。用 表示轉(zhuǎn)子繞組磁動勢，表示短路線匝產(chǎn)生的磁動勢，則匝間短路合成磁動勢，如圖1(d)［13-15］所示。

有效磁場的減弱，會使對應(yīng)的空載電勢較正常時有明顯下降，在發(fā)電機(jī)端電壓保持恒定的情況下，無功會相應(yīng)下降。因此，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路雖引起轉(zhuǎn)子電流增大，無功卻相對減少，這一故障征兆可作為識別轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障的一個明顯特征［16］。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是只需測量發(fā)電機(jī)的有關(guān)電氣量就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的判斷，并能對故障的發(fā)展趨勢、嚴(yán)重程度作出評估，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，不足之處是不能對故障點(diǎn)定位。文獻(xiàn)［13-15］分析了故障發(fā)生后勵磁電流增加而無功輸出卻相對減小的故障特征，并考慮發(fā)電機(jī)磁場飽和，建立故障診斷數(shù)學(xué)模型，根據(jù)確定故障特征找到一種利用故障前后勵磁電流變化率作為識別故障的方法，建立了在線識別的判據(jù):

圖1 轉(zhuǎn)子繞組磁動勢的空間分布

式中:ifc——發(fā)電機(jī)一定運(yùn)行狀態(tài)下的勵磁電流計算值;

if0——勵磁電流實(shí)測值;

a——把計算誤差和測量誤差都考慮在內(nèi)的偏差整定閾值。

發(fā)電機(jī)參數(shù)受運(yùn)行方式和條件等影響，勵磁電流的準(zhǔn)確計算較困難。如有足夠故障樣本，與人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法的結(jié)合是解決這一問題的有效方法［17］。

2.4 重復(fù)脈沖檢測法(行波法)

該方法是由英國的 J.W.Wood等學(xué)者于1986年提出的回復(fù)波檢測法發(fā)展而來的，應(yīng)用的是波過程理論(行波技術(shù))，用雙脈沖信號發(fā)生器對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩端施加一個高頻前沿陡峭脈沖，用雙通道示波器錄得兩組響應(yīng)特性曲線，通過對波形響應(yīng)時間的測定，檢測繞組兩端的電壓，可判斷轉(zhuǎn)子繞組是否存在故障，并通過分析反射波的延時和電壓幅值來判斷故障部位和故障電阻的大小，或?qū)z測結(jié)果直接與出廠時廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較即可判斷［2］。該方法靈敏度較高，易于發(fā)現(xiàn)比較小的匝間短路，但波形易受轉(zhuǎn)子阻抗變化的影響，且多處短路時波形變化復(fù)雜，對短路位置和故障程度的判斷不如探測線圈法直觀、準(zhǔn)確［4-5］，所以該方法一般應(yīng)用于停機(jī)時靜態(tài)匝間短路的檢測，和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合為行波法的在線應(yīng)用提供了可能性［2］。

2.5 基于振動測量的檢測方法

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時會造成熱不平衡和磁不平衡，從而引發(fā)發(fā)電機(jī)機(jī)械振動，所以發(fā)電機(jī)振動特征和發(fā)電機(jī)參數(shù)一樣，可以作為診斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障的依據(jù)，以定轉(zhuǎn)子振動特性為判據(jù)的診斷系統(tǒng)早有研究［18］，有以轉(zhuǎn)子基頻振動增加、定子二倍頻減小［3，19］為判據(jù)，也有以測量振幅和相角變化［20］為依據(jù)。分析轉(zhuǎn)子匝間短路故障對定轉(zhuǎn)子徑向振動特性的影響，有利于該方法靈敏度的提高，同時還應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對振動特性的影響。但由于引發(fā)發(fā)電機(jī)振動變化的因素很多，僅利用振動特征診斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的準(zhǔn)確性不高，所以應(yīng)綜合考慮短路后的電氣特征和振動特征，這也是當(dāng)前研究的方向，如基于轉(zhuǎn)子振動和定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流特征的故障識別方法［21］，以勵磁電流和轉(zhuǎn)子振動工頻分量的峰－峰值的增大作為轉(zhuǎn)子匝間短路故障的征兆［22］等方面的研究。

2.6 其他檢測方法

(1)分布電壓法:通過測量轉(zhuǎn)子繞組兩極電壓和每個線圈電壓即分布電壓，可發(fā)現(xiàn)早期匝間短路故障。該方法無法在線檢測，且當(dāng)匝間短路點(diǎn)比較多時，或短路點(diǎn)比較接近時，分布電壓的特點(diǎn)不是很明顯［23］。

(2)軸電壓特性分析法:軸電壓是電機(jī)運(yùn)行過程中在轉(zhuǎn)軸兩端或軸的局部區(qū)域產(chǎn)生的電勢差。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起氣隙磁場變化，故障發(fā)生后軸電壓信號中出現(xiàn)與定子齒槽效應(yīng)對應(yīng)的特征諧波可以作為匝間短路故障的判據(jù)［24-25］。

(3)基于諧波特征的方法:利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽磁諧波變化［16］、定子或勵磁電流的諧波特征檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障，并依據(jù)其幅值變化的大小來判斷故障嚴(yán)重程度和故障部位。分析定、轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)的諧波成分是得到不受電機(jī)結(jié)構(gòu)影響的匝間短路判據(jù)的有效方法，基于此，文獻(xiàn)［26］提出了一種基于勵磁機(jī)勵磁電流的轉(zhuǎn)子繞組短路故障的檢測新方法。該方法是一種很有應(yīng)用前景的方法。

表1比較了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路主要檢測方法的效果與應(yīng)用特點(diǎn)。

表1 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測方法評估

3 故障檢測中現(xiàn)代信號處理方法的應(yīng)用

以上所述檢測方法中應(yīng)用了不同的信號分析技術(shù)，隨著新的信號處理方法在設(shè)備故障檢測中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的信號分析技術(shù)有了新的突破性進(jìn)展，極大地促進(jìn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)的發(fā)展。

小波分析法是一種窗口大小(即窗口面積)固定但其形狀可改變、時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法，它在時域和頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)，使它尤其適用于畸(突)變信號的處理，有很強(qiáng)的特征提取功能。小波分析在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測中的應(yīng)用主要采用了小波分析的奇異信號檢測和信噪分離的特性，將小波分析法用于檢測故障信號的處理，根據(jù)故障信號的特點(diǎn)，通過小波變換，提取其模量極大值特征，實(shí)現(xiàn)對故障信號的判斷和對故障的定位，有效實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線監(jiān)測，如將小波變換應(yīng)用到定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流特性的分析，目前研究熱點(diǎn)是以探測線圈法為基礎(chǔ)，對探測線圈上的感應(yīng)電勢信號進(jìn)行分析和消噪，實(shí)現(xiàn)故障診斷和定位［27］。只是小波變換的形式和小波函數(shù)的選取不同:有對電勢波形的一階微分信號進(jìn)行處理的，也有對故障信號進(jìn)行三層分解的。文獻(xiàn)［28］利用小波包分解的方法對感應(yīng)電勢信號進(jìn)行處理，提高了基于探測線圈法的檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)檢測對象的具體情況，選用合適的小波變換形式和小波函數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、有效的信號分析。

以小波分析為基礎(chǔ)，與現(xiàn)代智能方法結(jié)合，是解決發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測的有效方法。大型同步發(fā)電機(jī)是一個非常復(fù)雜的電磁系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，而人工智能系統(tǒng)不需要發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，可以模擬人類的學(xué)習(xí)能力，充分利用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)知識，自適應(yīng)能力強(qiáng)。近年來，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、人工免疫算法、故障樹分析法、模糊故障診斷、粗糙集故障診斷、支持向量機(jī)故障診斷等方法有了很大發(fā)展［29-30］。實(shí)現(xiàn)故障檢測的智能化也是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測的最終目的。

4 存在的問題及展望

經(jīng)過多年發(fā)展，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測技術(shù)有了很大發(fā)展，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的檢測是一個相當(dāng)復(fù)雜的課題，實(shí)現(xiàn)各種工況下的在線檢測也非常困難，尤其負(fù)載運(yùn)行時，情況更為復(fù)雜，電樞反應(yīng)、負(fù)荷波動、磁場飽和等因素，都會影響檢測的靈敏度。現(xiàn)行的在線檢測方法易受發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的影響，檢測靈敏度不高，容易出現(xiàn)誤診和漏診現(xiàn)象，即使檢測出故障也無法一次性實(shí)現(xiàn)對故障槽的準(zhǔn)確定位，更不能現(xiàn)場解決故障點(diǎn)的軸向定位問題。所以仍有很多問題需要解決，就目前研究狀況看，需要進(jìn)一步研究的工作如下:

(1)故障機(jī)理的深入研究。故障機(jī)理的研究是故障檢測的基礎(chǔ)，只有對故障原因和導(dǎo)致結(jié)果的清晰、深刻認(rèn)識，提出適用于大多數(shù)發(fā)電機(jī)的明確的故障特征，才能解決故障檢測的靈敏性和準(zhǔn)確度問題。由本文前面的分析可知，目前對故障機(jī)理的研究主要針對某一結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)電機(jī)，并且做了大量簡化處理，導(dǎo)致得到的故障特征不準(zhǔn)確，對故障機(jī)理的深入研究是解決發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測的首要難題。

(2)故障特征信號的檢測和消噪。現(xiàn)場檢測到的信號不但包含所需的故障信號還包含很多噪聲成分，必須進(jìn)行消噪，傳統(tǒng)的在硬件電路上采用各種濾波方法消噪的方法已不能滿足工程需要，需利用最新傳感器技術(shù)，同時采用基于小波變換的消噪方法，小波變換有良好的時頻局部化特性，非常適合微弱、突變信號的處理。

(3)解決故障檢測準(zhǔn)確度問題。信息融合技術(shù)是解決故障檢測精確度和復(fù)合故障這兩個難題的有效方法，信息融合有兩個層次:將不同的檢測方法融合在一起，即多源傳感器的融合，以此提取故障特征信息;或是將不同的檢測方法檢測到的特征信息進(jìn)行多源信息融合。信息融合技術(shù)能對轉(zhuǎn)子繞組故障進(jìn)行整體的、全方位的了解，充分利用各種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

(4)解決人工智能方法的不足。盡管人工智能存在很多優(yōu)點(diǎn)，但它也有獲取知識難，需要大量訓(xùn)練樣本，對故障無法解釋等缺點(diǎn)，如何在發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)的同時彌補(bǔ)缺點(diǎn)是一個值得探討的課題。

(5)解決實(shí)際應(yīng)用問題。目前的很多檢測方法還停留在理論研究和模擬試驗(yàn)階段，在工程實(shí)踐中應(yīng)用的較少，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的檢測是實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，現(xiàn)在的理論研究和實(shí)際應(yīng)用還存在脫節(jié)現(xiàn)象，只有在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，才能有效解決問題，盡快建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，才能促進(jìn)檢測技術(shù)的發(fā)展。因此，如何將現(xiàn)有的檢測方法應(yīng)用到實(shí)際中去還有待深入研究。

綜上所述，為了滿足工程需要，還要做大量研究工作，基于多傳感器信息融合的集成智能診斷方法將會成為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障診斷發(fā)展的新趨勢，它能充分利用新技術(shù)，融合各種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行狀態(tài)下的準(zhǔn)確、及時檢測。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基礎(chǔ)是進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的分析，以單個線圈為分析單元的交流電機(jī)多回路理論可以對發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)、外部的所有回路電流進(jìn)行分析、計算，并可以計及氣隙磁場空間諧波、定轉(zhuǎn)子繞組布局、連接方式與故障空間位置等因素的影響，準(zhǔn)確計算發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時的各電氣量［31］，是分析電機(jī)內(nèi)部故障的理想工具。因此，基于多回路理論的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障分析也是值得深入研究的課題。

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