不同勵磁模式下的汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障特征分析

武玉才,　袁浚峰

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定　071003)

?

不同勵磁模式下的汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障特征分析

武玉才,袁浚峰

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

轉子繞組匝間短路是汽輪發電機常見故障之一，早期的準確檢測對電力系統的安全穩定運行具有重要意義。利用Ansoft與Simplorer軟件建立同步發電機轉子繞組匝間短路故障的聯合仿真模型，分別在恒勵磁電流和恒勵磁電壓兩種勵磁模式下，得到轉子繞組匝間短路時發電機各特征量的變化規律。通過比較，分析不同勵磁模式下轉子繞組匝間短路時不同的故障特征，為自動電壓控制(AVC)勵磁調節模式下發電機轉子繞組匝間短路故障的分析和診斷奠定基礎。

轉子繞組匝間短路； 聯合仿真； 勵磁模式； 有限元

0　引　言

大型汽輪發電機轉子處于高速旋轉、強電磁場的惡劣環境下，容易出現轉子故障，特別是轉子繞組匝間短路故障，廣東省僅2010年就出現了近十起轉子繞組匝間短路故障[1]。輕微的轉子繞組匝間短路通常不會對發電機造成嚴重影響，但是如果任由其發展，勵磁電流將顯著提高，發電機輸出無功功率下降，機組振幅增大，短路故障還可能進一步演化為轉子一點、兩點接地故障，觸發保護動作，給機組運行帶來嚴重影響[2-3]。及早檢測到故障并予以處理，可保證機組的正常運行，使經濟損失降到最低。因此，同步發電機轉子繞組匝間短路故障的特征分析和診斷具有非常重要的意義。

汽輪發電機作為機電耦合設備，轉子繞組匝間短路故障在機組的機械、電氣和磁場上有所體現。文獻[4]采用解析法分析了汽輪發電機的勵磁磁動勢損失情況，認為轉子繞組匝間短路引起了發電機勵磁磁勢不對稱，出現了偶數次諧波磁勢，諧波磁勢與故障程度之間存在對應關系。文獻[5]通過有限元仿真得到了轉子繞組匝間短路故障后的發電機空載磁場，建立了不對稱磁場與短路程度等因素的關系。根據麥克斯韋應力表達式，轉子繞組匝間短路引發的發電機磁場不對稱將進一步產生電磁應力。文獻[6]分析了轉子繞組匝間短路故障時發電機的徑向電磁力，得到徑向不平衡磁拉力與短路位置及短路程度的關系。文獻[7]采用氣隙磁導法建立了發電機磁場計算模型，分析了轉子繞組匝間短路故障下的不平衡磁拉力和轉子振動特征。轉子繞組匝間短路引起的磁場不對稱問題在電氣量上也有所反映，文獻[8]從轉子繞組匝間短路故障引起勵磁磁勢損失角度出發，得到了轉子繞組匝間短路引起發電機勵磁電流增大、無功相對下降的結論。文獻[9]分析了發電機定、轉子磁場之間的相互耦合作用，提出轉子繞組匝間短路故障在勵磁繞組中產生特定頻率的電流諧波。文獻[10]研究了定子繞組并聯支路環流與轉子繞組匝間短路之間的關系。文獻[11]利用多回路理論建立了同步發電機數學模型，在恒定勵磁電壓模式下計算了故障前后發電機勵磁電流和定子電流等電氣量，分析了勵磁電流和定子環流的諧波特征。文獻[12-13]分別研究了轉子繞組匝間短路故障對發電機切向電磁應力的影響，認為該故障將導致電磁轉矩中疊加特定頻率的諧波分量。文獻[14]分析了轉子繞組匝間短路故障引起的發電機轉矩損失，在恒勵磁電流和恒勵磁磁勢兩種調節模式下分析了發電機無功功率的變化規律，發電機故障時的實際無功位于上述調節模式確定的區間范圍內。

本文研究了汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障的暫態過程，在恒勵磁電流和恒勵磁電壓兩種模式下，借助Ansoft和Simplorer軟件建立了發電機轉子繞組匝間短路故障仿真模型，分析了轉子繞組匝間短路時發電機磁場和相關電氣量的變化規律，為分析自動電壓控制(Automatic Voltage Control, AVC)勵磁模式下發生轉子繞組匝間短路時的發電機過渡過程奠定了研究基礎。

1　發電機轉子繞組匝間短路有限元模型

發電機內的電磁場可以用微分形式的麥克斯韋方程組求解，其形式如下：

(1)

(2)

H——磁場強度矢量；

Jc——從外部施加激勵源電流密度矢量；

D——電位移矢量；

E——電場強度矢量；

B——磁感應強度矢量；

ρ——體電荷密度;

ε——介電常數；

σ——電導率；

μ——磁導率。

(3)

對于瞬態電磁場，則矢量磁位A滿足如下方程：

(4)

式中：ν——運動物體的速度；

JS——源電流密度；

HC——永磁體矯頑力。

在進行瞬態分析時，將模型的靜止部分固定在一個參考框架(全局坐標系)內，則模型的靜止部分速度為零；將模型的運動部分固定在自身坐標系(相對坐標系)內，則可以設置模型運動部分的速度。通過坐標系和邊界的設置就可完成模型的靜止和運動兩部分的分離，使偏時間導數變成全時間導數。運動方程為

(5)

基于上述基本原理，對發電機轉子繞組匝間短路故障的瞬態特性進行分析。本文使用Ansoft Maxwell軟件建立了QFSN300-2型汽輪發電機(參數見表1)的有限元模型，如圖1所示。圖1中，轉子槽從上到下依次編號1～16號。計算過程中不考慮發電機的端部效應、渦流和鐵磁材料的各向異性等因素的影響。

圖1　QFSN300-2型汽輪發電機有限元模型

參數名稱參數值額定線電壓/kV20額定線電流/kA10.189額定功率/mW300額定功率因數0.85額定勵磁電流/A2642定子槽數54轉子槽數32定子內徑/mm1250定子外徑/mm2540轉子外徑/mm1100氣隙長度/mm75鐵心長度/mm5150極對數1

發電機的激勵是由外部電路提供的，故有限元模型激勵要設置為“External”，與Simplorer軟件進行聯合仿真。將圖1的二維有限元模型導入到Simplorer中，根據定、轉子的繞組連接方式編輯外電路模型，為轉子繞組提供直流激勵，如圖2所示。

圖2　QFSN300-2型汽輪發電機聯合仿真模型

圖2中，在某一時刻短接一定匝數的轉子繞組即可模擬不同程度轉子繞組匝間短路故障。以恒定電流源和恒定電壓源為勵磁激勵，分析不同勵磁模式下轉子繞組匝間短路故障的暫態特征。

2　仿真結果與分析

2.1短路對氣隙磁場的影響

以發電機單機帶額定負載運行工況為例，在恒勵磁電流和恒勵磁電壓模式下，設置轉子4號槽發生5匝短路，對比故障前后的發電機氣隙磁密分布，如圖3、圖4所示。

圖3　恒勵磁電流模式下氣隙磁密圖

圖4　恒勵磁電壓模式下氣隙磁密圖

轉子繞組匝間短路故障后，勵磁繞組有效匝數減少。在恒勵磁電流模式下，有效安匝數與轉子繞組有效匝數正相關，磁場有明顯的損失，從圖3可知故障極氣隙磁密較正常值有明顯下降。在恒勵磁電壓模式下，短路后勵磁繞組直流電阻下降，勵磁電流有所增加，在一定程度上彌補了匝間短路所造成的磁場損失，因此，圖4中兩條曲線十分接近。將正常和故障狀態的氣隙磁密相減，得到氣隙磁密的差值曲線，如圖5所示。由圖5可見，在恒勵磁電流模式下轉子N、S極的磁場相對于正常情況具有顯著差異，而恒勵磁電壓模式下的差異則相對較小。

圖5　不同勵磁模式氣隙磁密差值圖

圖6和圖7是發電機額定負載和轉子短路5匝時氣隙磁密的諧波含量。

圖6　額定負載時氣隙磁密諧波含量

由圖6、圖7可知，發生轉子繞組匝間短路故障時，氣隙磁密中出現偶次諧波，其中，2、4次諧波最明顯。由圖7還可以看到，相同短路程度下，恒勵磁電壓模式下的2、4次諧波幅值更大，氣隙磁密畸變率更大，說明轉子N、S極磁場的不對稱程度加重。

2.2短路對定子側電氣量的影響

表2是發電機不同勵磁模式下，轉子N極4號槽轉子繞組匝間短路時定子側各電氣量的變化情況。

圖7　不同勵磁模式下短路5匝時氣隙磁密諧波含量

勵磁模式運行工況勵磁電流/A定子端電壓/kV定子電流/kA定子環流畸變率/%恒定勵磁電流額定負載短路5匝264219.969.64420.0819.749.53043.24恒定勵磁電壓額定負載264519.989.80330.08短路5匝2731.619.9529.78424.15

由表2可知，轉子4號槽發生5匝短路時，在恒勵磁電流模式下，勵磁磁動勢下降導致了氣隙磁動勢減小，定子側端電壓和線電流也相應減小，分別減小了1.1%、1.18%。在恒勵磁電壓模式下，定子端電壓和定子電流僅減小了0.14%和0.19%，遠小于恒勵磁電流模式下的減小量，這主要是勵磁電流增大彌補了部分勵磁磁勢損失。

從表2還可知，相同程度的轉子繞組匝間短路，恒勵磁電壓模式下的定子支路環流畸變率更大。轉子有效繞組流過的勵磁電流增加，導致發電機氣隙磁密畸變程度更加嚴重，定子支路繞組感應電動勢不對稱程度加深。

發電機額定負載和轉子繞組短路5匝時定子繞組并聯支路環流中的諧波含量分別如圖8、圖9所示。

圖8　額定負載時定子環流諧波含量

圖9　不同勵磁模式下短路5匝時定子環流諧波含量

由圖8、圖9可知,發生轉子繞組匝間短路故障時，定子并聯支路環流的偶次諧波幅值大幅增加，其中，2、4次諧波幅值最明顯。在相同的短路程度下，恒勵磁電壓模式下的偶次諧波幅值更大，其原因是恒勵磁電壓模式下的勵磁磁勢更大，轉子N、S極磁場的不對稱程度更為嚴重，故2、4等偶次諧波環流有明顯增大。偶次諧波幅值在一定程度上反映了匝間短路時氣隙磁密的不對稱程度。

2.3短路對電磁轉矩的影響

兩種勵磁模式下，轉子4號槽發生5匝短路時電磁轉矩的暫態變化過程分別如圖10、圖11所示。

對電磁轉矩進行諧波分析，結果如表3所示。

圖10　恒勵磁電流下，電磁轉矩變化曲線

圖11　恒勵磁電壓下，電磁轉矩變化曲線

勵磁模式運行工況電磁轉矩均值部分/(kN·m)電磁轉矩諧波幅值所占百分比/%恒定勵磁電流額定負載短路5匝943.7903.10.390.46恒定勵磁電壓額定負載短路5匝943.7941.50.390.48

由表3可以看到，在恒勵磁電流模式下，發生轉子繞組匝間短路瞬間，電磁轉矩下降更為明顯，且電磁轉矩的諧波含量有一定程度上升。經傅里葉分析發現，電磁轉矩中的主要諧波成分是6、8次諧波，如圖12、圖13所示。

圖12　額定負載時電磁轉矩諧波含量

由圖12、圖13可知： 發生轉子繞組匝間短路故障時，電磁轉矩中的6、8次諧波幅值增大最明顯。還可以看到： 在相同的短路程度下，恒勵磁電壓模式下的6、8次諧波幅值更大。

圖13　不同勵磁模式下短路5匝時電磁轉矩諧波含量

3　結　語

本文以QFSN300-2型汽輪發電機作為研究對象，通過多軟件聯合仿真，得到發電機在恒勵磁電流和恒勵磁電壓兩種調節模式下發生轉子繞組匝間短路時基本電磁量的變化規律，得出以下結論：

(1) 恒勵磁電壓模式下，勵磁電流的增大一定程度上彌補了匝間短路槽所造成的磁場能量損失，導致氣隙磁密變化減小，使定子側電壓、電流和電磁轉矩的均值部分受轉子繞組匝間短路的影響不大。

(2) 恒勵磁電壓模式下，發電機磁場畸變程度加深，定子支路環流的畸變率增加，偶次諧波幅值增大，電磁轉矩的6、8次諧波幅值增加。

(3) 發電機的常規勵磁模式是采用AVC模式，機組經過連接線并入大電網。本文以恒勵磁電流和恒勵磁電壓兩種典型勵磁方式為例，分析了轉子繞組匝間短路故障的基本特征，為基于AVC且并入電網的發電機運行方式下的轉子繞組匝間短路故障分析奠定了研究基礎。

[1]WU Y C, LI Y G. Diagnosis of rotor winding interturn short-circuit in turbine generators using virtual power[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2014,30(1)： 1-6.

[2]李永剛,李和明,萬書亭.發電機轉子繞組匝間短路故障特性分析與識別[M].北京： 中國電力出版社,2009.

[3]張征平.大型發電機轉子故障分析與診斷[M].北京： 中國電力出版社, 2011.

[4]侯紀勇,李和明,李俊卿,等.隱極同步發電機勵磁繞組匝間短路勵磁磁動勢研究[J].中國電機工程學報,2010，30(S1)： 220-225.

[5]樊靜.汽輪發電機轉子繞組匝間短路時的電磁場分析[D].保定： 華北電力大學,2009.

[6]李和明,張文靜,李永剛,等.汽輪發電機勵磁繞組短路及伴隨故障不平衡電磁力分析[J].華北電力大學學報(自然科學版),2013,40(6)： 13-20.

[7]武玉才,李永剛,李和明,等.機電復合故障下汽輪發電機轉子振動特性分析[J].高電壓技術,2010,36(11)： 2687-2692.

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

[9]萬書亭,李和明,李永剛,等.同步發電機轉子匝間短路故障時勵磁電流諧波特性分析[J].電力系統自動化,2003,27(22)： 64-67.

[10]李永剛,李和明,趙華,等.基于定子線圈探測的轉子匝間短路故障識別方法[J].中國電機工程學報,2004,24(2)： 107-112.

[11]孫宇光,王祥珩,桂林,等.同步發電機勵磁繞組匝間短路的仿真研究[J].電工電能新技術,2008,27(2)： 5-10.

[12]萬書亭,張玉,胡媛媛.轉子繞組匝間短路對發電機轉子電磁轉矩影響分析[J].電機與控制學報,2012,16(8)： 17-22.

[13]郝亮亮,孫宇光,邱阿瑞,等.同步發電機勵磁繞組匝間短路時的電磁轉矩[J].電力系統自動化,2011,35(16)： 59-65.

[14]WU Y C, LI Y G, LI H M. An analysis of the impact of rotor winding interturn short circuits on turbine generator operating variables[J].Electric Power Components & Systems,2015,43(6)： 674-684.

Characteristic Analysis of Rotor Winding Inter-Turn Short Circuit Fault for Turbo Generator Rotor Winding under Different Excitation Modes

WUYucai,YUANJunfeng

(College of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Rotor inter-turn short circuit was one of the common faults of turbo generator. The early and accurate detection of the inter- turn short circuit was very important for the safe and reliable operation of the power generation system. Using Ansoft and Simplorer software, simulation model of rotor winding inter-turn short circuit in synchronous generator was established. The variation law of each characteristic of the generator was obtained when the rotor winding inter-turn short circuit,under the condition of constant excitation current and constant excitation voltage. By comparison, the different fault characteristics of rotor winding inter-turn short circuit under different excitation modes were analyzed, which laid the foundation for the analysis and diagnosis of rotor winding inter-turn short circuit fault in AVC excitation regulation mode.

rotor windings inter-turn short circuit; coupled simulation; excitation mode; finite element model

武玉才(1982—)，男，講師，碩士生導師，研究方向為大型汽輪發電機在線監測與故障診斷技術等方面。

袁浚峰(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為大型汽輪發電機在線監測與故障診斷技術等方面。

TM 307+.1

A

1673-6540(2016)09- 0086- 06

2016-01-14