基于無功相對偏差的無刷勵磁發電機轉子繞組匝間短路故障診斷新判據

沈利平, 馬明晗, 李永清, 馬春泉, 馮雪萍

(1. 國家電網甘肅省電力公司 劉家峽水電廠,甘肅 永靖 731600；2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003)

基于無功相對偏差的無刷勵磁發電機轉子繞組匝間短路故障診斷新判據

沈利平1, 馬明晗2, 李永清1, 馬春泉1, 馮雪萍1

(1. 國家電網甘肅省電力公司 劉家峽水電廠,甘肅 永靖 731600；2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003)

為了尋找到在線識別無刷勵磁同步發電機轉子匝間短路故障的新方法，通過對同步發電機發生轉子繞組匝間短路后電磁特性和電氣參量的變化進行分析，根據故障發生后勵磁電流增加而無功輸出量卻相對減少的特征，提出了利用計算和測量故障前后發電機輸出無功相對變化率，作為識別無刷勵磁同步發電機轉子匝間短路故障嚴重程度的一個較為實用的方法。利用發電機動態模擬試驗機組，進行了相關的試驗驗證。

無刷勵磁同步發電機；轉子繞組匝間短路；故障診斷判據；無功功率；相對偏差

0 引 言

轉子繞組匝間短路故障是汽輪發電機轉子的一種典型的電氣故障。目前此類故障的診斷方法根據其診斷的實時性可以分為離線方法和在線方法。離線方法如轉子交流阻抗法、RSO重復脈沖法等，多用于機組大修期間轉子的常規檢測，而在線檢測方法由于其具有實時性的優勢，能夠對故障進行早期診斷，避免故障擴大，因此得到了更為廣泛的重視。

現階段主要的幾種轉子匝間短路在線診斷方法有：定子探測線圈法、勵磁電流法、定轉子振動檢測法以及軸電壓法。

定子探測線圈法利用位于定轉子氣隙中的探測線圈，提取位于轉子表面的氣隙漏磁場并對采集到的信號進行微分處理，能夠實現對轉子匝間短路故障的檢測和定位。該方法最大的缺點是只適用于發電機在空載狀況下運行，負載狀態下檢測準確性明顯下降，屬于一種準在線的檢測方法[1-3]。

勵磁電流法利用故障前后勵磁電流相對增加這一故障特征，對轉子匝間短路故障進行實時檢測。該方法主要缺陷在于其只適用于靜止勵磁發電機(有刷勵磁發電機)，對于目前大型機組廣泛采用的旋轉勵磁發電機(無刷勵磁發電機)無法適用[4]。

定轉子振動檢測法利用轉子匝間短路故障引起的電磁不平衡造成的定轉子振動加劇這一故障特征，對故障進行在線識別。該方法的主要缺點在于引起定轉子振動加劇的原因有很多，另外也可能多個故障疊加使得振動無法顯現，所以使該方法存在應用上的困難[5-7]。

美國人Paul I. Nippes最早將軸電壓用于診斷大型旋轉機械故障，通過檢測軸電壓的波形幅值異常來診斷故障。之后，國內學者將此方法應用于轉子匝間短路故障的檢測上[8-9]。該方法能夠有效地檢測出匝間短路故障，但是引起軸電壓異常的故障有很多，且理論支持較為薄弱，限制了軸電壓法的使用。

除此之外，對于轉子繞組匝間短路故障識別的理論研究正廣泛開展，諸如通過定子繞組并聯支路環流特性、定子振動特性等[10-15]故障特征對故障進行診斷。

總之，盡管國內外對轉子繞組匝間短路故障的在線檢測十分重視，但現有的各種方法在應用中還是受到一定的制約，實際測試中得到的結果并不十分理想，發電廠發生轉子繞組匝間短路故障后未能及時發現而造成嚴重后果的事例屢見不鮮，因此有必要進一步提高此類故障的診斷水平。

無刷勵磁發電機的軸端頭是一臺交流發電機，其轉子是發電繞組，發出的電流通過固定在發電機軸上的導線引導到固定在軸上的硅整流管，整流后的直流直接進入轉子繞組。無刷勵磁發電機原理圖如圖1所示。無刷勵磁發電機勵磁電流電壓是監測不到的，因此利用勵磁電流變化識別轉子匝間短路是不現實的。無刷勵磁發電機在核電機組、燃氣輪發電機上普遍采用，因此對其進行轉子匝間短路故障在線識別的研究是十分必要的。

圖1 無刷勵磁發電機原理圖

本文首先對轉子繞組匝間短路的無功相對偏差判據進行了理論上的推導，之后通過故障模擬機組試驗對判據進行了試驗驗證，驗證了判據的有效性和準確性。該判據同樣適用于有刷勵磁發電機，并且較勵磁電流法具有更準確的故障程度檢測能力。

1 無功相對偏差判據推導

轉子繞組匝間短路故障會引起勵磁電流的增大，與此同時無功功率減少。對于無刷勵磁發電機，勵磁電流是不能實測的，發電機勵磁是由勵磁機的勵磁控制的，可以利用可測的勵磁機的勵磁電流，根據勵磁機及整流系統數學模型，計算出正常運行情況下發電機勵磁。機組正常運行時，能夠確定給出發電機的勵磁電流、有功功率以及機端電壓值，進而可以計算得到該狀態對應的無功標準值Q，將其與無功測量值Q′比較求得其相對變化率。這一無功相對偏差值能夠作為檢測轉子匝間短路故障的診斷依據。

利用發電機無功變化作為判據識別轉子繞組匝間短路的判據推導過程[16]：

由式(1)發電機派克方程入手：

其中：

代入派克方程得：

通常情況下，同步發電機的定子繞組電阻相較于定子繞組電抗很小，可以忽略不計，則式(4)和式(5)可寫成：

由式(2)、式(3)、式(6)和式(7)聯立可分別得到發電機有功及無功表達式：

若為隱極同步電機，xq=xd，則：

發電機空載電動勢

其中：

式中:Lδ——定子自感基值；

Ifdδ——轉子電流基值；

FD5-4型真空冷凍干燥機，美國西盟國際集團；JSM-IT300LA型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；D8 discover型X-射線衍射儀，德國Bruker公司；IRTracer-100型傅立葉紅外光譜儀，日本SHIMADZU公司。

iδ——定子電流基值；

as——定子繞組支路數；

afd——各極勵磁繞組支路數；

τ——電機極距；

l——電機定子線棒有效長度；

p——電機極對數；

wfd——轉子繞組匝數；

k0δfd1——勵磁繞組基波繞組系數；

k0δ1——定子繞組基波繞組系數；

λd11——氣隙磁導系數。

將式(13)～式(16)代入式(12)，得到發電機空載電動勢為

將式(17)代入式(11)得到發電機輸出無功和轉子匝數關系：

其中：

如果轉子繞組發生匝間短路，則無功輸出變為

式中: 加撇量——轉子繞組發生匝間短路后發電機量值。

經變換得到發電機發生轉子繞組匝間短路故障前后轉子繞組匝數表達式：

轉子繞組發生匝間短路故障后短路程度判據為

由于發電機并網運行，發電機端口電壓在轉子繞組匝間短路故障前后保持不變:

該判據比無功變化相對值略微小一點，說明發電機轉子匝間短路故障引起無功變化更大，如果是凸極發電機，根據發電機輸出無功公式，與隱極同步發電機相比，判據比無功相對值更小一點。另外在推導過程中沒有考慮發電機磁場飽和影響，由于磁場飽和會引起磁場密度相對減小，無功輸出將減小，因此該判據數值會受其影響。如果發電機是欠勵運行影響幾乎沒有，如果是過勵，影響程度隨過勵程度增加而增加。另外該判據也適應于有刷勵磁發電機。

2 通過模擬機組試驗驗證發電機轉子繞組匝間短路故障判據

因沒有無刷勵磁模擬發電機故障機組，因此采用華北電力大學動模實驗室有刷勵磁同步電機MJF-30-6型進行轉子繞組匝間短路試驗，驗證新判據的準確性。通過試驗獲取電氣狀態監測量，利用上述公式計算發電機正常狀態(無故障)下的無功Q，然后測量不同轉子匝間短路故障下的無功Q′，并求出短路判據。具體步驟如下：

(1) 試驗機組并網狀態下保持有功輸出不變；

(2) 從0%～20%調節轉子繞組的短路程度，并記錄調節過程中機組的各電氣參數；

(3) 計算各故障狀態下的短路判據值。

圖2 保持定子電流為20A時發電機轉子繞組匝間短路試驗

由圖2可知，轉子繞組發生匝間短路故障后，隨著短路程度的增加，勵磁電流不斷增加，無功功率不斷減小，勵磁電流判據和無功相對偏差判據隨之增加，具有較好的一致性。試驗數據如表2所示，可以看到無功相對偏差判據較勵磁電流判據具有更高的準確性。

參數數據如表1所示。表2是定子電流為20 A時的發電機電氣狀態監測量在線記錄數據及計算結果。

表1 試驗發電機參數數據

表2 轉子繞組匝間短路故障前后在線數據及判據

3 結 語

為了尋找在線識別無刷勵磁同步發電機轉子繞組匝間短路故障的方法，本文從理論上對故障前后的發電機無功輸出進行了推導，根據故障后無功功率減小的特征，建立了轉子繞組匝間短路無功相對偏差的診斷模型。模型經過故障模擬機組的試驗驗證，證明了判據的有效性和準確性。該判據同樣適用于有刷勵磁發電機，并且較勵磁電流法具有更準確的故障程度檢測能力。

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

[2] 趙玉升.大型汽輪發電機轉子線圈動態匝間短路的檢測[J].大電機技術,1982(5): 18-23.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 萬書亭,李和明,李永剛.轉子匝間短路對發電機定轉子振動特性的影響[J].中國電機工程學報,2005,25(10): 122-126.

[6] 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.

[7] 郝亮亮,吳俊勇,陳占鋒,等.轉子匝間短路故障對大型汽輪發電機振動的影響機理[J].電力系統自動化,2014,38(4): 25-31+50.

[8] 李和明,武玉才,李永剛.轉子繞組匝間短路對電機軸電壓的影響[J].中國電機工程學報,2009,29(36): 96-100.

[9] 武玉才,李永剛,李和明.基于軸電壓的隱極同步發電機轉子典型故障診斷[J].電工技術學報,2010,25(6): 178-184.

[10] 武玉才,馮文宗,李永剛,等.勵磁繞組短路故障下汽輪發電機的電磁穩態特征[J].高電壓技術,2014,40(5): 1567-1573.

[11] 武玉才,李和明,李永剛,等.在線檢測發電機轉子繞組匝間短路的新方法[J].高電壓技術,2009,35(11): 2698-2703.

[12] 武玉才,李永剛.基于功率期望原理的汽輪發電機勵磁繞組短路故障診斷[J].中國電機工程學報,2014,34(33): 5934-5940.

[13] 李永剛,宋欣羽,武玉才.基于多回路理論的轉子匝間短路時定子并聯支路環流分析[J].電力系統自動化,2009,33(17): 71-75.

[14] 孫宇光,郝亮亮,王祥珩.同步發電機勵磁繞組匝間短路的數學模型與故障特征[J].電力系統自動化,2011,35(6): 45-50.

[15] 武玉才,李永剛.基于端部漏磁特征頻率的汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷實驗研究[J].電工技術學報,2014,29(11): 107-115.

[16] 高景德,王祥珩,李發海.交流電機及其系統分析[M].北京:清華大學出版社,1993.

NewCriteriononRotorWindingsInterTurnShort-CircuitFaultDiagnoseofBrushlessExcitationGeneratorBasedonReactivePowerRelativeDeviation

SHENLiping1,MAMinghan2,LIYongqing1,MAChunquan1,FENGXueping1

(1. Liujiaxia Hydropower Plant, Gansu Electric Power Company of State Grid Corporation of China,Yongjing 731600, China;2. Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to find a new method to the on-line identification of inter turn short-circuit fault of brushless excitation synchronous generator rotor, the change of electromagnetic properties was analysed and electrical parameters after the synchronous generator rotor windings occurred inter turn short-circuit. According to the characteristic that the exciting current was increasing and the reactive power output was decreasing relatively, a method was put forward which uses generator reactive power output relative change rate which was calculated or measured before and after the fault as a practical criterion for identification of the severity of brushless excitation synchronous generator rotor windings inter turn short-circuit fault. Finally, the relative experiment was carried out using the dynamic analog experiment unit.

brushlessexcitationsynchronousgenerator;rotorwindingsinterturnshort-circuit;faultdiagnosiscriterion;reactivepower;relativedeviation

沈利平(1968—)，男，高級工程師，研究方向為水電廠電氣。馬明晗(1990—)，男，博士研究生，研究方向為大型電機在線監測與故障診斷技術。

TM 341

A

1673-6540(2017)11- 0106- 05

2016 -12 -14