水輪發電機轉子繞組匝間短路故障的新型在線診斷方法

武玉才　馬倩倩　蔡波沖　唐勁飛

摘要：針對轉子繞組匝間短路故障可引起水輪發電機機組較為強烈的振動，導致計劃外停機的問題，以二灘水電站一臺550 MW水輪發電機為例，根據磁動勢平衡原理，推導匝間短路前后發電機主磁場的變化規律，提出在水輪發電機定子鐵心上安裝U型檢測線圈，用以檢測轉子繞組匝間短路故障。根據發電機主磁場的運動規律，推導穿過U型檢測線圈的磁通表達式，進一步得到檢測線圈的感應電動勢。二維電磁場仿真證明U型檢測線圈的感應電壓可以反映水輪發電機的轉子繞組匝間短路程度，并能定位故障磁極位置，新型檢測方法實現了對水輪發電機轉子繞組匝間短路故障的在線診斷。

關鍵詞：水輪發電機；轉子繞組匝間短路；U型檢測線圈；感應電壓差；在線診斷

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

轉子繞組匝間短路故障是大型同步發電機的多發性故障[1-6]，其中水輪發電機的轉子繞組匝間短路故障占據了一定的比例[7-12]。一旦水輪發電機出現轉子繞組匝間短路故障，故障極磁場被削弱，就會造成轉子故障側單邊磁拉力下降，形成不平衡磁拉力，嚴重的匝間短路可引起水輪發電機的劇烈振動[13-14]。此外，水輪發電機還發生過轉子繞組匝間短路引起橫差保護動作事件[15]，因此，水輪發電機的轉子繞組匝間短路故障應引起足夠的重視[16]。

水輪發電機具有極對數多、凸極結構以及定子繞組分支數多等特點。某一磁極的轉子繞組匝間短路對局部電磁量影響較大，對發電機整體影響較小，這一特點導致適用于汽輪發電機的轉子繞組匝間短路在線診斷方法并不適用于水輪發電機，探測線圈法[17]、勵磁電流法[18-20]、虛功率法[21]、期望電勢法[22]、軸電壓法[23-25]、并聯支路環流法[26-27]、勵磁電流諧波法[28-32]和端部漏磁[33]等都無法靈敏地檢測出水輪發電機的轉子繞組匝間短路故障。由于這些技術限制，目前水輪發電機的轉子繞組匝間短路診斷還停留在離線水平，常采用的是直流電阻比較法[34-35]，交流阻抗和功率損耗法[36-37]，交直流分壓電壓法[38-39]等。這些方法均需要對轉子各磁極的繞組逐個測試，整個檢測過程耗時較長，增加了機組的停運時間。水輪發電機組停運時間增長將損失發電量，造成水資源的巨大浪費，開發水輪發電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法、降低故障停運時間對于水電廠具有現實意義和經濟價值。

本文選擇一臺550 MW水輪發電機作為研究對象，分析了轉子繞組匝間短路故障引起的磁場不平衡問題，提出在發電機內部安裝新型檢測線圈，實時檢測轉子繞組匝間短路故障，為水輪發電機的轉子繞組匝間短路故障檢測提供了新的解決方案。

1磁場不平衡分析

水輪發電機的轉子繞組為集中式結構，某磁極繞組發生匝間短路后，被短路繞組內部電流為零，該磁極的繞組有效匝數減少，產生的勵磁磁勢明顯小于正常磁極。短路后的勵磁磁場可以看作正常的勵磁磁勢與被短路的勵磁繞組通入反向勵磁電流產生的勵磁磁勢的疊加，如圖1所示。

圖1轉子繞組匝間短路后的勵磁磁勢示意圖

Fig.1Excitation magnetic potential of the rotor winding interturn circuit

轉子繞組正常情況下勵磁磁勢波形是軸對稱的，經過傅立葉分解后無直流和偶數次諧波分量，僅含奇數次諧波，用余弦函數可以表示為

Ffnorm（θr）=F1cospθr+F3cos3pθr+

F5cos5pθr+…+Ficosipθr。（1）

式中：Fi表示第i次諧波磁勢的幅值，i為奇數；θr表示轉子空間機械角度；p表示水輪發電機的極對數。

被短路的勵磁繞組通入反向勵磁電流產生的勵磁磁勢具有非對稱性質，經過傅立葉分解可以表示為

ΔFf（θr）=-2QIfπ∑

SymboleB@ n=1sin（nα/2）ncosnθr。（2）

式中：Q表示勵磁繞組的短路匝數；n為正整數；If表示發電機勵磁電流；α表示轉子磁極的寬度。

由式（2）可知，轉子繞組匝間短路在發電機主磁場中產生了新的諧波。轉子繞組正常時勵磁磁勢中僅含有奇數次諧波，匝間短路后則出現了分數次諧波，該分數次諧波疊加到對稱的勵磁磁勢上，使得發電機磁場不對稱。

水輪發電機轉子為凸極結構，定子開槽，且鐵心存在飽和現象，解析計算是無法準確獲取發電機的磁場數據的，應借助計算精度更高的數值仿真工具。以東方電機廠和加拿大GE公司合作生產的水輪發電機為例（運行于中國二灘水電廠），參數見表1，采用Ansoft軟件建立發電機二維仿真模型，如圖2所示。

將搭建的發電機模型導入到Simplorer軟件中，按照定、轉子繞組的實際連接方式編輯外電路模型，搭建場路耦合的二維瞬態電磁場仿真模型，如圖3所示。

以發電機空載和帶額定負載運行為例，分別設置轉子某磁極繞組正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，仿真得到發電機氣隙主磁場如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5看出：無論水輪發電機空載運行還是帶額定負載運行，轉子繞組正常時，各磁極相同位置的磁場基本相同；轉子某磁極繞組發生匝間短路后，該極勵磁繞組有效匝數減少，其磁場明顯弱于正常極的磁場。

2新型檢測線圈法

水輪發電機的定子鐵心普遍采用空冷方式，定子鐵心沿軸向分成若干段，段與段之間流通空氣，實現鐵心散熱。圖6為某水輪發電機的定子鐵心結構。

水輪發電機的分段式定子鐵心為轉子繞組匝間短路診斷提供了傳感器安裝空間，提出一種新型發電機磁場檢測線圈，其結構及安裝方式如圖7所示。

檢測線圈為U型結構，沿徑向包圍水輪發電機定子的一個鐵心段，U型底部位于發電機氣隙，U型出口處并聯一個高阻值電阻（1 000 Ω以上），通過數據采集儀采集該電阻兩端電壓。

2.1U型檢測線圈的診斷機理

水輪發電機空載運行狀態下，氣隙磁通密度可以表示為

B（θr）=∑

SymboleB@ i=1Bicos（iPθr）。（3）

式中：p表示水輪發電機的極對數；i為奇數，i=1，3，5，…；Bi表示i次諧波磁通密度的幅值；θr表示轉子圓周的空間機械角度。

假定初始時刻檢測線圈位于轉子某N極軸線位置，該時刻穿過檢測線圈的磁通為零。轉子旋轉過程中，穿過檢測線圈的磁通周期性改變，經過時間t后，穿過檢測線圈的磁通可以表示為

Φ（t）=∫ωrt0B（θr）ld（θrR）=

lR∑

從上式可知：U型檢測線圈實質上是一種磁場測量線圈，檢測線圈所感應的電動勢時域波形（式（5））與發電機氣隙磁場空間波形（式（3））具有相似的形狀。

轉子繞組發生匝間短路后，故障極磁場明顯減弱，當故障磁極掃過檢測線圈時，檢測線圈所感應的電壓幅值也將小于正常磁極掃過檢測線圈的感應電壓，可根據這一特點診斷水輪發電機的轉子繞組匝間短路故障。

2.2U型檢測線圈有效性驗證

以550 MW水輪發電機為例，在發電機空載和額定負載狀態下，分別設置轉子某磁極繞組正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，轉子旋轉一周檢測線圈的感應電壓如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9看出：受故障極磁場削弱的影響，該磁極掃過檢測線圈時，檢測線圈感應的電壓明顯低于正常磁極的電壓值，短路程度越嚴重，電壓偏差越大，因此，可以將檢測線圈在各磁極處的感應電壓偏差作為水輪發電機轉子繞組匝間短路故障的判據。

可以在發電機的定子鐵心上同時安裝2個U型檢測線圈，2個檢測線圈的間距為發電機極距的整數倍。

當2個U形檢測線圈間的距離為發電機極距的奇數倍時，當某一個線圈位于某N極下，則另一個線圈剛好位于某S極下的對應位置，2個線圈任意時刻感應的電壓波形反相位，將2個U形檢測線圈的輸出電壓相加，即

ΔU（t）=U1（t）+U2（t）。（6）

理論上，轉子繞組正常時相加后結果為零，若轉子某磁極繞組存在匝間短路故障，這2個檢測線圈的輸出電壓將出現局部偏差，相加結果不為零。

當2個U形檢測線圈間的距離為發電機極距的偶數倍時，將2個U形檢測線圈的輸出電壓相減，即

ΔU（t）=U1（t）-U2（t）。（7）

勵磁繞組正常時相減后結果為零；若轉子某磁極繞組存在匝間短路故障，這2個檢測線圈的輸出電壓將出現局部偏差，相減結果不為零。

雙線圈法的好處是：發電機運行工況變化時，穿過2個檢測線圈處的磁場同時改變，因此，當同步發電機勵磁繞組正常時，2個檢測線圈的輸出電壓是完全相同的，診斷的抗干擾能力得到了大幅提升。

以水輪發電機空載運行為例，設置2個檢測線圈相距6倍的極距，在轉子某磁極繞組短路10%時，2個檢測線圈的感應電壓之差如圖10所示。

可以看到：勵磁繞組匝間短路后，在轉子1個旋轉周期內，2個檢測線圈的感應電壓差波形中存在1個正向脈沖和1個負向脈沖，這2個脈沖的時間間隔為0.06 s，2個脈沖的產生時刻分別對應故障極磁場掃過這2個檢測線圈的時刻。

雙線圈法可以有效診斷出水輪發電機的勵磁繞組匝間短路故障，隨著匝間短路程度的加重，2個檢測線圈感應電壓的幅值差異也將變大，因此，該方法還可以反映出勵磁繞組匝間短路故障的嚴重程度和發展趨勢。

U型檢測線圈可以在水輪發電機制造或大修階段安裝，該線圈檢測發電機主磁場，線圈底部可以緊貼定子內徑，不存在與轉子碰撞的風險。新型檢測線圈選擇高電阻率、高強度且具有一定韌性的合金材料制作而成，可以有效降低運行過程中的渦流損耗和變形風險。檢測線圈的輸出電壓不會超過常規信號采集裝置的電壓上限，因此，常規的數據采集裝置可以直接采集檢測線圈的感應電壓。經計算機實時運算得到2個線圈感應電壓之差ΔU，當ΔU大于設定閾值時，計算機立刻發出報警信號，實現了轉子繞組匝間短路故障的在線診斷。結合鍵相信號還可以進一步確定故障磁極位置，避免停機后進行二次檢測，縮短了故障處理時間。

3結論

本文研究了水輪發電機轉子繞組匝間短路故障的磁場特征，提出了在定子鐵心上安裝U型檢測線圈診斷轉子繞組匝間短路故障，得出以下結論：

1）水輪發電機的轉子繞組發生匝間短路后，氣隙磁場將變得不對稱，故障極磁場明顯減弱；

2）在水輪發電機定子鐵軛上安裝2個U型檢測線圈，通過U型檢測線圈感應電壓差異可以診斷轉子繞組匝間短路故障；

3）U型檢測線圈法的靈敏度和可靠性較高，可對水輪發電機的轉子繞組匝間短路故障進行在線診斷和定位，解決了水輪發電機轉子繞組匝間短路故障無法實時監測的問題。

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（編輯：邱赫男）