同步發電機穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障的在線監測方法

武玉才，馬倩倩，李永剛

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同步發電機穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障的在線監測方法

武玉才，馬倩倩，李永剛

（新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學電氣工程學院)，河北 保定 071003）

同步電機的穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障會嚴重威脅發電機組的安全運行。本文提出了基于穿心螺桿感應電壓的同步發電機穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障檢測方法，分析了檢測方法的基本原理。為驗證該方法的有效性，以某核電廠一臺TA1100-78型汽輪發電機（2對極）作為研究對象，對發電機空載和額定負載工況進行仿真，結果表明：發生穿心螺桿與定子鐵心沖片短路時，檢測方法的采樣電壓升高，可以根據電壓值定位短路點位置，與理論分析結果一致，該方法實現了同步電機穿心螺桿與定子鐵心沖片短路故障的在線檢測。

定子鐵心；穿心螺桿；短路；接地；對地電壓；診斷

0 前言

同步發電機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行中發生位移和振動切割定子繞組絕緣，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置了絕緣材料以防止兩者短路引起局部渦流或環流造成過熱損壞。然而，近年來發生了多起由于穿心螺桿過熱引發的短路事故，個別事故中甚至造成了定子鐵心被融化的惡劣后果，導致整個定子返廠處理，停機時間長，經濟損失也十分嚴重[1,2]。這一問題已經引起了制造廠商及研究設計機構的高度重視，開發穿心螺桿絕緣異常故障的在線監測方法是避免鐵心發生大面積融化的有效措施，對于降低故障損失具有重要意義[3,4]。

運行中的同步發電機處于完全封閉的狀態，目前還無法在線測量穿心螺桿的絕緣情況，只能在大修期進行穿心螺桿的絕緣電阻測量實驗，例如文獻[5]介紹某水輪發電機大修期間進行穿心螺桿的絕緣測量時發現絕緣值不達標有105根，其中82根絕緣值在0.5MΩ以下，有11根絕緣值已經為零。穿心螺桿的絕緣出現問題，最直接的現象是導致絕緣破損處的定子鐵心出現片間短路故障。目前對于發電機定子鐵心沖片片間短路故障尚未實現在線監測，只能在發電機大修階段進行離線測試，主要檢測方法有兩種，即：鐵損試驗法和ELCID。鐵損試驗法[6]是一種傳統的定子鐵心短路故障檢測方法，該方法在發電機抽出轉子后進行，在發電機定子鐵心上纏繞大功率絕緣導線，并向導線中注入交流電流，該電流產生的磁場沿整個定子鐵心閉合，磁場的周期性交變在鐵心中產生發熱損耗，當定子鐵心存在局部片間短路故障時，該處的渦流損耗更大，發熱量更高，用紅外測溫儀觀察發電機內部的溫度即可找到短路點。該方法只能觀測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法有效反映出來，此外，試驗設備電壓、電流大，造價昂貴，還可能因試驗導致故障進一步惡化。ELCID法[7]是由英國中心電力委員會研發出來，目前該技術權利由加拿大IRIS 電力公司持有。該方法利用便攜式設備在發電機定子鐵心相鄰尺槽間產生交變的局部磁場，若定子鐵心層間絕緣短路，將產生局部故障電流，該電流將被Chattock繞組線圈檢測到。2004年度的 CIGRE會議中已確定ELCID能對定子鐵心層間故障進行可靠和安全的檢測，此方法已被電力行業廣泛地采用。 然而，該方法也有明顯的缺點，即只能發現定子齒槽部位的短路故障，對于穿心螺桿與鐵心短路故障不能靈敏反映。綜上所述，目前盡管有專門針對穿心螺桿絕緣故障或定子鐵心短路故障的檢測方法，但都屬于離線檢測方式，無法及時發現故障，可能導致故障的惡化，此外，大部分離線檢測方法是無法發現穿心螺桿與鐵心短路這樣的深層短路故障的，因此，開發穿心螺桿與鐵心短路故障的高靈敏度在線檢測方法十分必要。

本文根據穿心螺桿與定子鐵心短路故障的基本特征，提出將發電機內部的各穿心螺桿通過高阻值電阻接地，實時測量電阻兩端的電壓，以檢測螺桿對地電流，當對地電流超過設定上限時判定穿心螺桿發生接地故障，為穿心螺桿與定子鐵心短路故障提供早期預警。

1 同步發電機穿心螺桿與鐵心短路故障簡介

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

圖1 發電機定子鐵心及穿心螺桿結構

圖2 發電機的穿心螺桿

穿心螺桿的上述結構在一定程度上能減少穿心螺桿與鐵心間發生短路的幾率，但發電機運行過程中穿心螺桿的渦流損耗引起的溫升是不可忽略的問題，可能導致絕緣層的快速老化和性能下降，造成短路故障，此外，鐵心松動造成部分疊片切割絕緣層也是短路的重要誘因。同步發電機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，以某汽輪發電機為例，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致了故障的擴大，僅5處的故障屬于定子鐵心槽部短路故障。

圖3 某汽輪發電機定子鐵心損壞情況

2 新檢測方法的基本原理

同步發電機正常運行時，穿心螺桿處于“懸浮”狀態。即使定子鐵心疊片有一片與穿心螺桿發生短路，由于未形成回路，并不會產生環流，僅短路點的渦流略有增加，情況并不嚴重，但若短路點本身包含多片鐵心，則在該處也將產生較大的渦流，促使故障點擴大，如圖4所示。

圖4 穿心螺桿與鐵心一點短路示意圖

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中，運行時有較大的感應電壓，感應電壓在回路中產生了較大的環流，可以造成短路點的快速擴大，如圖5所示。

圖5 穿心螺桿與鐵心二點短路示意圖

從上述分析可知：無論穿心螺桿與定子鐵心一處短路還是多處短路，都將對定子鐵心構成威脅，因此，新的檢測方法應能有效檢測出穿心螺桿與定子鐵心的一點短路，本文提出的穿心螺桿與定子鐵心短路故障在線檢測方法原理如圖6所示。

圖6中，在每個穿心螺桿的中間部位經過一個10000Ω+100Ω的電阻接地。當穿心螺桿與定子鐵心無短路點時，無法形成閉合回路，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短路點，構成了閉合回路，回路內有交變電勢，則形成環流。由此可見，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短路點的依據。

圖6 穿心螺桿與鐵心短路故障檢測方法示意圖

同步發電機正常運行時，單根穿心螺桿感應的電壓最大不會超過1000V，即使短路形成了閉合回路，由于回路內串入了10100Ω的電阻，回路電流將限制在0.1A以內，不會對定子鐵心構成威脅。100Ω電阻為采樣電阻，其兩端直接連接電壓采集設備（量程為±10V），實時采集其電壓值，如圖7所示。一旦該電壓超過設定閾值，即可判定該穿心螺桿與定子鐵心發生短路故障。

圖7 穿心螺桿短路及測量原理圖

3 數值仿真

為了驗證新型檢測方法的有效性，選擇某核電廠一臺TA1100-78型汽輪發電機（2對極）作為研究對象，完成空載和額定負載工況下的仿真驗證，該機組的參數見表1。

建立的TA1100-78型汽輪發電機二維電磁場仿真模型如圖8所示。

表1 TA1100-78型汽輪發電機參數

圖8 TA1100-78型汽輪發電機二維仿真模型

為了檢驗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行，即發電機空載運行和帶額定負載運行。

發電機運行過程中，切割穿心螺桿的磁場是該處磁通密度的徑向分量，因此，仿真獲取發電機某穿心螺桿位置的徑向磁場隨時間變化規律，如圖9所示。

圖9 單旋轉周期穿心螺桿處徑向磁密

圖10 單旋轉周期穿心螺桿感應電壓

穿心螺桿的感應電壓為分布式電壓，假定發電機穿心螺桿距離一端的1/4處在0.2s時刻與定子鐵心間發生金屬性短路故障，數據采集設備采集到的電壓波形如圖11所示（0.2s時刻對應圖中的第1′104點）。

從圖11可以看到：當穿心螺桿與定子鐵心間未發生短路時，采樣電阻兩端電壓為零；一旦穿心螺桿與定子鐵心間發生短路，采樣電阻兩端電壓立即上升，有顯著的交流分量出現，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。

圖11 采集電壓波形

該交流電壓的幅值與發電機運行工況、短路點位置等因素有關，特別是短路點位置，短路點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，應對故障閾值進行適當設置，以發現靠近穿心螺桿中部的短路故障，針對本例，故障閾值可以設定為0.1V。

4 結論

本文根據同步發電機結構特點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測方法，得出以下結論：

（1）同步發電機正常運行時，穿心螺桿切割發電機磁場感應交流電壓，其波形與螺桿處的徑向磁密波形一致；

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

（3）通過在同步發電機穿心螺桿上引出接地線，就可以實現對穿心螺桿與鐵心短路故障的在線監測，接地線可以在發電機制造或大修階段安裝，全部穿心螺桿的監測可以通過集總在端部的附加環狀結構進行接線，實現起來并不復雜。

[1] 張征平, 劉石, 姚森敬, 等. 大型發電機轉子故障分析與診斷[M]. 中國電力出版社, 2011,12.

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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電機與電器專業工學博士學位，目前從事汽輪發電機狀態監測與故障診斷技術研究，作為負責人承擔國家自然科學基金青年基金課題“多目標框架下的發電機故障在線檢測技術研究”一項，副教授。

河北省自然科學基金資助項目（E2016502031）；中央高校基本科研業務費專項資金資助