U型線圈檢測發電機勵磁繞組匝間短路性能分析

武玉才,李宏碩

(華北電力大學電氣工程學院,河北保定 071003)

0 前言

勵磁繞組匝間短路故障是汽輪發電機一種常見電氣故障[1-3],會造成勵磁電流上升、溫度升高、無功功率相對降低,定子繞組并聯支路也會產生環流[4-6]。當轉子繞組匝間短路匝數較少且故障現象并不嚴重時,發電機可以維持運行,但如果不做出處理,匝間短路故障可能會進一步惡化,導致嚴重的匝間短路[7],引起發電機強烈的振動[8-12]。

U 型檢測線圈法是近年來提出的一種新型勵磁繞組匝間短路故障在線檢測方法,通過檢測氣隙主磁場諧波判斷匝間短路故障是否存在,并且能夠根據電壓的時域波形對故障進行定位[13],但U 型線圈安裝位置及其對檢測效果的影響還有待考察。

本文重點分析U 型線圈位置變化對汽輪發電機匝間短路故障檢測性能的影響。首先分析了勵磁繞組匝間短路故障的磁場特征,介紹了U 型線圈法的檢測原理,隨后以QFSN-300-2-20B 型汽輪發電機為例,模擬了勵磁繞組匝間短路故障,最后得到了U 型檢測線圈的感應電壓、諧波含量和電壓變化率等隨線圈位置的變化規律。

1 勵磁繞組匝間短路故障的磁動勢特征

大型汽輪發電機轉子為隱極機結構,通常為2 極或4 極,本文以2 極發電機為例進行分析。在靜止坐標系下,對2 極發電機的勵磁磁動勢做傅里葉分解,可得到基波和一系列奇數次諧波,勵磁磁動勢表達式為[10]:

式中,i為正整數,i=1、2、3、4……;θr為轉子空間機械角度;β表示轉子槽間角;αk為第k槽繞組匝數;γ為大齒區占轉子圓周的角度;If為勵磁電流。

勵磁繞組匝間短路故障后,被短路轉子繞組中無電流流過,而剩余轉子繞組流過全部的勵磁電流,使得勵磁磁動勢變得不對稱。故障磁勢等于正常磁勢與被短路轉子繞組流過反向電流形成的磁勢的疊加[10],對被短路轉子繞組流過反向電流形成的磁勢可以表示為:

式中,m為從大齒起始的轉子槽編號;Q為被短路轉子繞組的匝數;j為正整數,j=1、2、3、4……。

汽輪發電機在負載工況下運行時,其氣隙合成磁勢由勵磁磁勢與電樞反應磁勢Fa組成,可以表示為:

由以上分析可知,汽輪發電機在發生勵磁繞組匝間短路故障后,勵磁磁勢及氣隙合成磁勢都變得不對稱,出現了新的2 次、4 次和6 次等偶數次諧波,這些諧波正比于發電機的勵磁電流,勵磁電流越大,這種不對稱越明顯。

2 U 型檢測線圈原理

對于定子鐵芯徑向通風的汽輪發電機,可以包繞一段定子鐵芯安裝硬質的U 型檢測線圈,如圖1所示,線圈底部位于發電機氣隙中,沿徑向伸出到發電機定子背部。

圖1 U 型檢測線圈安裝示意圖

汽輪發電機運行過程中,旋轉的氣隙主磁場切割U 型檢測線圈底部的有效邊,在線圈上感應電壓表達式為:

式中,B為氣隙磁通密度;l為線圈的有效邊長;v為轉子旋轉的線速度。

發電機正常運行時,該感應電勢中僅包含1、3、5 等奇數次諧波。

勵磁繞組匝間短路故障造成發電機主磁場不對稱,2 極汽輪發電機主磁場中出現2、4、6 等偶數次諧波[14],諧波磁場在旋轉過程中切割U 型檢測線圈底部的有效邊,故線圈感應電壓中將出現偶數次諧波,根據偶數次諧波(特別是二次諧波)幅值變化可以判斷勵磁繞組匝間短路故障。此外,轉子各槽口的漏磁通也將在U 型檢測線圈上感應出脈沖,發生匝間短路故障的槽漏磁通減小,其在U 型檢測線圈上感應的電壓將低于正常槽,可用于匝間短路故障定位。

3 仿真分析

本文以一臺QFSN-300-2-20B 型汽輪發電機為例,進行有限元仿真,該發電機的主要參數見表1。

通過ANSYS-Maxwell 搭建發電機二維有限元模型,如圖2所示。將模型導入到ANSYS-Simplorer 中,按照定、轉子繞組的實際連接方式構造發電機外圍電路,建立場路耦合仿真平臺。

圖2 汽輪發電機場路耦合仿真模型

仿真發電機帶額定負載工況,分別設置轉子N 極1 號槽繞組正常、2 匝短路、4 匝短路。分別設置U型檢測線圈底部有效邊從定子齒正下方向定子槽正下方移動,在有限元模型中將線圈底部的有效邊等效為一點,即從P1點向P3點移動,如圖3所示。

圖3 汽輪發電機的二維有限元模型局部圖

轉子發生不同程度匝間短路故障時,各位置U 型線圈的感應電壓如圖4所示。可以看到,在故障槽所覆蓋區域,線圈上感應電壓低于繞組正常時的值,匝間短路故障越嚴重,電壓下降幅度越明顯。感應電壓波形對U 型線圈的安裝位置并不敏感,僅有輕微的相位差。

圖4 不同位置U 型線圈的感應電壓

對感應電壓進行傅里葉分解,得到諧波含量如圖5所示。可以看到,U 型線圈安裝位置對電壓諧波含量影響很小,隨著轉子1 號槽繞組短路匝數的增加,2 次、4 次等偶數次諧波的幅值顯著增大。

圖5 不同位置U 型線圈的電壓諧波含量

對圖4 中U 型線圈感應電壓進行微分,得到感應電壓變化率波形,如圖6所示。轉子1 號槽繞組發生不同程度匝間短路時,故障槽在U 型線圈上感應電壓的變化率相對繞組正常時降低,且隨著匝間短路故障程度的加重,電壓變化率變化越明顯,由此可實現故障的定位。

安置轉子繞組的兩個故障槽在U 型線圈上感應出的電壓變化率相對于正常情況下的偏差也是不同的,其中一個較為明顯,另一個則偏差較小,這一現象與負載工況下發電機氣隙磁場扭斜及各區間磁場飽和度不同有關。通過比較不同位置的U 型線圈的感應電壓變化率可以發現,無論線圈位置如何,其感應電壓變化率脈沖在匝間短路前后的幅值變化都比較明顯,因此線圈位置并不影響轉子繞組匝間短路故障定位。

4 結論

本文通過比較U 型線圈在不同位置處的檢測性能,得到以下結論:

(1)U 型線圈的位置并不影響對轉子繞組匝間短路故障的判斷,也不影響故障定位性能;

(2)位于定子齒正下方的U 型線圈結構最為簡潔,是優選的線圈結構和安裝方案。