发电机转子绕组匝间短路故障检测

蒋云飞， 杨宣访， 张 超

(海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉 430033)

0 引言

转子绕组匝间短路是发电机的一种常见电气故障。轻微的匝间短路故障机组仍可继续运行，一旦故障恶化，会导致转子一点甚至两点接地等恶性故障的发生，使得被迫停机检修，造成巨大经济损失。如果在匝间短路故障发生初期能够及时做出预报，不仅可以避免恶性事故带来的经济损失，还有利于机组安排检修，提高故障处理效率。因此，发电机转子绕组匝间短路故障的早期检测预报十分必要［1-2］。

国内外已有很多针对发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法，总体可分为离线检测和在线检测两类，在线检测方法的研究越来越受到学者们的关注。目前，已投入运行的在线检测方法主要有探测线圈法和励磁电流法［3］。

1 发电机转子绕组匝间短路故障的危害和分类

发电机转子绕组轻微的匝间短路并不影响机组的正常运行，所以经常会被忽略，但如果故障继续发展，将会使转子电流显著增加，绕组温度升高，无功功率下降，电压波形畸变，转子磁极间的电磁负荷不平衡、热不平衡，从而使机组振动加剧并出现其他机械故障，甚至导致接地故障发生，使大轴、转子磁化，严重者还将出现烧伤轴颈和轴瓦，烧毁护环、转子等恶性事故，对机组本身的安全稳定运行构成很大威胁。现场运行经验表明，发电机转子绕组匝间短路故障多发生在绕组端部，尤其是在有过桥连线的一端居多［2］。

发电机转子绕组匝间短路按短路是否随着转子的转动状态和运行工况发生变化，可以分为稳定性匝间短路和不稳定性匝间短路(动态匝间短路)，其中动态匝间短路故障出现的频率较高，造成的损失也很大，一旦出现误判、漏判，后果非常严重。按故障发展的过程来分，可分为三个阶段:萌芽期、发展期和故障期。发电机转子绕组匝间短路故障检测的目就是尽可能的在故障的萌芽期和发展期准确地诊断出稳定性匝间短路和动态性匝间短路，确定故障发生的部位和严重程度，以便及时检修［1-2］。

2 转子绕组匝间短路故障检测方法

检测发电机转子绕组匝间短路故障的传统方法如开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流电阻法、发电机空载及短路特性试验法、电压降法等，虽然应用多年，积累了很多经验，但这些方法大多是发电机不带负荷运行时的离线检测或者是受其他因素的干扰比较大，灵敏度低，不能捕捉发电机带载运行时转子绕组动态匝间短路，无法应用于大型发电机的在线检测。动态匝间短路故障的检测成为当前研究的主要方向，下面将详细介绍现行主要方法。

2.1 探测线圈法

探测线圈法于1971年提出，目前广泛应用于隐极同步发电机的转子匝间短路故障检测［3］。其基本原理是用探测线圈对发电机气隙中的旋转磁场进行微分，根据微分后的波形分析，诊断转子绕组是否存在匝间短路，并显示故障槽位。发电机气隙中的旋转磁场B(t)由空载磁场B0(t)和定子电枢反应磁场Ba(t)合成，可直接相加［4］。

则发电机运行时探测线圈感应电势为

式中:Φ(t)是气隙旋转磁场穿过探测线圈有效面积S的磁通量。把气隙磁场B(t)解析式代入式(2)，进一步分解并引入计算机或示波器，实现对信号的观察、分析。该方法不仅能判断转子匝间有无短路，还能确定故障点所在的槽，在故障处理阶段可节省大量时间，这种方法在发电机空载和三相短路时效果好，而在发电机带负荷运行时受电枢反应等因素的影响，探测线圈上感应电势的波形不规则，形状较复杂，灵敏度下降，效果不好，很难实现准确诊断，并且对轻微的匝间短路故障反应不灵敏［3-5］。该方法应用的最大问题是，要在发电机的定转子气隙之间安装一个探测线圈，但目前国内绝大多数电厂现有及新设计的电机中，极少装有这种测量线圈，并且安装这种线圈需要的停机时间也很长［2］。目前对探测线圈法的研究主要是把小波变换等信号处理技术应用于故障信号处理，提高其灵敏度。

2.2 定子环流判别法

该方法是俄罗斯的B.T.卡茨曼于1992年提出。它直接用定子线圈作探测线圈，根据转子绕组发生短路时会导致发电机定子绕组并联支路之间出现电势差和环流这一原理实现故障检测，并且其大小和分布与短路程度有一定关系［6-7］，该方法的缺点是不易定位，还要在定子方面增加儒可夫斯基线圈、电流传感器等设备，安装复杂，设备费用高，受绕组结构限制［2-3，5］。与小波分析方法结合可提高该方法的准确性［8］，分析短路匝数与定子并联支路环流的确切关系有利于该方法对故障程度的判断和预测［9］，分析故障时定子绕组环流的谐波特性有助于该方法灵敏度的提高和故障的准确定位［10-12］，但要克服测试不便的缺点。

2.3 励磁电流和无功功率判别法

该方法基本原理如下:机组正常运行时，气隙磁势在载流导体处发生跳跃，当略去开槽造成磁动势的少许不连续性，转子磁势分布可近似认为是梯形，如图1(b)所示。但是当匝间发生短路故障时，有短路匝磁极的磁动势就会产生局部损失，磁极的磁动势峰值和平均值均会减小。因此，匝间短路可认为是退磁的磁动势分布作用，即短路部分的等效磁动势反向作用在有短路的磁极主磁场的正常磁动势上。用 表示转子绕组磁动势，表示短路线匝产生的磁动势，则匝间短路合成磁动势，如图1(d)［13-15］所示。

有效磁场的减弱，会使对应的空载电势较正常时有明显下降，在发电机端电压保持恒定的情况下，无功会相应下降。因此，转子绕组匝间短路虽引起转子电流增大，无功却相对减少，这一故障征兆可作为识别转子发生匝间短路故障的一个明显特征［16］。该方法的主要优点是只需测量发电机的有关电气量就可以实现转子绕组匝间短路的判断，并能对故障的发展趋势、严重程度作出评估，实现在线监测，不足之处是不能对故障点定位。文献［13-15］分析了故障发生后励磁电流增加而无功输出却相对减小的故障特征，并考虑发电机磁场饱和，建立故障诊断数学模型，根据确定故障特征找到一种利用故障前后励磁电流变化率作为识别故障的方法，建立了在线识别的判据:

图1 转子绕组磁动势的空间分布

式中:ifc——发电机一定运行状态下的励磁电流计算值;

if0——励磁电流实测值;

a——把计算误差和测量误差都考虑在内的偏差整定阈值。

发电机参数受运行方式和条件等影响，励磁电流的准确计算较困难。如有足够故障样本，与人工神经元网络方法的结合是解决这一问题的有效方法［17］。

2.4 重复脉冲检测法(行波法)

该方法是由英国的 J.W.Wood等学者于1986年提出的回复波检测法发展而来的，应用的是波过程理论(行波技术)，用双脉冲信号发生器对发电机转子绕组两端施加一个高频前沿陡峭脉冲，用双通道示波器录得两组响应特性曲线，通过对波形响应时间的测定，检测绕组两端的电压，可判断转子绕组是否存在故障，并通过分析反射波的延时和电压幅值来判断故障部位和故障电阻的大小，或将检测结果直接与出厂时厂家提供的标准波形进行比较即可判断［2］。该方法灵敏度较高，易于发现比较小的匝间短路，但波形易受转子阻抗变化的影响，且多处短路时波形变化复杂，对短路位置和故障程度的判断不如探测线圈法直观、准确［4-5］，所以该方法一般应用于停机时静态匝间短路的检测，和模糊神经网络的结合为行波法的在线应用提供了可能性［2］。

2.5 基于振动测量的检测方法

转子绕组匝间短路时会造成热不平衡和磁不平衡，从而引发发电机机械振动，所以发电机振动特征和发电机参数一样，可以作为诊断发电机转子绕组故障的依据，以定转子振动特性为判据的诊断系统早有研究［18］，有以转子基频振动增加、定子二倍频减小［3，19］为判据，也有以测量振幅和相角变化［20］为依据。分析转子匝间短路故障对定转子径向振动特性的影响，有利于该方法灵敏度的提高，同时还应考虑发电机转子结构对振动特性的影响。但由于引发发电机振动变化的因素很多，仅利用振动特征诊断发电机转子绕组匝间短路故障的准确性不高，所以应综合考虑短路后的电气特征和振动特征，这也是当前研究的方向，如基于转子振动和定子绕组并联支路环流特征的故障识别方法［21］，以励磁电流和转子振动工频分量的峰－峰值的增大作为转子匝间短路故障的征兆［22］等方面的研究。

2.6 其他检测方法

(1)分布电压法:通过测量转子绕组两极电压和每个线圈电压即分布电压，可发现早期匝间短路故障。该方法无法在线检测，且当匝间短路点比较多时，或短路点比较接近时，分布电压的特点不是很明显［23］。

(2)轴电压特性分析法:轴电压是电机运行过程中在转轴两端或轴的局部区域产生的电势差。转子绕组匝间短路引起气隙磁场变化，故障发生后轴电压信号中出现与定子齿槽效应对应的特征谐波可以作为匝间短路故障的判据［24-25］。

(3)基于谐波特征的方法:利用发电机转子槽磁谐波变化［16］、定子或励磁电流的谐波特征检测发电机转子匝间短路故障，并依据其幅值变化的大小来判断故障严重程度和故障部位。分析定、转子绕组上感应的谐波成分是得到不受电机结构影响的匝间短路判据的有效方法，基于此，文献［26］提出了一种基于励磁机励磁电流的转子绕组短路故障的检测新方法。该方法是一种很有应用前景的方法。

表1比较了转子绕组匝间短路主要检测方法的效果与应用特点。

表1 转子绕组匝间短路故障检测方法评估

3 故障检测中现代信号处理方法的应用

以上所述检测方法中应用了不同的信号分析技术，随着新的信号处理方法在设备故障检测中的应用，传统的基于快速傅里叶变换的信号分析技术有了新的突破性进展，极大地促进了发电机转子绕组匝间短路故障检测技术的发展。

小波分析法是一种窗口大小(即窗口面积)固定但其形状可改变、时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法，它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，使它尤其适用于畸(突)变信号的处理，有很强的特征提取功能。小波分析在发电机转子绕组匝间短路故障检测中的应用主要采用了小波分析的奇异信号检测和信噪分离的特性，将小波分析法用于检测故障信号的处理，根据故障信号的特点，通过小波变换，提取其模量极大值特征，实现对故障信号的判断和对故障的定位，有效实现发电机转子绕组匝间短路故障的在线监测，如将小波变换应用到定子绕组并联支路环流特性的分析，目前研究热点是以探测线圈法为基础，对探测线圈上的感应电势信号进行分析和消噪，实现故障诊断和定位［27］。只是小波变换的形式和小波函数的选取不同:有对电势波形的一阶微分信号进行处理的，也有对故障信号进行三层分解的。文献［28］利用小波包分解的方法对感应电势信号进行处理，提高了基于探测线圈法的检测灵敏度和准确性。实际应用中，应根据检测对象的具体情况，选用合适的小波变换形式和小波函数，实现快速、有效的信号分析。

以小波分析为基础，与现代智能方法结合，是解决发电机转子绕组匝间短路故障检测的有效方法。大型同步发电机是一个非常复杂的电磁系统，很难建立精确的数学模型，而人工智能系统不需要发电机的精确数学模型，可以模拟人类的学习能力，充分利用现有经验知识，自适应能力强。近年来，专家系统、神经网络、遗传算法、人工免疫算法、故障树分析法、模糊故障诊断、粗糙集故障诊断、支持向量机故障诊断等方法有了很大发展［29-30］。实现故障检测的智能化也是发电机转子绕组匝间短路故障检测的最终目的。

4 存在的问题及展望

经过多年发展，发电机转子绕组匝间短路故障检测技术有了很大发展，但发电机转子绕组匝间短路故障的检测是一个相当复杂的课题，实现各种工况下的在线检测也非常困难，尤其负载运行时，情况更为复杂，电枢反应、负荷波动、磁场饱和等因素，都会影响检测的灵敏度。现行的在线检测方法易受发电机运行状况的影响，检测灵敏度不高，容易出现误诊和漏诊现象，即使检测出故障也无法一次性实现对故障槽的准确定位，更不能现场解决故障点的轴向定位问题。所以仍有很多问题需要解决，就目前研究状况看，需要进一步研究的工作如下:

(1)故障机理的深入研究。故障机理的研究是故障检测的基础，只有对故障原因和导致结果的清晰、深刻认识，提出适用于大多数发电机的明确的故障特征，才能解决故障检测的灵敏性和准确度问题。由本文前面的分析可知，目前对故障机理的研究主要针对某一结构参数的发电机，并且做了大量简化处理，导致得到的故障特征不准确，对故障机理的深入研究是解决发电机转子绕组匝间短路故障检测的首要难题。

(2)故障特征信号的检测和消噪。现场检测到的信号不但包含所需的故障信号还包含很多噪声成分，必须进行消噪，传统的在硬件电路上采用各种滤波方法消噪的方法已不能满足工程需要，需利用最新传感器技术，同时采用基于小波变换的消噪方法，小波变换有良好的时频局部化特性，非常适合微弱、突变信号的处理。

(3)解决故障检测准确度问题。信息融合技术是解决故障检测精确度和复合故障这两个难题的有效方法，信息融合有两个层次:将不同的检测方法融合在一起，即多源传感器的融合，以此提取故障特征信息;或是将不同的检测方法检测到的特征信息进行多源信息融合。信息融合技术能对转子绕组故障进行整体的、全方位的了解，充分利用各种检测方法的优点，有很好的应用前景。

(4)解决人工智能方法的不足。尽管人工智能存在很多优点，但它也有获取知识难，需要大量训练样本，对故障无法解释等缺点，如何在发挥其优点的同时弥补缺点是一个值得探讨的课题。

(5)解决实际应用问题。目前的很多检测方法还停留在理论研究和模拟试验阶段，在工程实践中应用的较少，发电机转子绕组匝间短路的检测是实用性很强的技术，现在的理论研究和实际应用还存在脱节现象，只有在实际应用中发现问题，才能有效解决问题，尽快建立行业标准，才能促进检测技术的发展。因此，如何将现有的检测方法应用到实际中去还有待深入研究。

综上所述，为了满足工程需要，还要做大量研究工作，基于多传感器信息融合的集成智能诊断方法将会成为发电机转子绕组故障诊断发展的新趋势，它能充分利用新技术，融合各种检测方法的优点，实现不同运行状态下的准确、及时检测。实现这一目标的基础是进行发电机转子绕组匝间短路故障的分析，以单个线圈为分析单元的交流电机多回路理论可以对发电机定转子绕组内、外部的所有回路电流进行分析、计算，并可以计及气隙磁场空间谐波、定转子绕组布局、连接方式与故障空间位置等因素的影响，准确计算发电机内部故障时的各电气量［31］，是分析电机内部故障的理想工具。因此，基于多回路理论的发电机转子绕组匝间短路故障分析也是值得深入研究的课题。

［1］李伟清，王绍禹.发电机故障检查分析及预防［M］.北京:中国电力出版社，1996.

［2］马宏忠.电机状态检测与故障诊断［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］武玉才，李和明，李永刚，等.在线检测发电机转子绕组匝间短路的新方法［J］.高电压技术，2009，35(11):2689-2703.

［4］刘庆河.汽轮发电机转子绕组匝间短路的检测方法［J］.大电机技术，2004(4):13-16.

［5］张志猛，张建忠，李永刚，等.发电机转子绕组匝间短路故障检测分析方法的研究［J］.河北电力技术，2008，27(5):11-14.

［6］李和明，万书亭，李永刚.基于定子绕组并联支路环流特性的发电机故障识别方法［J］.中国电机工程学报，2004，24(22):107-112.

［7］Buckley G W.The influence on the stator winding voltage imbalance and the circular current when the generator rotor winding inter turn short-circuit happens［J］.The Design and Application of Electrical Machine Proceeding，1982:206-211.

［8］班国邦，李永刚，刘锐，等.基于小波能谱的发电机转子匝间短路故障分析［J］.大电机技术，2008(4):21-25.

［9］李永刚，宋欣羽，武玉才.基于多回路理论的转子匝间短路时定子并联支路环流分析［J］.电力系统自动化，2009，33(17):71-75.

［10］李永刚，李和明，赵华，等.基于定子探测线圈的转子匝间短路故障识别方法［J］.中国电机工程学报，2004，24(2):107-112.

［11］Sottile J，Trutt F C，Leedy A W.Condition monitoring of brushless there-phase synchronous generators with stator winding or rotor circuit deterioration［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(5):1209-1215.

［12］Foggia A，Toraly J E.Circulating current analysis in the parallel-connected windings of Synchronous generators under abnormal operating conditions［C］∥1999 International Conference on Electrical Machines and Drives，USA，1999:634-636.

［13］李永刚，李和明，赵华.汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断新判据［J］.中国电机工程学报，2003，23(6):112-116.

［14］李永刚，李和明.在线监测汽轮发电机转子匝间短路故障方法研究［J］.电力系统自动化，2002，26(20):47-49.

［15］李永刚，李和明.汽轮发电机转子匝间短路故障分析与诊断新方法［J］.电力系统自动化，1998，22(6):21-31.

［16］阮羚，周世平，周理兵.大型汽轮发电机转子匝间短路在线监测方法的研究及应用［J］.中国电机工程学报，2001，21(12):60-63.

［17］薄丽雅，刘念，陈卓.基于人工神经元网络的发电机转子绕组匝间短路故障诊断［J］.四川电力技术，2005(4):11-13.

［18］万书亭，李和明，李永刚.转子匝间短路对发电机定转子振动特性的影响［J］.中国电机工程学报，2005，25(10):122-126.

［19］万书亭，李和明，李永刚，等.基于定子振动特征的转子绕组短路故障识别［J］.振动工程学报，2005，18(3):343-345.

［20］武玉才，李永刚，万书亭.基于振幅和相角变化的转子匝间短路故障诊断研究［J］.华北电力大学学报，2007，34(6):6-10.

［21］万书亭.基于机电综合特征的发电机转子故障诊断系统的研究［J］.华北电力大学学报，2007，34(6):28-31.

［22］史进渊，杨宇，孙庆，等.大型汽轮发电机故障特征规律的研究［J］.中国电机工程学报，2000，20(7):44-47.

［23］李晓明，刘东明.大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的测试与分析［J］.大电机技术，2003(3):7-11.

［24］李和明，武玉才，李永刚.转子绕组匝间短路对电机轴电压的影响［J］.中国电机工程学报，2009，29(36):96-100.

［25］Torlay J E，Corenwinder C.Analysis of shaft voltages in large synchronous generators［C］∥1999 International Conference on Electric Machines and Drives，USA，1999:607-609.

［26］张超，夏立，王林.一种新的无刷发电机转子绕组匝间短路故障的检测方法［J］.电机与控制应用，2010，37(4):63-67.

［27］刘庆河，蔡维铮，徐殿国.汽轮发电机转子绕组匝间短路在线检测方法的研究［J］.中国电机工程学报，2004，24(9):234-237.

［28］陈小玄，罗大庸，单勇腾.小波分析在转子绕组匝间短路故障诊断中的应用［J］.电机与控制学报，2007，11(2):143-147.

［29］Sottile J，Trutt F C，Leedy A W.Condition monitoring of brushless there-phase synchronous generators with stator winding or rotor circuit deterioration［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(5):1209-1215.

［30］李之昆，马宏忠.基于ANN的发电机转子绕组匝间短路诊断方法［J］.高电压技术，2004，30(1):31-32.

［31］高景德，王祥珩，李发海.交流电机及其系统的分析［M］.2版.北京:清华大学出版社，2005.