基于电磁特性的转子绕组动态匝间短路故障联合诊断方法研究

班国邦，李永刚，赵立进，李小军

(1．贵州电力试验研究院，贵州 贵阳 550002;2．华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

汽轮发电机转子绕组匝间短路，是汽轮发电机常见的故障。转子绕组匝间短路会使转子电流增加，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动加剧并出现其他机械故障，这将严重影响发电机的安全运行，造成巨大的经济损失。由于发电机结构和运行状态的复杂性，转子绕组匝间短路在运行状态下和停机时往往会表现出不同的故障特征。发电机转子动态匝间短路故障的在线检测可以时刻监测转子短路情况，这对发电机的安全可靠运行显得更有意义[1，2]。

国内外学者对发电机转子绕组匝间短路故障的诊断方法进行了广泛而深入的研究，主要有开口变压器法、交流阻抗法、直流电阻法、RSO重复脉冲法、探测线圈法等，这些检测方法大多数都已经在现场中应用了多年，并且积累了较多经验。但是大部分都无法实现故障的动态检测或者由于受到电枢反应和噪声的干扰，在实际应用中达不到满意的结果[3，4]。

本文首先分析了发生转子绕组匝间短路时的电磁特性，然后根据转子绕组匝间短路转子电流增大、无功相对减少的特征来识别故障，并对其判据进行了推导，以实现对短路程度的判断。并与探测线圈法相结合实现故障槽的准确定位。之后通过实验验证了上述方法的正确性。最后采用实例验证本方法。

1 转子匝间短路时电磁特性分析

1.1 电磁特性分析

发电机在—定的运行状态下，如果存在转子绕组匝间短路故障，将导致励磁绕组有效匝数减少，为满足气隙合成磁通条件，励磁电流必然增大。同时，转子绕组的匝间短路效应会引起气隙磁势局部损失，从而导致存在匝间短路磁极的磁势峰值和平均值降低。磁势的降低，会使对应的空载电势较正常时有明显的下降，在发电机端电压保持恒定的情况下，无功损耗会相应下降。因此，转子绕组匝间短路虽引起转子电流增大，但无功却相对减少，这一故障征兆可以作为识别转子发生匝间短路故障的一个明显的特征[5]。

1.2 判据推导

正常条件下，对于发电机的某一确定状态(输出无功、有功及端电压一定时)，可以计算出励磁电流计算标准值if0，然后将它与励磁电流的实际测量值ifc进行比较，通过实际测量值相对标准值的变化率来判断是否发生转子绕组匝间短路。下面是对判据的简单推导。

由于汽轮发电机均为隐极发电机，那么有xq=xd。如果发电机工作在带负载运行状态，并设发电机的功角为δ，那么基于dq0坐标下的派克方程发电机的有功率和无功功率可以表示为

发电机空载电动势:

励磁电流表达式为

式中:w 为转子绕组匝数，Lδ，τ，l，p，iδ，Ifdδ，wfd，as，afd，k0δ1，k0δfd1，λd11为发电机相关参数，在发电机稳态运行时可看作定值，各个参数的具体含义可参考文献[5]。

对于特定的发电机(5)式可简写为

式中:k为与发电机有关的量，对于某一确定状态下运行的发电机，其值为常数。

若发电机转子出现了匝间短路故障，已知短路匝数为 Δn，则故障时的转子绕组匝数为w'fd=wfd－Δn，进一步可得出故障时的励磁电流表达式为

由(4)式和(5)式可以看出转子绕组匝间短路故障前后励磁电流的相对变化率为

由(6)式可以看出，故障前后励磁电流的变化率与短路匝数成正比，这说明(6)式可作为转子绕组匝间短路判据。当转子绕组的匝数较大时，w'fd与wfd近似相等，判据变为

2 微分探测线圈法基本原理

探测线圈法诊断转子绕组匝间短路故障的研究已有不少实例[6，7]。在实验和实际应用中，发现该方法在发电机空载和三相短路时能够取得较好的诊断效果，但对于并网运行中的发电机，由于受到多种因素的影响(如电枢反应和定子漏磁通的影响)，信号变形严重，即使经过信号处理仍较难实现对短路程度的准确判断。但此方法能比较容易地实现故障槽的准确定位，下面对其基本原理进行阐述。

由于转子槽漏磁形成的转子齿谐波会在探测线圈上感应出电动势信号，并且各槽会在信号波形上对应一个峰值。根据文献[6]和文献[8]的推导，微分后可得探测线圈上的感应电势

微分探测线圈法的基本方法是在定子、转子气隙中定子上固定一只“微分探测线圈”，对发电机气隙中的旋转磁场进行微分，即得到气隙磁场在该线圈上感应电动势，根据微分后的感应电势波形分析、诊断转子绕组是否存在匝间短路。由于波形上的每个峰值跟转子的每个槽都是一一对应的，所以可以根据波形畸变点来准确找出短路故障槽的位置。

3 实例分析

3.1 故障情况及相关测试

2012年3月23 日印尼某电厂2号机组因锅炉爆管停机检修处理，处理完成后开机出现发电机5，6号瓦振动超标，且振动幅度有明显跟随升压而上升的趋势。发电机升压至额定值20 kV时，发电机并网，检测结果发现随着负荷的增加，5，6号瓦振振动值与负荷及无功功率成正比例上升。多次实验的检测结果大致相同。初步判断为发生了转子绕组匝间短路。

转子拔掉护环后，发现端部表面线圈有明显的变形，部分线圈间隔很小但是没有相互接触，部分绝缘垫片也有位移现象。然后进行了两极电压分布和匝间电压分布试验，两极电压在总电压加160 V的情况下，两极偏差5 V左右，线圈电压分布表现为4，6和8线圈电压略微偏小，所有线圈的匝与匝之间的电压分布均匀。没有发现较明显的转子匝间短路特征。

在试验无法确定故障点后，处理了变形的线圈和移位的绝缘垫片，更换了绝缘瓦。装完护环后进行了不同试验电压下交流阻抗和损耗的测量，并测量了转子绝缘电阻，数据如表1所示。

表1 不同试验电压下交流阻抗的测量(静态)Tab．1 AC impedance in different test voltage(static)

与出厂时的数据对比可知，表1数据已经达到出厂水平，并且两极电压分布正常。

然后进行了额定转速下的交流阻抗测量，数据如表2。

表2 不同试验电压下交流阻抗的测量(3 000 r．p．m．)Tab．2 AC impedance with different test voltage(3 000 r．p．m．)

对比以上两组数据，可以发现额定转速下的交流阻抗相比静态时的交流阻抗有所减小，转子绝缘电阻均处于正常水平。经过计算得出，在不同的试验电压下，故障发电机交流阻抗的变化范围为9%～13%，用测量阻抗值的变化来判断转子绕组有无匝间短路是比较简便、可靠和灵敏的方法。但由于影响阻抗的因素很多，此时有理由怀疑发生了转子绕组动态匝间短路。但由于交流阻抗变化率还不是很大，以上数据尚不能成为判断转子绕组存在匝间短路故障的典型数据。

3.2 电气量的测量

针对以上问题，下面对故障发电机进行了并网运行时电气量(包括无功、有功、励磁电流、端电压)的测量，如表3所示。表中的数据是故障电机带病运行时连续升负荷时测得的。

为了与发电机正常运行时的电气量数据做对比，表4给出了发电机无故障正常运行时连续升负荷时的电气量数据。

表3 故障运行时发电机并网运行时电气量Tab．3 Electrical quantities of fault generator in-load

表4 正常运行时发电机并网运行时电气量Tab．4 Electrical quantities of normal generator in-load

对比表3与表4中的数据，很容易发现，在有功功率相同(或者很接近)时，与无故障正常运行时相比，故障带病运行时的无功功率减小，而励磁电流增大，变化的幅度在10%左右。由此可以得出，该电厂2号机组存在转子绕组动态匝间短路故障。然后可以利用公式(6)计算出短路匝数百分比为8%左右。

3.3 故障槽定位

前文已经实现机组转子绕组动态匝间短路故障的识别，下面利用微分探测线圈法，对故障槽进行准确定位，以找出故障槽位置进而实现故障的排除。探测线圈安装在定子内侧，为径向安装，它可以将气隙中的变化的磁场微分成感应电动势信号，将信号输入计算机进行去噪处理后便可对信号进行观察。下图是故障机组空载时的感应电动势信号(另外还进行了三相短路时的探测线圈探测线圈感应电动势信号的测量，其波形与图2基本一致)。

该机组有2极，转子上共有32个槽，每极槽数为16。从左到右进行各槽编号，依次为:1号，2号，……，16号。从图1可以发现，该发电机存在较明显转子绕组匝间短路故障，并且存在两个故障槽，分别为11号和12号槽。

图1 探测线圈感应电动势波形Fig.1 EMF waveform from detection coil

4 结论

本文根据汽轮发电机发生转子绕组匝间短路时，励磁电流的相对变化率来对匝间短路进行在线诊断，并根据相应判据，计算短路程度。然后利用微分探测线圈法对短路故障槽进行准确定位，实现了汽轮发电机转子匝间短路故障的动态识别和故障定位。利用本文方法，结合印尼某电厂2号故障机组实测数据，实现了转子动态匝间短路故障的有效诊断，证明了本文方法是切实可行的。

[1]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．

[2]Penelope M Sanderson，James M．Murtagh．Predicting fault diagnosis performance:why are some bugs hard to find?[J]．IEEE Trans on Systems，MAN，and Cybernetics，1990，20(1):274－283．

[3]乔海涛，冯永新．大型汽轮发电机组故障诊断技术现状与发展[J]．广东电力，2003，16(2):9－13．

[4]李永刚，李和明．在线检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．

[5]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．

[6]徐剑，李永刚，李和明．基于TMS320VC33的汽轮发电机转子匝间短路在线诊断系统的研制[J]．华北电力大学学报，2006，33(1):29－33．

[7]李永刚，李和明，赵华，等．基于定子线圈探测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．

[8]李伟清．汽轮发电机故障检查分析及预防[M]．北京:中国电力出版社，2002．