基于励磁阶跃法的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断

武玉才，王逸仙，徐乾杰，徐剑

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003；2.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003)

基于励磁阶跃法的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断

武玉才1，王逸仙1，徐乾杰1，徐剑2

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院,河北 保定 071003；2.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003)

对转子绕组匝间短路故障的快速、准确检测可以缩短故障处理时间，降低停机成本。首先分析了匝间短路对励磁回路暂态阻抗参数的影响，预测当发电机出现转子绕组匝间短路后，在阶跃电压作用下，励磁电流的上升速度将变快。为了验证该设想，利用有限元分析软件建立了一台 300 WM汽轮发电机的仿真模型，对比了短路程度、短路位置对阶跃励磁电压作用下的励磁电流上升速度的影响，同时研究了被短路回路电流、阻尼电流以及定子绕组并联支路环流的变化规律。仿真结果验证了理论分析的正确性，最终提出了一种新型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障检测方法。

转子绕组匝间短路；Ansoft；阶跃电压；励磁电流；上升速度；离线检测

0 引 言

转子绕组匝间短路(rotor windings inter-turn short circuit，RWISC)是汽轮发电机最常见的电气故障形式之一。轻微的匝间短路故障机组仍可以继续运行，一旦故障恶化，可能引发致转子一点接地及两点接地故障，使得发电企业被迫停机检修。造成巨大经济损失。因此，对汽轮发电机的RWISC故障的准确诊断十分必要，有效的监测和诊断方法可以及时发现轻微短路故障，避免故障恶化和扩大化，快速确认故障位置可以降低机组停运时间，减小发电量损失[1-2]。

近些年，汽轮发电机RWISC故障的诊断得到了快速发展，先后出现了一些新的检测方法。这些检测方法主要分为离线检测方法和在线检测方法两类。其中，在线检测方法具有及时发现故障的特点[3-4]；但由于灵敏度较差，近些年的普及率并不高[5]。离线检测方法虽然不能保证实时性；但在停机状态下可以有效排除各类干扰，检测可靠性较高，多年来一直被运行、检修人员广泛使用。

目前已经提出的离线检测方法包括；空载短路试验法[6-7]、直流电阻测量法[8]、交流阻抗与损耗试验法[9]、两极电压平衡试验法[10]、转子绕组电压分布试验法[11]、开口变压器法[12]、重复脉冲RSO试验法[13]等。在这些离线检测方法中，部分检测方法的灵敏度较低，如空载试验法、短路试验法、直流电阻测量法，部分方法需要抽出发电机转子才能进行，如转子绕组电压分布试验法、开口变压器法等。相对而言，交流阻抗与损耗试验法以及近些年出现的重复脉冲RSO试验法具有较高的诊断灵敏性和可靠性，在近些年的应用中获得了广泛的认可。

其中一部分离线检测方法已经被写入《电力设备预防性试验规程》(DL/T596-2005)，如直流电阻法、交流阻抗法、转子绕组电压分布试验法等，成为发电机维修必须进行的试验。为了通过离线实验准确定位RWISC故障，降低盲目、大面积拆除转子槽楔的工作量和停机成本，对离线检测方法的灵敏度和有效性的要求远比在线检测方法的要求高。为了提高汽轮发电机RWISC故障的离线诊断水平，为现场提供新的检测技术和手段，本文提出了一种基于励磁阶跃法的汽轮发电机RWISC故障诊断方法。

汽轮发电机发生RWISC故障后，受电磁暂态电抗减小的影响，励磁回路的时间常数下降。在励磁回路施加阶跃电压时，励磁电流的上升速度将下降。本文结合有限元仿真，研究了励磁电流的上升速度与RWISC故障的位置、程度等的关系，提出了一种新型汽轮发电机RWISC故障诊断方法。

1 励磁阶跃法的基本原理

图1 RWISC示意图Fig.1 Schematic diagram of RWISC

根据基本电磁原理[14]，励磁绕组的暂态电抗均与绕组匝数的平方成正比;因此，一旦汽轮发电机转子绕组发生匝间短路故障，励磁绕组的稳态电抗和暂态电抗均将出现下降。本文假设初始时刻励磁绕组的总匝数为N，发生短路后，励磁绕组的总匝数为(N-△N)，因此，短路后的暂态电抗可以表示为

(1)

显而易见，转子绕组发生匝间短路后，由于励磁绕组自身匝数的减少，转子回路的等值电抗有明显的下降。

RWISC前的暂态等效电路见图2，转子回路的等值暂态阻抗为

(2)

转子绕组发生匝间短路后，合上图1中开关K给励磁绕组施加阶跃的直流电压时，励磁绕组电流将会上升，产生瞬态磁场φ′，该磁场将在转子的阻尼绕组、被短路的励磁绕组内部感应电动势并形成电流。这种情况与三绕组变压器的中压侧和低压侧短路，在高压侧施加阶跃电压是十分相似的，RWISC后的暂态等效电路可以表示为图3，转子回路的等值暂态阻抗为

(3)

图2 RWISC前的暂态等效电路Fig.2 Transient equivalent circuit before RWISC

图3 RWISC后的暂态等效电路Fig.3 Transient equivalent circuit after RWISC

参照式(1)—式(3)可知，当汽轮发电机的转子绕组发生匝间短路故障后，转子绕组的暂态阻抗明显下降，其中下降幅度最大的是暂态电抗，转子回路的等值电阻略有下降。

转子回路的时间常数可以表示为

(4)

式中：L′为转子回路的等值暂态电感；R为转子回路的等值电阻。

从式(4)可知，当汽轮发电机的转子绕组发生匝间短路故障后，受发电机暂态电抗和等值电阻改变的影响，转子回路的暂态时间常数也将明显下降；因此，在转子绕组上施加阶跃电压时，励磁电流的上升速度相对于正常情况下将明显加快。根据励磁电流的上升速度即可判定转子绕组是否发生了匝间短路故障。

2 数值仿真

2.1 仿真模型搭建及参数设置

为了验证上述方法的有效性，本文以一台QFSN-300-2型汽轮发电机作为研究对象，采用Maxwell软件建立该发电机的二维仿真模型，通过有限元工具计算励磁电流上述速度与RWISC程度间的关系。该发电机的基本参数见表1，所建立的发电机2维模型见图4。

图4 QFSN-300-2型汽轮发电机几何模型Fig.4 Geometry model of QFSN-300-2 type turbine generator

表1 QFSN-300-2型汽轮发电机参数Table 1 Parameters of QFSN-300-2 type turbine generator

影响仿真结果的关键因素是转子的阻尼系统，汽轮发电机的阻尼系统是由各转子槽内的铝合金槽楔与转子大齿上的阻尼铜条在端部通过梳齿环短接共同构成的。本文依据实际情况在Maxwell中建立转子阻尼模型，如图5所示。图中转子槽楔选用铝合金材料，阻尼材料的电导率设置见表2。

表2 转子阻尼材料的电导率Table 2 Electrical conductivity of rotor damping materials

为了完成励磁阶跃，需要用开关控制励磁电压的施加。因此，将用Maxwell软件搭建好的发电机模型导入Simplorer软件中，搭建发电机的外围电路及控制部分，进行场路耦合联合仿真，仿真系统结构见图6。

图5 阻尼系统基本构成图Fig.5 Basic structure of damped system

图6 Simplorer电路原理图Fig.6 Schematic diagram of simplorer circuit

在联合仿真模型中设置发电机机械输入端施加0 r/min转速，机械输出端口接地，定子绕组接无穷大负载(相当于开路)。励磁阶跃试验应保证转子绕组的安全性，不能出现过流，励磁电流上升至稳态时不应使主磁场出现过饱和。本文在转子绕组两端施加100 V阶跃电压。

2.2 变因素下励磁阶跃法的有效性仿真

1)短路程度的影响。

汽轮发电机轻微RWISC故障的检测难度最大，因此，仿真首先设置了转子1号槽绕组未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到励磁电流在各种轻微短路程度下的上升曲线，如图5所示。

由图7可知，在RWISC故障后，励磁电流上升速度明显快于未短路时的励磁电流上升速度，短路匝数越多，励磁电流上升速度越快。图8为各短路状态下励磁电流相对于绕组正常时的偏差情况。

图7 1号槽短路时励磁电流上升曲线Fig.7 Excitation current rising curve when a short circuit exists in No.1 slot

由图8可知：当汽轮发电机出现RWISC故障后，在相同的时间点，励磁电流相对于正常情况出现了明显的偏差。在励磁阶跃的初始阶段(0～0.2 s)，励磁电流的偏差最大，但不能体现短路程度，在后期(0.2～1 s)，励磁电流相对于正常值的偏差开始与短路程度趋于一致。这样，通过实测发电机励磁电流的上升速度，将其与同条件下的历史测试值比较，当励磁电流上升速度明显变快时即可判断发电机转子绕组发生了匝间短路故障。

图9为转子大齿附近位置的阻尼铜条电流随短路程度的变化规律。可以看到，阻尼电流在短路发生后略有增大，但增大幅度并不十分显著。

图8 1号槽绕组短路时励磁电流上升速度的相对偏差Fig.8 Relative deviation of the rising speed of the exciting current when a short circuit exists in No.1 slot

图9 1号槽短路时阻尼电流Fig.9 Damping current when a short circuit exists in No.1 slot

图10为被短路转子绕组内部的电流，可以看到，对于轻微的1匝短路故障，被短路绕组内部的电流上升速度是非常快的，随着短路匝数增加，回路内电流的上升速率明显下降。该现象主要是因为被短路绕组的电抗参数与其匝数的平方正相关，被短路绕组的电阻值则与短路匝数正相关；因此，随着短路匝数的增加，其短路阻抗增大、时间常数增大，降低了回路内电流的上升速度。

在仿真结束时刻(1 s时)，发电机气隙主磁场的分布见图11。此时发电机励磁电流接近150 A，但气隙磁通密度值较小，最大值仅为0.12 T左右，这是因为阻尼绕组电流(图9)产生的反向磁场对主磁场起到抵消作用，使得主磁场偏弱。此外，同样是受阻尼磁场的影响，图11中正常极磁场的幅值与仿真1 s时刻的励磁电流(图9)并非成正比关系。从图11还可以看到，受匝间短路的影响，左侧磁极较绕组正常时明显偏弱，短路越严重，故障极磁场下降量越大。

图10 1号槽短路时被短路回路电流Fig.10 Current in short circuit loop when a short circuit exists in No.1 slot

图11 1 s时刻发电机气隙磁场Fig.11 Generator air-gap magnetic field at 1 second

2)短路位置的影响。

为了研究短路位置对励磁电流上升速度的影响，设置转子8号槽绕组未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到励磁电流在各种轻微短路程度下的上升曲线，见图12。

图12 8号槽短路时励磁电流上升曲线Fig.12 Excitation current rising curve when a short circuit exists in No.8 slot

图13为8号槽RWISC时的励磁电流相对于正常情况下的偏差。

图13 8号槽绕组短路时励磁电流上升速度的相对偏差Fig.13 Relative deviation of the rising speed of the exciting current when a short circuit exists in No.8 slot

通过将图13与图8比较发现：当短路发生在8号槽时，励磁电流在趋于稳定时与正常值的偏差更大，该现象可以通过转子绕组的基本结构来解释，见图14。

图14中，转子1号槽绕组靠近大齿(参照图4)，所覆盖的磁极面积小于8号槽所覆盖的面积，当两个槽发生同匝数的短路故障时，8号槽短路时穿过被短路绕组的总磁通量比1号槽的大，短路绕组感应的电动势更大，回路电流随之变大，见图15。因此，8号槽被短路绕组所产生的反向磁场对主磁场的抵消效果更好，等效电感更小，故8号槽短路时励磁回路的时间常数比1号槽短路的值小，励磁电流的上升速度更快。

图14 转子绕组分布示意图Fig.14 Schematic diagram of rotor winding distribution

图15 8号槽短路时被短路回路电流Fig.15 Current in short circuit loop when a short circuit exists in No.8 slot

图16为转子大齿位置的阻尼铜条电流曲线，与图9类似，阻尼电流受短路程度影响仍然不显著，且与1号槽短路相比，阻尼电流的大小十分接近，对短路位置并不敏感。

3)定子绕组并联支路的影响。

汽轮发电机转子绕组发生匝间短路后，气隙磁场将不对称，出现幅值增大的偶数(1对极)或分数次谐波(2对极)磁场。由于定子绕组普遍采用短距结构，每相绕组通常由并联的2条支路构成，如图17所示。两条支路间错开一定的角度，在励磁阶跃过程中，幅值渐增的偶数(1对极)或分数次谐波(2对极)磁场将在定子一相绕组的两条支路的感应不平衡电势，受此影响，并联回路内部将出现幅值渐增的环流。

图16 8号槽短路时阻尼电流曲线Fig.16 Damping current when a short circuit exists in No.8 slot

图17 定子绕组回路Fig.17 Stator winding circuit

图中：实线箭头表示定子支路电流的正方向；虚线箭头表示定子回路电流的正方向；①—③表示回路序号。

RWISC后，尽管定子绕组开路状态，对外无电流，但定子一相绕组的2条支路内部将出现环流，该环流可能对励磁电流的上升速度产生一定的影响。

图18和图19分别为转子1号槽短路和8号槽短路时定子一相绕组内部环流。转子绕组未短路时定子电流接近于零，短路发生后，定子电流在励磁阶跃阶段有明显的上升，并且随着短路匝数的增多，环流的增大幅度也变大，原因是短路程度越严重，主磁场中的偶次谐波(以2次为主)幅值越大，则定子一相绕组中两条支路中的环流也越大。图18的2次谐波环流明显大于图19的情况，这是因为1号槽绕组短路产生的空间偶次谐波磁场幅值更大。总体来看，该环流幅值较小，对励磁电流的上述速度基本不构成影响。

图18 1号槽短路定子一相绕组环流Fig.18 Circulation in a stator phase winding when a short circuit exists in No.1 slot

图19 8号槽短路定子一相绕组内部环流Fig.19 Circulation in a stator phase winding when a short circuit exists in No.8 slot

在仿真结束时刻(1 s时)，发电机气隙主磁场的分布见图20，该图与图11具有相似的特点，但8号槽绕组短路造成故障极磁场的下降量小于1号槽相同匝数的绕组情况，这表明：对于本仿真所用汽轮发电机，当短路匝数相同时，短路位置越靠近大齿，造成的磁场不对称程度越严重。

通过以上分析及仿真结果可知：在汽轮发电机励磁绕组上施加阶跃电压，根据励磁电流的上升速度就可以确定汽轮发电机是否发生了RWISC故障。

图20 1 s时刻发电机气隙磁场Fig.20 Generator air-gap magnetic field at 1second

3 可行性分析

通过以上分析及仿真结果可知：在汽轮发电机励磁绕组上施加阶跃电压，根据励磁电流的上升速度就可以确定汽轮发电机是否发生了RWISC故障。然而，本方法应用过程中有些问题需要注意：

1)阶跃电源选择以及阶跃电压的确定问题。励磁阶跃法需要保持施加在励磁绕组上的电压不变；因此，需要选择恒压源，应选择内阻很小的蓄电池或高品质的开关电源。阶跃电压的选择应参照发电机的空载额定电压，一般确定电源电压为发电机空载额定电压的1/5以下即可。这样，可以避免升励磁过程中可能出现的过流和铁心饱和等问题，同时也降低了恒压源的电压等级和功率，更便于选择设备，缩减体积。

2)施加阶跃时长及励磁电流上限的确定。励磁绕组的等效电感远大于其等效电阻值；因此，当给发电机的励磁绕组施加阶跃电压的时候，励磁电流的上升速度较慢。鉴于RWISC故障在施加阶跃初期已经可以通过励磁电流上升速度进行判断，因此不需要等到励磁电流达到稳态即可切断阶跃电源。切断电源的时间点应综合考虑诊断效果和阶跃电源的容量来确定。可以将实时的励磁电流值作为跳闸断电的依据，实行自动跳闸。

3)跳闸瞬间操作过电压问题的解决。在施加阶跃电压后，励磁电流开始增加，这是发电机磁场开始储能，断开电源瞬间励磁回路将产生操作过电压。为避免这一问题，可以在断开电源前瞬间在励磁回路端口并联一个电阻(类似发电机的灭磁电阻)，将使得磁场储能通过该电阻逐渐消耗。

4)励磁电流采集。给励磁绕组施加阶跃性质的电源时，励磁电流是缓慢上升的，传统的电流互感器无法准确采集该励磁电流；因此，应将采样电阻串入回路中，采样电阻的阻值应尽量小，以降低对励磁回路阻抗参数的影响，采样电阻的耐受电流值应大于实验的最大励磁电流值。

5)诊断方法的产品化。开发基于励磁阶跃法的RWISC故障自动诊断装置，设备内部包含恒压源、自动投切开关、灭磁电阻、采样电阻以及数据采集器等设备，具有数据采集、历史数据调用、智能分析和诊断等功能，则该方法的应用将较为方便，具有测试速度快、准确度高等优点，与同类方法对比具有一定的优势。

4 结 论

本文提出了一种基于励磁阶跃的新型离线检测方法，通过数值仿真进行了验证，得到以下结论：

1)当汽轮发电机发生RWISC故障后，在转子绕组两端施加阶跃电压时，励磁电流的上升速度明显快于未短路时的上升速度，短路匝数越多，励磁电流上升速度越快。

2)励磁电流的上升速度还与短路位置有关。相同的短路匝数情况下，短路位置越靠近大齿，励磁电流的上升速度越慢，反之，励磁电流的上升速度越快。

3)励磁电流的上升速度对RWISC故障有灵敏的反映；因此可将励磁阶跃法作为RWISC故障的常规检测方法使用，通过开发智能诊断设备将提升该方法应用的便利性。

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(编辑：张 楠)

Diagnosisofinter-turnshortcircuitfaultinrotorwindingofturbogeneratorusingexcitationstepmethod

WU Yu-cai1，WANG Yi-xian1，XU Qian-jie1，XU Jian2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou 350003,China)

Fast and accurate detection of rotor winding inter turn short circuit fault can shorten the processing time and reduce the cost.Influence of inter-turn short circuit in excitation circuit on transient impedance parameter was analyzed,and it was predicted that,under the action of step voltage,the rise speed of the excitation current will become faster when inter turn short circuit occurs in generator rotor winding.In order to verify the assumption,a simulation model of a 300 WM turbine generator was established using a finite element analysis software,the excitation current rising speeds under the step excitation voltage were compared considering the variation of short circuit level and position,at the same time,the variation of the currents in the short-circuit loop,the damping loop and the stator winding parallel branches were studied.The simulation results verified the correctness of the theoretical analysis.A new detection method was proposed for rotor winding inter-turn short circuit fault in turbo generator.

short circuit of field windings; Ansoft; step voltage; exciting current; rising speed; off-line detection

10.15938/j.emc.2017.09.004

TM 311

:A

:1007-449X(2017)09-0022-09

2016-09-29

河北省自然科学基金(E2016502031)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2017MS106)

武玉才(1982—)，男，博士，副教授，研究方向为大型发电机状态监测与故障诊断；王逸仙(1990—)，女，硕士，研究方向为大型发电机状态监测与故障诊断；徐乾杰(1992—)，男，硕士，研究方向为大型发电机状态监测与故障诊断；徐 剑(1980—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电网设备状态评价和分析诊断。

武玉才