浅谈发电机转子匝间故障在线监测新方法

郑雷

摘要：本文主要针对发电机转子匝间故障监测问题进行分析。阐述了发电机转子匝间故障监测的目的及意义，对发电机转子匝间故障原因进行分析，其中就谐波算法问题进行详细分析。并根据现行主流的谐波算法模式，对其进行了整体的简化改进。

关键词：转子匝间故障;在线监测;谐波算法

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）11-0212-02

1 发电机转子匝间故障监测的目的及意义

发电机转子匝间故障主要是指转子匝间出现短路故障，其中汽轮发电机出现转子匝间短路这一电气故障的比例相对更高。这一故障看似不会直接影响发电机的正常运转，但从长远角度看，其作为发电机运行时出现的电气故障，同样会使得发电机处于非正常运行状态，继而影响发电机运作效率。如果转子匝间短路不能及时得到解决，也会引起励磁电流增大，转子振动异常等较为严重的不良后果。因此，每时每刻全面的对发电机转子匝间故障进行监测能够有效提高发电机组整体稳定性。

2 发电机转子匝间故障类型及其原因总结

发电机出现转子绕组匝间短路故障的类型和原因不尽相同，在这里根据发电机类型不同可以将转子匝间故障大致分为水轮发电机转子匝间短路故障以及汽轮发电机转子匝间短路故障，本文着重分析情况更加普遍的汽轮发电机转子匝间短路故障。其次，运行时异常导致的短路故障，如发电机运行环境起伏变化，导致转子绕组在高速运作时受到过多可能会影响绕组位置或硬件质量的动态应力。或由于不正确的人为操作，如突然开启冷态运作状态，导致的转子电流激增。

3 发电机转子匝间故障监测方法现状分析

我国大型发电机转子匝间故障监测主要采用离线监测方式，采用直流电阻法，开口变压器法以及交流阻抗功率损耗法等，这一类离线监测方法在我国近十年来得到了广泛应用，方法应用经验丰富，同时监测成本也相对较低。但是这一类离线监测方法，大都需要在发电机在静态下进行数据收集，对于动态原因引起的转子匝间运行时短路故障的监测不够准确全面。近两年来，我国发电机转子匝间故障监测一般采用在线监测方式，常见的通过重复脉冲法，布置探测线圈或导体以及机组振动数据分析等方法，进行实时的动态的全面的短路故障监测。

4 发电机转子匝间故障谐波电流在线监测方法分析

转子绕组匝间故障时，无论是动态或静态的故障，其实际上都会出现定子绕组分支电流不协调的出现谐波环流。具体的谐波频次与发电机的极对数P相关，可以把谐波频次分为1/P，2/P，3/P等。因此，对各次谐波数据进行分析对比，能够准确全面的对转子绕组匝间短路故障进行监测。同时，根据谐波数据细节的变化规律，能够更加准确的推测和分析引发故障的原因，以方便发电机的日常检修工作。

4.1 全周波傅氏算法计算各次谐波

发电机运行的转子绕组周期性稳定状态波形，可以根据周期规律分为基波和各次谐波。对于即存在非周期状况又包括周期状况的波形，可以将其当作数据窗截取延迟后的周期波形。在此理解基础上，利用运算方式相当细节的全周波傅氏计算法，用傅里叶级数对周期函数进行细节分析。

4.2 带通滤波算法计算特定谐波

如上文所述，针对部分极对数较多的发电机，采用全周波傅氏计算方法计算谐波会出现新的运算量超标的问题。针对这一情况，可以采用带通滤波算法对于极对数较多的发电机组进行针对处理。而从全部的谐波分量中选出几个或一个较为特殊的有进一步监测价值的谐波分量的这一过程就需要用到带通滤波算法来筛选谐波分量，然后在对剩下的有效谐波分量数据进行进一步计算分析。具體流程图如图1所示。

以三峡水轮发电机组为例，首先，利用MATLAB fdatool工具设计带通滤波器，如图2所示。

其次，根据设计配置带通滤波器，同时根据带通滤波器设计参数及公式，获取输入信号从过滤器中经过的瞬时值。最后，根据这一公式得到有用的监测数据值。经过这一计算过程，就能使后续的运算量显著减少。但是，如果考虑三相电流等复杂机组动态运行状况，该算法也不够灵活和准确。

4.3 算法简化改进

针对以上两种谐波分量数据算法的明显短板，可以尝试通过两种算法相结合的方式，通过谐波分量特征，排除基波、高频次谐波以后剩下的各次谐波都是转子匝间故障的特征量。根据这一认知原则，可以把各次谐波的计算过程转变为总的能够准确反映转子匝间故障特征量的谐波分量数据计算。

5 结语

本文通过重点分析发电机转子匝间故障在线监测的谐波电流方法，就全周波傅氏算法对1/P，2/P，3/P等各次谐波的计算方式，以及带通滤波算法滤除不需要的谐波量的计算方式。同时，针对机组较多或极对数较多的发电机组，采用谐波电流方法检测转子匝间故障，往往存在运算量过大导致出现DSP超运算负荷的这一风险情况。对谐波算法进行了简化改进。由于篇幅有限，本文对于谐波算法的相关分析，仅建立在理论层面的数据分析，并没有结合实际的实验验证。期望本文的研究能够为其他相关实验类研究课题提供一定的理论参考。

参考文献

[1]赖劼.发电机转子绝缘状态在线监测系统的研究与设计[J].中原工学院学报，2018，29（03）：66-70.

A new method for on-line Monitoring of Generator rotor Turn-to-turn Fault

ZHENG Lei

（Nanjing Nanrui Jibao Electric Co.， Ltd.， Nanjing Jiangsu  211102）

Abstract：This paper mainly analyzes the problem of generator rotor turn-to-turn fault monitoring. The purpose and significance of generator rotor turn-to-turn fault monitoring are expounded， and the causes of generator rotor turn-to-turn fault are analyzed. The harmonic algorithm problem is analyzed in detail. According to the current mainstream harmonic algorithm mode， the overall simplified and improved.

Key words：rotor turn-to-turn fault; online monitoring; harmonic algorithm