同步发电机穿心螺杆与定子铁心冲片短路故障的在线监测方法

武玉才，马倩倩，李永刚



同步发电机穿心螺杆与定子铁心冲片短路故障的在线监测方法

武玉才，马倩倩，李永刚

（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学电气工程学院)，河北 保定 071003）

同步电机的穿心螺杆与定子铁心冲片短路故障会严重威胁发电机组的安全运行。本文提出了基于穿心螺杆感应电压的同步发电机穿心螺杆与定子铁心冲片短路故障检测方法，分析了检测方法的基本原理。为验证该方法的有效性，以某核电厂一台TA1100-78型汽轮发电机（2对极）作为研究对象，对发电机空载和额定负载工况进行仿真，结果表明：发生穿心螺杆与定子铁心冲片短路时，检测方法的采样电压升高，可以根据电压值定位短路点位置，与理论分析结果一致，该方法实现了同步电机穿心螺杆与定子铁心冲片短路故障的在线检测。

定子铁心；穿心螺杆；短路；接地；对地电压；诊断

0 前言

同步发电机的定子铁心采用硅钢冲片叠装而成，为了防止铁心冲片在运行中发生位移和振动切割定子绕组绝缘，需要借助穿心螺杆向铁心冲片施加轴向压力，使铁心冲片紧固。在穿心螺杆与冲片之间设置了绝缘材料以防止两者短路引起局部涡流或环流造成过热损坏。然而，近年来发生了多起由于穿心螺杆过热引发的短路事故，个别事故中甚至造成了定子铁心被融化的恶劣后果，导致整个定子返厂处理，停机时间长，经济损失也十分严重[1,2]。这一问题已经引起了制造厂商及研究设计机构的高度重视，开发穿心螺杆绝缘异常故障的在线监测方法是避免铁心发生大面积融化的有效措施，对于降低故障损失具有重要意义[3,4]。

运行中的同步发电机处于完全封闭的状态，目前还无法在线测量穿心螺杆的绝缘情况，只能在大修期进行穿心螺杆的绝缘电阻测量实验，例如文献[5]介绍某水轮发电机大修期间进行穿心螺杆的绝缘测量时发现绝缘值不达标有105根，其中82根绝缘值在0.5MΩ以下，有11根绝缘值已经为零。穿心螺杆的绝缘出现问题，最直接的现象是导致绝缘破损处的定子铁心出现片间短路故障。目前对于发电机定子铁心冲片片间短路故障尚未实现在线监测，只能在发电机大修阶段进行离线测试，主要检测方法有两种，即：铁损试验法和ELCID。铁损试验法[6]是一种传统的定子铁心短路故障检测方法，该方法在发电机抽出转子后进行，在发电机定子铁心上缠绕大功率绝缘导线，并向导线中注入交流电流，该电流产生的磁场沿整个定子铁心闭合，磁场的周期性交变在铁心中产生发热损耗，当定子铁心存在局部片间短路故障时，该处的涡流损耗更大，发热量更高，用红外测温仪观察发电机内部的温度即可找到短路点。该方法只能观测到铁心表面的温度分布状况，定子铁心与穿心螺杆间的短路故障则无法有效反映出来，此外，试验设备电压、电流大，造价昂贵，还可能因试验导致故障进一步恶化。ELCID法[7]是由英国中心电力委员会研发出来，目前该技术权利由加拿大IRIS 电力公司持有。该方法利用便携式设备在发电机定子铁心相邻尺槽间产生交变的局部磁场，若定子铁心层间绝缘短路，将产生局部故障电流，该电流将被Chattock绕组线圈检测到。2004年度的 CIGRE会议中已确定ELCID能对定子铁心层间故障进行可靠和安全的检测，此方法已被电力行业广泛地采用。 然而，该方法也有明显的缺点，即只能发现定子齿槽部位的短路故障，对于穿心螺杆与铁心短路故障不能灵敏反映。综上所述，目前尽管有专门针对穿心螺杆绝缘故障或定子铁心短路故障的检测方法，但都属于离线检测方式，无法及时发现故障，可能导致故障的恶化，此外，大部分离线检测方法是无法发现穿心螺杆与铁心短路这样的深层短路故障的，因此，开发穿心螺杆与铁心短路故障的高灵敏度在线检测方法十分必要。

本文根据穿心螺杆与定子铁心短路故障的基本特征，提出将发电机内部的各穿心螺杆通过高阻值电阻接地，实时测量电阻两端的电压，以检测螺杆对地电流，当对地电流超过设定上限时判定穿心螺杆发生接地故障，为穿心螺杆与定子铁心短路故障提供早期预警。

1 同步发电机穿心螺杆与铁心短路故障简介

同步发电机的穿心螺杆与铁心之间设置了绝缘层，用来防止铁心与穿心螺杆之间发生短路，如图1所示。为了避免穿心螺杆在铁心端部通过压圈等结构形成短路且接地的笼型结构，穿心螺杆的端部也设置了绝缘垫，这样，同步发电机的全部穿心螺杆形成了空间圆柱体分布的结构，如图2所示。

图1 发电机定子铁心及穿心螺杆结构

图2 发电机的穿心螺杆

穿心螺杆的上述结构在一定程度上能减少穿心螺杆与铁心间发生短路的几率，但发电机运行过程中穿心螺杆的涡流损耗引起的温升是不可忽略的问题，可能导致绝缘层的快速老化和性能下降，造成短路故障，此外，铁心松动造成部分叠片切割绝缘层也是短路的重要诱因。同步发电机的定子铁心短路故障中，穿心螺杆与铁心间的短路故障占了比较大的比例，以某汽轮发电机为例，其定子铁心的损坏情况如图3所示。图3中，1、2、3三处铁心损坏均是穿心螺杆与铁心短路引起的，4处的大面积损坏的诱因也是穿心螺杆与铁心短路，融化的铁水的流淌导致了故障的扩大，仅5处的故障属于定子铁心槽部短路故障。

图3 某汽轮发电机定子铁心损坏情况

2 新检测方法的基本原理

同步发电机正常运行时，穿心螺杆处于“悬浮”状态。即使定子铁心叠片有一片与穿心螺杆发生短路，由于未形成回路，并不会产生环流，仅短路点的涡流略有增加，情况并不严重，但若短路点本身包含多片铁心，则在该处也将产生较大的涡流，促使故障点扩大，如图4所示。

图4 穿心螺杆与铁心一点短路示意图

一旦多处绝缘被破坏，则在穿心螺杆、定子铁心、背部定位筋之间形成了闭合回路，穿心螺杆位于主磁场中，运行时有较大的感应电压，感应电压在回路中产生了较大的环流，可以造成短路点的快速扩大，如图5所示。

图5 穿心螺杆与铁心二点短路示意图

从上述分析可知：无论穿心螺杆与定子铁心一处短路还是多处短路，都将对定子铁心构成威胁，因此，新的检测方法应能有效检测出穿心螺杆与定子铁心的一点短路，本文提出的穿心螺杆与定子铁心短路故障在线检测方法原理如图6所示。

图6中，在每个穿心螺杆的中间部位经过一个10000Ω+100Ω的电阻接地。当穿心螺杆与定子铁心无短路点时，无法形成闭合回路，接地电阻支路的电流为零；一旦穿心螺杆与定子铁心间出现短路点，构成了闭合回路，回路内有交变电势，则形成环流。由此可见，电阻回路是否有电流可以作为判断穿心螺杆与定子铁心有无短路点的依据。

图6 穿心螺杆与铁心短路故障检测方法示意图

同步发电机正常运行时，单根穿心螺杆感应的电压最大不会超过1000V，即使短路形成了闭合回路，由于回路内串入了10100Ω的电阻，回路电流将限制在0.1A以内，不会对定子铁心构成威胁。100Ω电阻为采样电阻，其两端直接连接电压采集设备（量程为±10V），实时采集其电压值，如图7所示。一旦该电压超过设定阈值，即可判定该穿心螺杆与定子铁心发生短路故障。

图7 穿心螺杆短路及测量原理图

3 数值仿真

为了验证新型检测方法的有效性，选择某核电厂一台TA1100-78型汽轮发电机（2对极）作为研究对象，完成空载和额定负载工况下的仿真验证，该机组的参数见表1。

建立的TA1100-78型汽轮发电机二维电磁场仿真模型如图8所示。

表1 TA1100-78型汽轮发电机参数

图8 TA1100-78型汽轮发电机二维仿真模型

为了检验新型诊断方法在各种工况下的有效性，仿真分为两种工况进行，即发电机空载运行和带额定负载运行。

发电机运行过程中，切割穿心螺杆的磁场是该处磁通密度的径向分量，因此，仿真获取发电机某穿心螺杆位置的径向磁场随时间变化规律，如图9所示。

图9 单旋转周期穿心螺杆处径向磁密

图10 单旋转周期穿心螺杆感应电压

穿心螺杆的感应电压为分布式电压，假定发电机穿心螺杆距离一端的1/4处在0.2s时刻与定子铁心间发生金属性短路故障，数据采集设备采集到的电压波形如图11所示（0.2s时刻对应图中的第1´104点）。

从图11可以看到：当穿心螺杆与定子铁心间未发生短路时，采样电阻两端电压为零；一旦穿心螺杆与定子铁心间发生短路，采样电阻两端电压立即上升，有显著的交流分量出现，因此，可以将该电压作为穿心螺杆与定子铁心短路故障的判据。

图11 采集电压波形

该交流电压的幅值与发电机运行工况、短路点位置等因素有关，特别是短路点位置，短路点越靠近穿心螺杆的中部，采集到的电压值越低，为了保证诊断的灵敏度，应对故障阈值进行适当设置，以发现靠近穿心螺杆中部的短路故障，针对本例，故障阈值可以设定为0.1V。

4 结论

本文根据同步发电机结构特点及穿心螺杆与铁心短路的基本特征，提出了一种新型穿心螺杆与铁心短路故障的在线监测方法，得出以下结论：

（1）同步发电机正常运行时，穿心螺杆切割发电机磁场感应交流电压，其波形与螺杆处的径向磁密波形一致；

（2）通过测量穿心螺杆的对地电流可以反映穿心螺杆与定子铁心是否发生短路故障，采集电压的幅值能够反映出短路点的位置；

（3）通过在同步发电机穿心螺杆上引出接地线，就可以实现对穿心螺杆与铁心短路故障的在线监测，接地线可以在发电机制造或大修阶段安装，全部穿心螺杆的监测可以通过集总在端部的附加环状结构进行接线，实现起来并不复杂。

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A On-line Monitoring Method for The Short-circuit Fault between Piercing Screw and Stator Core Lamination in Synchronous Generator

WU Yucai, MA Qianqian, LI Yonggang

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(Dept. of Electrical Engineering, North China Electric Power University), Baoding 071003, China)

The short-circuit fault between piercing screw and stator core lamination in synchronous generator can seriously threaten the safe operation of generator set. This paper presented a method for detecting short circuit fault between piercing screw and stator core lamination of synchronous generator based on the induced voltage of piercing screw, and the basic principle of the detection method was analyzed. To verify the effectiveness of the method, a TA1100-78 type turbine generator (2 pairs of poles) in a nuclear power plant was chose as the research object, the no-load and rated load working condition of the generator is simulated, the results show that the sampling voltage of the detection method will rise when the short-circuit between the piercing screw and stator core lamination occurs, and the position of the short-circuit point can be located according to the voltage value, which is consistent with the theoretical analysis. The method realizes the on-line detection of the short-circuit fault between the piercing screw and stator core lamination of synchronous generator.

stator core; piercing screw; short circuit; grounding; voltage to earth; diagnosis

TM311

A

1000-3983(2018)05-0020-05

2018-06-20

武玉才（1982-），于2010年获得华北电力大学电机与电器专业工学博士学位，目前从事汽轮发电机状态监测与故障诊断技术研究，作为负责人承担国家自然科学基金青年基金课题“多目标框架下的发电机故障在线检测技术研究”一项，副教授。

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