在线检测汽轮发电机转子匝间短路故障方法研究

　　摘要：
　　
　　0引言
　　
　　转子线圈匝间短路故障是发电机常发生的故障之一，由于对机组正常运行影响不大或故障特征不明显，经常被忽略，但长期运行下去，匝间短路故障会导致转子线圈1点甚至2点接地，而且发电机长期运行在故障状态也会对其寿命产生影响，导致恶性事故的发生，因此进行匝间短路故障早期预报是十分必要的。目前，国家标准制定了检测转子线圈匝间短路故障的方法：测量转子静态下交流阻抗和转子动态下气隙线圈探测。第1种方法是离线检测，第2种方法在发电机空载和三相短路时效果较明显，而在发电机正常运行时，由于电枢反应，效果受到影响。为了克服其不足，本文对汽轮发电机转子线圈匝间短路的故障机理进行了深入分析，确定了故障征兆，找到了一种根据发电机已有的在线电气监测数据进行转子匝间短路故障诊断的方法。
　　
　　1发电机转子线圈匝间短路故障机理分析
　　
　　1．1故障原因
　　
　　汽轮发电机转子结构复杂，处于高速运转状态，且受非常大的电磁力及机械力作用，匝间短路故障可以说是一种比较常见的故障，发生这种故障的主要原因有：
　　
　　a．发电机启、停时的离心力或负荷变化所引起的热胀冷缩，使转子线圈发生位移、变形或局部绝缘损坏，造成匝间短路，尤其对调峰运行的发电机，更应引起注意。
　　
　　b．检修或运行时，在转子绕组的通风槽内落入异物，造成转子线圈匝间短路。
　　
　　c．制造质量较差，转子线圈有毛刺或留有异物颗粒等，都可能在运行中导致转子线圈匝间短路。
　　
　　虽然发电机在轻微转子匝间短路故障时仍可在一定条件下坚持运行，但当发展到一定程度时，会因匝间短路，减弱发电机有效磁场，在同样运行工况下需要较大的励磁电流，甚至可能因此而降低发电机的出力，或由于不对称短路导致振动加剧。此外，短路点处的局部过热可能使故障进一步扩大为转子绕组接地故障[1]。
　　
　　1．2转子匝间短路电磁特性分析某热电厂QFNS-200-2型发电机由于第1、第2线圈未垫绝缘片，导致转子线圈匝间短路故障，进行测量转子静态下交流阻抗及功率损耗试验，整体绕组交流阻抗及功率损耗测量值见表1。原因在于在匝间短路时，在交流电压作用下，流经短路线圈中的短路电流比正常线圈中的电流大，并有强烈的去磁作用，导致转子整体绕组交流阻抗下降，功率损耗增加，从而在发电机并网运行时，限制了发电机无功出力[1,2]。　　当发电机正常运行时，气隙磁势在载流导体处发生跳跃，转子磁势的空间分布应为阶梯形，可以近似认为是梯形，但当故障发生时，有短路匝的磁极的磁势产生局部损失，磁势峰值和平均值减小，因此匝间短路时可以认为是退磁的磁势分布，即短路等效磁势反向作用在有短路的磁极主磁场的磁势上。总之，转子的短路效应会导致磁场相对减弱。在正常条件下，如果转子绕组磁势用F。表示，短路线匝产生的磁势用△F表示，则匝间短路发生后转子磁势变为F＝Fo-△F。因此，转子匝间短路虽然引起转子电流的增大，但无功却相对减小，这可作为识别转子发生匝间短路故障的一个明显的特征[3,4]。
　　
　　从文献[5]提供的SQF-1OO-2型发电机转子线圈匝间短路故障的监测数据，证实了转子线圈匝间短路故障引起无功相对减小的论断。
　　
　　1．3故障诊断数学模型
　　
　　在分析发电机磁场时，往往认为磁场是不饱和的，磁通势全部消耗在气隙中。在发电机不饱和时，发电机铁心处在B-H曲线的直线部分，发电机的励磁电流和空载电压的关系也处于线性段，这时的铁心磁阻较小，相对于气隙磁阻来说，或可以忽略，或可按铁心磁阻与气隙磁阻的比值将气隙放大，或按实验的空载特性线性段来加大气隙长度。当发电机运行在进相状态时，磁场也是不饱和的，这种情况的匝间短路故障诊断方法可见文献[3]，但是发电机通常运行在正常励磁或过励状态，气隙磁场处于饱和状态，这时铁心磁阻的作用明显增强，文献[3]提出的转子线圈匝间短路故障诊断数学模型会产生较大误差，本文提出了一种考虑饱和影响的方法。
　　
　　发电机并网带负载运行时，其气隙磁场几由励磁磁动势Fδ和电枢反应磁动势Fa共同建立，Ff+Fa=Fδ，即Ff＝Fδ-Fa。因此，发电机励磁电流包括两部分：一部分建立气隙磁场励磁电流ifo，另一部分抵消电枢反应磁场的等效励磁电流ifao。ifo为发电机空载特性曲线上Eδ所对应的励磁电流，ifa可由负载电流产生的电枢反应磁动势换算为等效励磁磁动势kaFa求得，其中ka为换算系数。
　　
　　图1是发电机正常运行条件下调节励磁电流时的发电机气隙电势及电枢电流变化的相量图，漏磁场不受饱和的影响。　　
　　2诊断算例
　　
　　在已知电压、电流、无功等电气状态监测量的条件下，利用上述公式计算发电机正常状态（良好状态）下的励磁电流if，这个计算的励磁电流就是*时的励磁电流。采用山东某发电厂QFSN-300-2水氢氢汽轮发电机进行验证，发电机参数为：xδ＝0．117，ω1＝9，ωf＝80，kω1＝0．921，ka=1．05。发电机电气状态监测量在线记录数据及计算结果如表2所示。
　　
　　表2是QFSN-300-2型发电机正常运行状态时计算的α，分虽是0.7%和0.9%。表3是SQF100-2型汽轮机发生匝间短路故障（转子绕组励侧第18糟短路13匝及汽侧第7糟短路2匝）的α，分别是7.2%，9.0%和4.0%。　　
　　3结束
　　
　　本文分析了汽轮发电机发生转子绕组匝间短路时发生励磁电流增加而无功却相对减小的故障特征，并在考虑发电机铁心磁场饱的条件下，建立了转子线圈匝间短路故障诊断数学模型，计算匝间短路对无功输出的影响，进而建立在线识别转子匝间短路故障的判据，并采用现专长匝间短路故障记录数据加以验证。