在線檢測汽輪發電機轉子匝間短路故障方法研究

　　摘要：
　　
　　0引言
　　
　　轉子線圈匝間短路故障是發電機常發生的故障之一，由于對機組正常運行影響不大或故障特征不明顯，經常被忽略，但長期運行下去，匝間短路故障會導致轉子線圈1點甚至2點接地，而且發電機長期運行在故障狀態也會對其壽命產生影響，導致惡性事故的發生，因此進行匝間短路故障早期預報是十分必要的。目前，國家標準制定了檢測轉子線圈匝間短路故障的方法：測量轉子靜態下交流阻抗和轉子動態下氣隙線圈探測。第1種方法是離線檢測，第2種方法在發電機空載和三相短路時效果較明顯，而在發電機正常運行時，由于電樞反應，效果受到影響。為了克服其不足，本文對汽輪發電機轉子線圈匝間短路的故障機理進行了深入分析，確定了故障征兆，找到了一種根據發電機已有的在線電氣監測數據進行轉子匝間短路故障診斷的方法。
　　
　　1發電機轉子線圈匝間短路故障機理分析
　　
　　1．1故障原因
　　
　　汽輪發電機轉子結構復雜，處于高速運轉狀態，且受非常大的電磁力及機械力作用，匝間短路故障可以說是一種比較常見的故障，發生這種故障的主要原因有：
　　
　　a．發電機啟、停時的離心力或負荷變化所引起的熱脹冷縮，使轉子線圈發生位移、變形或局部絕緣損壞，造成匝間短路，尤其對調峰運行的發電機，更應引起注意。
　　
　　b．檢修或運行時，在轉子繞組的通風槽內落入異物，造成轉子線圈匝間短路。
　　
　　c．制造質量較差，轉子線圈有毛刺或留有異物顆粒等，都可能在運行中導致轉子線圈匝間短路。
　　
　　雖然發電機在輕微轉子匝間短路故障時仍可在一定條件下堅持運行，但當發展到一定程度時，會因匝間短路，減弱發電機有效磁場，在同樣運行工況下需要較大的勵磁電流，甚至可能因此而降低發電機的出力，或由于不對稱短路導致振動加劇。此外，短路點處的局部過熱可能使故障進一步擴大為轉子繞組接地故障[1]。
　　
　　1．2轉子匝間短路電磁特性分析某熱電廠QFNS-200-2型發電機由于第1、第2線圈未墊絕緣片，導致轉子線圈匝間短路故障，進行測量轉子靜態下交流阻抗及功率損耗試驗，整體繞組交流阻抗及功率損耗測量值見表1。原因在于在匝間短路時，在交流電壓作用下，流經短路線圈中的短路電流比正常線圈中的電流大，并有強烈的去磁作用，導致轉子整體繞組交流阻抗下降，功率損耗增加，從而在發電機并網運行時，限制了發電機無功出力[1,2]。　　當發電機正常運行時，氣隙磁勢在載流導體處發生跳躍，轉子磁勢的空間分布應為階梯形，可以近似認為是梯形，但當故障發生時，有短路匝的磁極的磁勢產生局部損失，磁勢峰值和平均值減小，因此匝間短路時可以認為是退磁的磁勢分布，即短路等效磁勢反向作用在有短路的磁極主磁場的磁勢上?？傊D子的短路效應會導致磁場相對減弱。在正常條件下，如果轉子繞組磁勢用F。表示，短路線匝產生的磁勢用△F表示，則匝間短路發生后轉子磁勢變為F＝Fo-△F。因此，轉子匝間短路雖然引起轉子電流的增大，但無功卻相對減小，這可作為識別轉子發生匝間短路故障的一個明顯的特征[3,4]。
　　
　　從文獻[5]提供的SQF-1OO-2型發電機轉子線圈匝間短路故障的監測數據，證實了轉子線圈匝間短路故障引起無功相對減小的論斷。
　　
　　1．3故障診斷數學模型
　　
　　在分析發電機磁場時，往往認為磁場是不飽和的，磁通勢全部消耗在氣隙中。在發電機不飽和時，發電機鐵心處在B-H曲線的直線部分，發電機的勵磁電流和空載電壓的關系也處于線性段，這時的鐵心磁阻較小，相對于氣隙磁阻來說，或可以忽略，或可按鐵心磁阻與氣隙磁阻的比值將氣隙放大，或按實驗的空載特性線性段來加大氣隙長度。當發電機運行在進相狀態時，磁場也是不飽和的，這種情況的匝間短路故障診斷方法可見文獻[3]，但是發電機通常運行在正常勵磁或過勵狀態，氣隙磁場處于飽和狀態，這時鐵心磁阻的作用明顯增強，文獻[3]提出的轉子線圈匝間短路故障診斷數學模型會產生較大誤差，本文提出了一種考慮飽和影響的方法。
　　
　　發電機并網帶負載運行時，其氣隙磁場幾由勵磁磁動勢Fδ和電樞反應磁動勢Fa共同建立，Ff+Fa=Fδ，即Ff＝Fδ-Fa。因此，發電機勵磁電流包括兩部分：一部分建立氣隙磁場勵磁電流ifo，另一部分抵消電樞反應磁場的等效勵磁電流ifao。ifo為發電機空載特性曲線上Eδ所對應的勵磁電流，ifa可由負載電流產生的電樞反應磁動勢換算為等效勵磁磁動勢kaFa求得，其中ka為換算系數。
　　
　　圖1是發電機正常運行條件下調節勵磁電流時的發電機氣隙電勢及電樞電流變化的相量圖，漏磁場不受飽和的影響。　　
　　2診斷算例
　　
　　在已知電壓、電流、無功等電氣狀態監測量的條件下，利用上述公式計算發電機正常狀態（良好狀態）下的勵磁電流if，這個計算的勵磁電流就是*時的勵磁電流。采用山東某發電廠QFSN-300-2水氫氫汽輪發電機進行驗證，發電機參數為：xδ＝0．117，ω1＝9，ωf＝80，kω1＝0．921，ka=1．05。發電機電氣狀態監測量在線記錄數據及計算結果如表2所示。
　　
　　表2是QFSN-300-2型發電機正常運行狀態時計算的α，分雖是0.7%和0.9%。表3是SQF100-2型汽輪機發生匝間短路故障（轉子繞組勵側第18糟短路13匝及汽側第7糟短路2匝）的α，分別是7.2%，9.0%和4.0%。　　
　　3結束
　　
　　本文分析了汽輪發電機發生轉子繞組匝間短路時發生勵磁電流增加而無功卻相對減小的故障特征，并在考慮發電機鐵心磁場飽的條件下，建立了轉子線圈匝間短路故障診斷數學模型，計算匝間短路對無功輸出的影響，進而建立在線識別轉子匝間短路故障的判據，并采用現專長匝間短路故障記錄數據加以驗證。