（电气工程专业论文）基于重复脉冲法的汽轮发电机转子绕组匝间短路探测.pdf

华北电力大学【：程硕士学位论文摘要 摘要 同步发电机转子匝间短路是一种常见的电气故障，它将导致转子振动，甚至发 展为转子接地、转子绕组烧损、发电机失磁、发电机部件磁化等，危及电机和系统 的安全，因此分析转子匝间短路故障的机理和在线诊断方法具有重要的现实意义。 本文针对酒钢电厂二期工程3 # 发电机组，首先分析了转子结构、励磁绕组匝间 短路故障的常见形式和原因，然后深入讨论了重复脉冲法( r s o ) 的原理，并结合现场 实际情况，在3 # 机组上设计并进行了重复脉冲实验。根据实验所得的波形和数掘分析 验证了r s o 试验的原理。最后应用m a t l a b 中的神经网络工具箱建立了转子绕组匝间短 路探测的人工神经网络( a n n ) 模型，以实现对发电机转子绕组匝间短路的探测。 关键词：汽轮发电机，转子匝间短路，重复脉冲法( r s o ) ，人工神经网络( a n n ) a b s t r a c t t h ei n t e r - u l r i ls h o r tc i r c u i to fr o t o rw i n d i n gi so n eo ft h ec o m m o nf a u l t s w h e ni t l l a p p e n s ，i tw i l ll e a dt or o t o rv i b r a t i o n ，a n de v e nc a u s er o t o re a r t h e n , r o t o rw i n d i n gb u r n e d 0 u t , g e n e r a t o rl o s so fe x c i t a t i o n , g e n e r a t o rc o m p o n e n t sm a g n e t i z a t i o na n ds oo n ，t h a tw i l l e n d a n g e rt h es a f eo fg e n e r a t o ra n ds y s t e m s oi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h em e c h a n i s ma n do n l i n ed i a g n o s i sm e t h o do fi n t e r - t u r ns h o r tc i r e u i tf a u l to f r o t o rw i n d i n g a i m sa tt h eg e n e r a t o r3 撑i nj i u 9 4 n ge l e c t r i cp o w e rp l a n t w ea n a l y z et h er o t o rs t r u c t u r e a n dc o m m o nf o r ma n dc a u s eo fr o t o rw i n d i n gi n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i tf a u l t ，t h e nd i s c u s st h e t h e o r yo fr s 0d e e p l y , a n dw ed e s i g na n dc o n d u c tr s 0e x p e r i m e n to n3 拌g e n e r a t o ra c c o r d i n g t op r a c t i c a ls i t u a t i o n b a s e do nt h ew a v e f o t i n sa n dd a t a w ec e r t i f i c a r et h et h e o r yo fr s o e x p e r i m e n t f i n a l l y , i no r d e rt oi m p l e m e n tt h er o t o rw i n d i n gi n t e rt u r ns h o r tc i r c u i tf a u l t d e t e c t i o no fg e n e r a t o r , w es e tu pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) f o rt h et e s t i n go fg e n e r a t o r r o t o ri n t e rt 眦s h o r tc i r c u i tb a s e do nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k w o r k b o xo f 附l a b f a nt i a n m i n g d i r e c t e db yp r o f k e yw o r d s ：t u r b i n eg e n e r a t o r , r o t o ri n t e rt u r ns h o r tc i r c u i t , r e p e t i t i v es u r g eo s c i l l o s c o p e ( r s o ) ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于重复脉冲法的汽轮发电机转子绕 组匝间短路探测，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：煎墨盟 e l 期：丝z ：翌 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并 向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制 并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠 送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或 部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 花天碉 导师签名： 华北电力大学t 程硕士学位论文 第一章引言 1 1 汽轮发电机和转子绕组匝间短路概述 随着国民经济的持续发展，我国电力工业正处于大电网与大机组的发展阶段。至2 0 0 0 年末，即我国第九个国民经济发展计划，全国总装机容量已达4 4 亿k w ，其中，火电2 3 7 5 4 亿k w ，水电o 7 9 3 5 亿k w 。作为电力系统的心脏一发电机，随着单机容量的不断增大， 运行可靠性显得尤为重要和突出，一旦这样的机组发生故障特别是恶性故障，就会给电 力系统和国民经济带来巨大的经济损失。因此研制发电机在线监测与诊断系统显得十分 必要，其一可检测出在初始阶段出现的缺陷，以便有计划安排检修，从而减少强迫停机 次数，避免发生事故；其二可延长发电机平均无故障时间及缩短平均修理时间，从而降 低发电机的维护费用和提高发电机的可用性【l 】【2 l 【。 大型汽轮发电机的转子绕组经常会由于加工工艺的不良和运行中的各类机电作用的 影响造成匝与匝之间的接触，导致匝间短路故障的发生。转子匝间短路故障是发电机运 行中比较常见的故障，也是影响安全运行的主要原因之一。资料【1 】【2 】【3 】表明：在已运行 的大型汽轮发电机组中，发生转子线圈匝间短路故障占故障总数的比重较大，危害程度 为“严重”，故障发生频率为1 1 4 6 。大型发电厂中的大多数汽轮发电机都发生过或者 存在着转子线圈匝间短路故障的问题。山东省自1 9 9 3 年1 月1 9 9 8 年6 月发生了6 起 转子绕组匝间短路故障，轻微的匝间短路对发电机运行的不良影响较小，常常会导致发 电机的励磁电流升高、无功功率相对下降、轴承不平衡振动增加。一旦转子匝间短路的 严重程度增加，将会导致转子一点甚至两点接地故障的发生。使得转子大轴磁化，严重 者还将烧伤轴颈和轴瓦，对机组本身的安全稳定运行构成巨大威胁。沙岭子i # 3 0 0 m w 发 电机1 9 9 3 年4 月发生转子匝间短路接地，烧伤护环，将转子磁化，2 撑发电机于1 9 9 5 年 1 月也因匝间短路烧伤护环。鉴于上述原因，近年来，国内外的学者对转子匝间短路投 入了很大的关注，对发电机转子匝间短路故障的诊断研究也非常重视【4 l 。 1 2 国内外转子匝问短路故障诊断的研究现状 美、英、俄、德、加等国家对发电机转子绕组匝间短路故障都在进行广泛而深入的 研究，我国如清华大学、华中科技大学及东南大学等高校在这方面也做了大量的研究工 作，提出了一些分析方法，取得了一些具有一定理论意义和实用价值的研究成果。常见 的检测方法有： ( 1 ) 微分线圈动测法 这种方法最早是由美国的a l b d g h t 在1 9 7 1 年提出来的。它是将探测线圈装在定子铁 芯的空气隙表面，这样既可以测量磁通的径向分量，也可以测量磁通的切向分量。其基 华北电力人学1 ：程硕士学位论文 本原理是把发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后将此微分信号引入示波器进行分析。 由于不同的信号微分后的波形不一样，特别是正常和故障情况有很大的差别，所以对微 分波形进行分析即可诊断出转子绕组是否存在匝间短路故障，并准确显示出故障槽的位 置。 微分线圈动测法不受外部条件及匝间短路故障点在槽中位置的影响，可信度较高。 然而气隙线圈探测法只能在发电机空载和三相短路的情况下进行，在发电机带负载条件 下，由于电枢反应，探测效果并不明显，且检测准确度也较差。这种方法要求转予处于 旋转状态下测量，所以在转子安装前和半成品时不能采用，而且从已调研的资料发现， 国内绝大多数电厂现有及新设计的电机中，极少装有这种测量线圈，并且安装这种线圈 需要的停机时间也很长。 文【7 ，8 】在探测线圈法的基础上，把小波变换用于突变信号的检测，对气隙中感应电 势信号的故障特征进行提取和信号的消噪，可实现对发电机转子绕组匝间短路故障的检 测。 ( 2 ) 回复波检测法例“ 英国的j w w o o d 等学者提出给转子加阶跃脉冲测量其反射的回复波检测法。这种方 法也称作传输波分析法，是以行波理论为基础的。在转子绕组的两端同时施加矩形脉冲， 脉冲通过绕组后因电路元件变化( 如阻抗不匹配、绕组不对称) 而反射，通过测量并放 大反射脉冲之间的差异，即可产生特征信号。利用记录下来的特征信号和模糊神经网络， 不但可以检查出故障，而且还能准确地确定故障的位置。 回复波检测法的检测装置十分轻便，而且试验所需的时间很短。但是这种方法的最 大缺点是必须培训一个神经网络，而且脉冲必须能够很容易进入转子绕组，以检测相邻 绕组间的短路点。然后，收集有短路匝情况下的特征信号，向网络培训提供已知输入。 在转子处于正常运行时，由于容易损害电机并且拆卸费用较高，转子绕组并不能很方便 地进行短路试验，从而无法获得有效的培训数据【5 】。因此，回复波检测法虽然在理论上 可行，但是实现起来还有一定的困难，而且所需测量条件比较繁琐，所以在现场实际运 行检测中并不容易实现。 ( 3 ) 开口变压器法 单开口变压器法的测试原理是将转子置于定子膛外，由滑环通入交流电到绕组中， 在转子槽齿上便产生交变磁通。当线圈中存在或不存在匝间短路两种情况下，在开口变 压器线圈上所感应的电势的大小和电源电压之间的夹角是不同的。双开口变压器法是利 用电磁感应原理，将两个开口变压器置于转子本体同一线圈的对应槽齿上。故障时，由 短路匝产生的磁通对测量变压器起助磁作用，因此测量变压器的感应电势比槽内无匝间 短路时成倍增长。 单开口变压器法和双开口变压器法的缺点是均不能应用于转动状态下检测，需要在 2 华北电力大学j ：程硕+ 学位论文 停机抽出转子后才可以进行。 ( 4 ) 交流阻抗和功率损耗法“1 正常情况下，当转子旋转时，槽内线匝在离心力的作用下压向槽楔，既减少了线匝 在槽内的有效高度，又使槽楔与转子槽齿接触紧密，增强了阻尼效应，使得阻抗值随转 速升高而有规律下降。发生匝问短路故障时，对同一台机组相同状态下，阻抗值会发生 突变，而功率损耗则相对升高。 对于现场广泛采用的交流阻抗法，虽然具有简便、实用和较为灵敏的优点，也可以 在静态和动态下测量，但是交流阻抗法的测试结果受外部条件影响因素较多，检测方法 有很大的局限性：除了受到转子槽楔的材料及槽楔与槽壁接触的紧密程度的影响之外， 还受到转动状态下的定子附加损耗、转子本体剩磁、试验时施加电压的高低、试验电源 频率、波形的谐波分量等多种因素的影响，对判定较轻微的匝间短路故障有时不能获得 较准确结论，故不能作为判断匝间短路的主要依据。 ( 5 ) 直流电阻法 直流条件下，转子绕组电阻故障状态的测量值比正常状态的测量值明显偏低。 直流电阻法的缺点是灵敏度较低，只有在短路匝数较多时，直流电阻值才呈现明显 的变化。 ( 6 ) 空载及短路特性试验法 利用发电机空载和短路特性试验在正常或故障状态下所测参数值与特征曲线的不同 来判断是否发生转子绕组匝间短路故障。 空载与短路特性法对匝间短路故障的反映也不够灵敏，与直流电阻法相似，只有在 短路匝数较多时，特性曲线才有明显变化。 上述介绍的这些检测方法属于比较传统的检测方法，它们中的大多数都已经在现场 中应用了多年，并且积累了很多经验。但是由于大部分都不是在线检测或者受到其他因 素的干扰比较大，所以实际测试中得到的结果并不十分理想，而且检测的灵敏度也不高。 即使检测出故障以后，也无法一次性实现对故障槽的准确定位。 ( 7 )定子绕组并联支路环流特性分析 定子并联支路中是否会出现环流，只要分析各支路在相应的谐波磁场中能否获得同 大小、同相位的感应电势，也就是说，只要分析各支路在相应极对数谐波磁场空间中绕 组系数以及其支路轴线的相位关系。如果其绕组系统和相位均相同，则无环流，否则在 其并联支路间就会出现环流“”。发电机正常运行时，气隙磁场均匀对称，每相定子绕组 的两条并联支路参数也近似相等，各支路在相应的谐波磁场中获得同大小、同相位的感 应电势，支路间不存在环流。但当发生转子励磁绕组匝间短路故障时，情况则不同，文 【1 3 1 5 分析了转子匝间短路对大型发电机定子绕组电压不平衡及每相并联支路环流的影 响，得出转子匝间短路故障后，定子一相并联的两条支路之间存在着偶次谐波的环流， 华北电力人学工程硕士学位论文 其大小随短路严重程度上升。 ( 8 ) 转子轴电压特性分析 由于转子励磁绕组匝间短路引起气隙磁场不对称及磁场畸变，从而引起磁通脉动， 旋转的转轴切割这些脉动磁通，就会在两端产生感应电压，即轴电压。文 1 6 1 分析了转子 励磁绕组匝间短路故障时，由于发电机气隙磁场不对称引起的转子轴电压特性，并以一 2 对极、1 5 0 0 r p m 、3 0 k v a 的模拟发电机为例，分析得到短路将产生频率为1 0 0 h z 、2 0 0 h z 、 3 0 0 h z 的轴电压。 按照检测方法的适用工况，可将上述方法分为静止状态的检测方法、空转状态的检 测方法、并网带负荷状态的检测方法“”2 ”： ( 1 ) 静止状态的检测方法 这种检验匝间短路的方法适用于转子半成品工序及成品转子现场安装前交接试验的 检查。在转子半成品工序静态检查中，目前尚无十分可靠的检验方法，尤其是金属活动 异物及在离心力作用下绝缘产生的缺陷造成的短路故障，转子处于静止状态下还无法准 确查出。对于稳定的短路故障( 俗称“死接”) ，按以往的经验，采用两极电压法确定短路 槽，还是比较有效的。静态短路故障的检验方法及其特点可简单归纳如下表l - l ： 表1 - 1 静止状态下转子绕组匝间短路故障的检测方法 ( 2 ) 空转状态的检测方法 转子绕组匝间短路故障的动态检验是在额定转速下进行的，属于成品转予工序。经 过热失效、超速试验后，如果转子内部存有活动金属异物或绝缘缺陷的话，在强大的离 心力作用下，就会充分表现出来，这是静态检验所无法达到的。由于动态检验是成品转 子短路故障的最终检验，这对发电机组上网运行的可靠性关系重大。因此，成品转子的 动态检验历来受到发电机制造行业的重视，“隐极式同步发电机转子匝间短路判别方法” 对这一检验所采用的方法和判定限值都作出了严格的规定。动态短路故障的检验方法及 其特点如下表1 2 ： 4 华北电力大学工程硕士学位论文 表1 - 2 空转状态下转予绕组匝问短路故障的榆验方法 ( 3 ) 并网带负荷状态的检测方法 在生产实际中，由于运输单位重量限制等原因，大型汽轮发电机总是采用分体发送 的运输方式。按照标准的要求，除了曹台产品在厂内需做整机形式的试验外，成型产品 批量生产后，在厂内均不做整机试验。因此，本节介绍的方法是应用在现场整机装机后 的检验中。在此介绍这些方法是为了实现对运行中转子短路故障的在线诊断做一铺挚。 运行状态下转子匝间短路故障的检验方法及特点如下表1 - 3 。 表1 - 3 并网带负荷状态下转子匝间短路故障的检验方法 表中列出的检验方法是以往电站常用的方法，与电站实际要求尚有一定的差距。正 是由于这一原因，至今还没有形成完善统一的标准，通常情况下对于转子绕组匝间短路 故障的判断往往是凭借实际运行中的经验来判断。当存在明显匝间短路故障征兆的情况 下，通常是在机组检修过程中，使得发电机机组处于非正常的状态下来进行故障检验， 而无法实现运行中的实时在线检验。近年来，一些电站尝试使用气隙探测线圈法进行转 子绕组匝间短路故障的检测。虽然这种方法仍然是使机组处于非正常运行的状态，利用 示波器对比波形来分析判断，检验的准确度也比较差，而且这种方法在现场应用的经验 也尚少，但是毕竟是一种可贵的尝试。随着现场应用的增多，经验的不断积累，尤其是 专用的故障软件的编制和实现，转子绕组匝问短路故障的在线诊断识别和检测定会得 到完美的解决l ”。 按照转子励磁绕组匝间短路故障的研究方法大致可分为：解析计算法、试验研究法 华北电力大学工程硕士学位论文 和数字仿真法等。 ( 1 ) 解析计算法 解析计算法就是应用一些物理定律，列写出描述分析系统的运动方程式，然后运用 数学知识求解约束条件下的这组方程，从而获得所需分析结果的一种方法。由于所求结 果为解析表达式，形式简洁，计算工作量小：同时，由于它能够揭示内部故障物理过程 的内在规律，具有普遍性。所以，多年来许多学者一直在寻求发电机内部故障的解析计 算法。由于发电机转子绕组匝间短路故障时的电磁关系很复杂，现有的应用解析法求解 故障电量都对模型进行了大量的简化和近似，在此基础上得到的故障各分量的分析结果 与实际情况会有较大的误差。 ( 2 ) 试验研究法 试验研究法是研究发电机故障行为和校核继电保护装置的一种重要方法。但出于有 些发电机造价昂贵，所以从安全性、经济性和可行性等因素上考虑，该方法一般是在实 验室通过动模机组进行故障的动态模拟试验研究。试验法存在一些不足之处，如实验代 价较高、周期较长等。同时，由于转子绕组短路后故障电流很大，从试验机组的安全考 虑，试验的条件要求比较苛刻，般达不到实际电机的正常运行工况；由于转子绕组匝 问短路发生的部位的可变性，试验难以模拟不同位置的匝间短路故障，也给寻求转子绕 组匝间短路故障的特征规律带来了不便。虽然试验研究法存在这些缺点，但是它可以真 实地模拟影响电机故障特性分析的饱和、磁滞、涡流及阻尼等实际效应，可作为理论研 究的一种有益的补充。 ( 3 ) 数字仿真法 仿真是利用实际系统的物理模型或数学模型对该系统进行试验研究的过程。数字仿 真就是利用数字计算机作为工具对实际系统的数学模型进行求解分析的方法。数字仿真 过程可分为4 个步骤：实际系统的数学模型建立、仿真模型建立、编制和调试仿真程序、 仿真结果分析和验证。这种研究方法由于具有经济性、安全性、灵活性以及方便性等优 势，所以，近3 0 多年来国内外数字仿真技术发展很快，并得到广泛应用。根据数学模型 的建立方法，数字仿真可分为以下几种方法： 坐标变换法 在分析电机的各种不对称问题时，经典的坐标变换法获得了较为广泛的使用。其中， 对称分量变换应用于交流电机绕组不对称尤其是外部短路分析显示出了强大的优越性。 但该方法仅适用于研究电机的气隙磁场以空间基波为主、定子电流以时间基波为主的情 况。当发生转子绕组匝间短路时，谐波分量很大，此时会遇到电抗修正及相序网络之间 的耦合问题，给对称分量法带来极大的不便。双轴理论及其经典的p a r k 方程可用于分析 机端故障的同步电机。但这些方法通常适用于周期对称绕组，对于由于转子绕组匝间短 路故障而出现的绕组不对称问题，应用坐标变换方法需要做进一步的研究。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 相坐标法 建立在相坐标系上且以相绕组为基本分析单元的相坐标法可以较好地考虑绕组产生 的空间谐波磁场作用由于其参数是实际物理值，不必经过参数的复杂变换，对各种对 称的或非对称的正常或故障运行状况，都容易处理并得到一致的解答。但这种方法认为 发电机电抗仅与线圈匝数有关，而与线圈位置无关，这样做的结果是故障点可以任意移 动而不改变分析结果，实际上这是不严格的。 场路耦合法 将电机电磁场方程与电机和外部系统的联系方程直接耦合联立求解的场路耦合法， 能较好地考虑电机的几何结构、分布参数、铁磁材料的饱和以及涡流效应，可以深入了 解电机内部各点的电磁、发热、应力状态等，可用来研究电机运行性能如暂态和稳念过 程。但是，由于转子绕组发生匝间短路故障时，定子绕组电流中包含有周期和非周期2 种成分，因此，该电磁场必须由一个动态模型来描述，此时对由于定转子相对运动而引 起的运动边界问题需要特殊处理。同时，应用该方法时需要对整机区域的离散化方程进 行时步计算，此项工作非常复杂且费时。 多回路分析法 多回路理论是由我国学者高景德首次提出 2 0 l ，并将它成功地应用于发电机各类绕组 内部故障电量的计算以及保护方案灵敏度的分析中。多回路理论是以单个线圈元件为基 础来论述电机的基本电磁关系，根据所研究问题的需要，组成相应回路的电磁关系式， 在诸如转子不对称故障以及电机非j 下常运行等方面处理起来较为灵活。在回路分析法中 计算主电感的方法有两种：磁路磁导法和磁场数值法，而这两种方法都存在一定的缺陷。 磁路磁导法按基波主磁路将铁心磁阻归算到气隙中，对气隙谐波磁场作用影响较大的定 子绕组内部故障回路电感计算会造成一定的误差。磁场数值法对计算机硬件要求较高， 程序编制较复杂，所需的电机的参数也较多。 有限元法 近2 0 多年来，随着高速、大容量计算机的出现，电磁场理论的不断完善以及新型 计算技术的不断涌现，电机工作者在电机电磁场的研究中取得了一系列重要的研究成果， 解决了长期以来存在的许多理论和实际问题，同时也成功地应用到了汽轮发电机故障的 研究中。有限元分析是完全能够准确地考虑电机的饱和、涡流、气隙磁场谐波及转子运 动等问题。此外，电机复杂结构分布电容的影响也可借助电磁场的有限元分析得到较好 的解决。但由于在分析过程中要对空间即整个电机截面进行剖分和在时域进行时步离散 解算，对于大型的汽轮发电机，其耦合方程离散化后的方程组规模是相当巨大的，必须 充分考虑这组空间数值离散方程组的解算方法。另外，对于定转子相对运动引起的整机 有限元网格生成方法也需特殊考虑。 磁网络分析法 7 华北电力大学t ：程硕士学位论文 上述介绍的这些方法属于比较传统的分析方法，它们都各有利弊，有些可以对转子 绕组匝间短路故障进行分析，但不能确定到底是多少匝发生短路，到底是什么位置发生 了匝间短路。有些方法更是计算量过大，费时。因此找到一种简单、有效、实用的分析 方法非常必要。文【1 9 】基于磁网络法研究分析了转子励磁绕组匝闻短路故障，这种方法利 用电机的磁导( 或磁阻) 作为磁储能元件，以电机中磁通、磁势、磁阻作为基本变量， 不经过任何坐标变换来建立电机的内部关系和外部联系，实现汽轮发电机转予绕组匝间 短路故障的仿真分析。当把电机定、转子的每一个齿部、每一段轭部以及任意定、转子 间的气隙磁导都作为一个独立的磁导体单元，通过该磁导体单元的磁通作为独立变量时， 由于通过每个磁导体单元的磁通方向都假设为只有两个方向，因此，从实质上看，磁网 络模型是一种简化的有限元法，是介于传统的等效磁路法和有限元法之间的一种数值分 析方法，这种方法的计算单元总数比有限元法要少很多，比传统的等效磁路法要多一些。 因此，磁网络模型的计算精度要比有限元法低一些，但是磁网络模型正是牺牲了定的 计算精度换取了宝贵的计算时间，使得在短时间内能够进行反复计算，而这j 下是汽轮发 电机转子匝间短路故障仿真计算的基础。 1 3 本文主要工作 本文针对酒钢电厂3 # 发电机的现场实际情况，设计并在3 # 发电机上进行了转子绕 组匝间短路的重复脉冲试验，并建立了人工神经网络模型，主要涉及一下几个方面： ( 1 )详细分析大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障制造和运行方面的原因，并研究 故障发生后的征兆。 ( 2 )对本文所要采用的试验方法一一重复脉冲法( r s o ) 的原理进行了较深入的分析， 然后根据酒钢电厂3 # 发电机现场的实际情况，设计并进行了r s o 试验，并用便携式存储 示波器记录并存储了波形和数据。 ( 3 )在试验所得波形的基础上，分析并验证了r s o 试验原理的正确性。 ( 4 )在试验所得数据基础上，利用m a t l a b 软件初步建立了一个转子匝问短路的人工 神经网络( a n n ) 模型。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章汽轮发电机转子基本结构和绕组短路故障的成因 2 1 转子的基本结构 如图2 - 1 所示，转子总体上包括转轴( 包含转子本体) 、励磁绕组、槽绝缘、槽锲、 护环、中心环、阻尼绕组、转子绕组引线、风扇、滑环等。励磁绕组绕在轴的轴向槽内， 端部用护环固定，用中心环轴向固定，且在励磁绕组和转子本体开有径向通风槽，使冷 却用氢气流过。 汽轮发电机由于转速较高( 一般都是3 0 0 0 转分) ，为了很好地固定励磁绕组，大容 量的发电机几乎全做成隐极式转子。隐极式转子从外形来看，没有明显凸出的磁极，但 是在它的励磁绕组里通入直流电流后，转予的周围将会出现n 极和s 极的磁场。在较高 的转速下，受离心力的影响，转子直径的大小受到一定的限制。为了增大发电机的容量， 只能增加转子的长度。因此汽轮发电机的转子是一个细而长的圆柱体，如图2 - 1 。这样 的设计可以减少转子圆周上的线速度，避免转子上的部件由于高速旋转的离心作用而损 坏，造成重大的恶性事故”。 2 。2 转子本体 图2 - 1 汽轮发电机转子结构图 转子在真空中浇注成一整体，经复杂的热加工、冷加工、锻压成带轴的转子毛坯， 再经机械加工成为一整体转子，如图2 2 所示。励磁电流产生的磁场对定子铁心虽属交 变，但对转子本身则为不变，因而转子铁心无需用硅钢片叠合，而如上述采用整体实心 是合适的。 9 华北电力大学_ 丁程硕士学位论文 转子旋转时，转子中心所受机械应力最大，为了消除转子有害的内应力，提高转轴 机械强度，防止转轴可能出裂纹，常沿转轴的中心线膛一个中心孔，从中取出较粗的晶 粒进行检验。本机中心孔还用于将转子绕组引线通过它引向滑环。 为了嵌入转子绕组，沿转子表面铣有3 2 个轴向槽，从断面看呈辐射形分布在磁极的 两例，一边1 6 个。当转子表面铣出轴向槽后，磁极轴线上的大齿部分刚度显然比丌槽区 的刚度大。受自重影响，转子在水平与垂直两个方向的弯曲程度( 挠度) 不相同，转子每 转一周弯曲程度要变化两个周期。因而转子旋转时，转轴会发生双频振动，对大型细长 转子尤为明显。为此在大齿表面沿横向铣出若干个圆弧形月牙槽，见图2 - 2 ，使大齿区 域和小齿区域两个方向冈l i 庸相诉 2 ，3 转子绕组的结构 图2 - 2 转子本体 汽轮发电机根据容量的变化，转子采用的冷却方式有所不同。小容量的机组普遍采 用空冷方式。中等容量的机组有两种冷却方式，即水内冷和氢冷。两种方式转子槽形都 做成开口槽，以固定励磁绕组。目前国内外的大型机组则是采用氢冷方式。本课题研究 的对象是我国电力系统网上的主力机组，此类机组多为水氢冷汽轮发电机组，即定子绕 组采用水内冷，转子绕组则采用氢冷。 氢冷方式的发电机沿转子铁心表面全长铣有凹槽，在槽里放上励磁绕组，槽的排列 形状如图2 - 3 a 和2 3 b 所示。从图中可以看出，转子槽的形状有两种，一种为辐射形排 列，种是平行排列，我国生产的电机都采用辐射形槽。沿着转予外圈，占2 3 的表面 上均匀开的下线槽较多，那里槽与槽之间的部分较窄，叫小齿。在另外的占转子1 3 的 部分没有开下线槽，形成了大齿。转子大齿的中心线实际上就是磁极的中心。 1 0 华北电力人学：i ：程硕士学位论文 $移 a 辐射形排列b平行排列 图2 - 3 转子绕组槽的形状 大型汽轮发电机转子的磁极一般有两个，每个磁极占有一个槽，槽内由一2 个线圈 串联组成，每个线圈内又包含历匝，每匝由k 根含银扁铜线并联组成。转子绕组的各线 圈之间在端部连接起来构成整个绕组，这种绕组称为同心式绕组。转子的两极之间是由 绕线从端部串联连接形成”。其详细的转子绕组接线图如图2 - 4 所示。 八( 套) 汽端 八( 套) 8 七 七 五 五 765 43 2圈。3 02 92 82 72 62 52 42 32 22 12 01 91 8召。t d1 31 2i ll o a 极b 板 励端 图2 - 4 转子线圈接线图 氢冷方式的发电机转子线圈是用实心裸铜线连续绕制，然后再贴上或垫上匝间绝缘 形成。其绝缘为组合结构，即由槽衬垫条、槽绝缘、层间绝缘、冷却风道、空心导线、 楔下绝缘、转子槽楔等组合而成( 见图2 5 ) 。由于冷却通风的需要，在绕组、槽口挚块、 层间绝缘、槽楔上加工对应的孔组成风道( 见图2 - 6 ) 。这种结构的转子，由于风道的存 在，金属异物容易掉入转子绕组内部，形成短路故障。同时，由于绝缘结合部位多，高 速旋转时离心力的作用下，也很容易产生由于绝缘件的窜动、损坏而导致的匝间短路故 障的发生。 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 - 5 氢冷转予槽横截面 i 槽楔2 槽下绝缘3 。槽绝缘4 。导体5 匝闻绝缘6 槽衬垫条 图2 - 6 转予冷却风道 转子励磁绕组的引线部分固定是个很重要的问题。在槽里的导体用槽楔来压紧；端 部的导体之间需要通过垫块相互隔离，而端部的则要用护环来固定。励磁绕组通过装在 转子上的集电环与电刷装置才能和外面的直流电源构成回路。转子端部的连接及端部导 体之间垫块的嵌放可见图2 - 7 。 ( a ) 华北电力大学j ：程硕+ 学位论文 c b ) 图2 7 发电机转子绕组端部接线和垫块 转子绕组引线由径向导电螺钉、轴向导电杆及软引线组成( 见图2 - 8 所示) 。轴向导 电杆置于转轴中心孔内，借助励磁端部轴端侧的导电螺钉与集电环连接，而通过护环侧 的导电螺钉与软引线连接。软引线与转子绕组第1 号线圈的项匝铜线相连接。轴向导电 杆为铬青铜棒，与导电杆用管螺纹连接，与集电环或软引线则用铜合会连接并用螺钉紧 固。导电螺钉外圆周包绝缘，但是与密封圈相接触的一段外圆周表面不包绝缘，通过密 封结构和螺帽支承结构把导电螺钉牢固地紧固。 图2 - 8 转予引线结构 绕组端部的匝间绝缘可用垫入绝缘垫条的方法实现。转子绕组端部在轴上成型时， 在端部区域要装设下垫块。下垫块由干山毛榉木块组成，重复使用的下垫块是由胶合板 或层压布板制成。在下垫块表面上开有切口，用以放置过渡线匝，线圈之间的连线、止 挡、水冷却套管等等。 发电机在高速旋转时，转子端部线圈受着很大的离心力作用，护环就是用来固定线 华北电力大学工程硕士学位论文 圈端部位置的( 见图2 9 所示) 。由于护环的存在，使得转子运转时端部线圈不致被移动， 所以护环应该能够承受住很高的离心力即机械应力的作用。同时，还应考虑发电机端部 的杂散磁场在护环上引起的发热损耗。 图2 9 护环结构 如果转子大套线圈的端部焊点在焊接后未认真进行清理，或焊点附近的焊渣未经锉 磨平整，则机组运行后，在启停及加减负荷过程中，焊接部位会受到硌压及摩擦的损伤， 以致在运行电压下被击穿，从而形成匝间短路。因顶部线匝所受的离心力比底部大，所 以在运行中匝间绝缘垫条更易受磨压甚至被残留的焊渣硌破。 由于轻微的转子绕组匝间短路故障对机组正常运行的影响不大并且故障特征并不十 分明显，所以运行中此类故障经常被忽略。但是如果不对称的匝间短路长期运行下去， 就会导致转子线圈一点甚至两点接地故障的出现，引起大轴烧损，转子剧烈振动和转子 本体的严重磁化；而且发电机长期运行在故障状态会使转子电流显著增加，绕组温度升 高，对其寿命产生影响，导致恶性事故的发生；更严重的情况是一旦出现转子绕组匝间 短路，电机中便会出现气隙磁通波形的畸变，引起定子侧电压的不平衡，并在发电机的 定子两条并联支路间产生高次谐波环流，增强线圈的发热，影响发电机的无功出力，从 而引起机组振动等机械故障，最终出现轴电压升高，灼烧转子护环，发生机座及大轴磁 化并进而烧伤轴瓦和大轴的严重后果。 从转子绕组的结构和装设方法看，转子绕组匝间短路最易出现在端部的地方。这一 部位的固定系统和转子绕组本身由于承受强大的离心力，因而容易造成绕组的固定不牢， 垫块松动，从而直接导致端部匝间的短路。所以，在研究转子绕组匝间短路故障的问题 时，这部分的研究是比较重要的。 2 4 转子匝间短路故障的常见形式和原副” 造成汽轮发电机转子绕组匝间短路的因素有很多，不论在静止或者旋转状态下，由 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 于微小的疏忽或原因就会导致转子绕组匝自j 短路故障的发生。具体从静态和动态情况下 的原因简单概括如下： ( 1 ) 静态匝间短路：转子端部绕组固定不牢、垫块松动、匝间绝缘破损、窜位、导 条加工残存毛刺，端部拐角整形不好或者局部遗留褶皱或凹凸不平，匝自j 绝缘 垫片垫偏，金属异物进入。 ( 2 ) 动态匝间短路：运行中，由于大型汽轮发电机的转子所承受的机械方面和电气 方面的负荷都很高，特别是转予绕组和固定系统在高速旋转过程中要承受很大 的离心力和多种使它移位变形的动态应力，特别容易出现故障；发电机起、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：运行中在 转子绕组的通风孔内落入异物，造成转子线圈匝间短路。 匝间短路故障中，动态短路故障出现的频率比较高，造成的损失也很大，一旦出现 漏判、误判，后果不堪设想。所以这一类型的故障原因应该更为认真地分析和重视。 造成发电机转予绕组匝间短路故障的原因很多，按照制造和运行方面分析有如下原 因。 ( 一) 制造方面 ( 1 ) 转子端部绕组固定不牢，垫块松动。发电机运行中由于铜铁温差引起的绕组 相对位移，设计上未采取相应的有效措施。 ( 2 ) 绕组铜导线加工成形后不严格的倒角与毛刺；端部拐角整形不好和局部遗留摺 皱或凸凹不平；匝自j 绝缘垫片垫偏、漏垫或堵孔( 直接冷却的绕组通风孔) ；绕组导线的 焊接头和相邻两套线圈间的连接焊口整形不良；制造工艺粗糙留下的工艺性损伤；转予 护环内存加工后的金属切屑等异物。 ( 二) 运行方面 ( 1 ) 运行中高速旋转的转子绕组承受着离心力等多种使其移位变形的动态应力。 ( 2 ) 冷态起动机组，转子电流突增，由于铜铁温差使绕组铜线蠕变留下的残余塑 性变形和积累，导致匝间绝缘和对地绝缘的损伤。 ( 3 ) 多种原因导致的内冷转子绕组堵塞，造成局部严重过热，使匝问绝缘烧损。 由于上述设计制造方面的缺陷或运行检修工艺不当等原因，很容易使转子绕组发生 匝间短路故障并日趋严重。象转子绕组接地故障的分类一样，不随转子的转动状态和运 行工况而变化者，称稳定性匝间短路：随转子的转动状态或运行工况的改变而变化者、 称为不稳定或称为动态匝间短路。 华北电力大学j f 程硕士学位论文 第三章重复脉冲试验( r s o ) r s o 重复脉冲法( r e p e t i t i v es u r g eo s c i l l o s c o p e ) 可用于转子匝问短路的早期发现及短路 的故障定位。r s o 法是英国专家j w w o o d 提出的 4 1 。其试验基本过程是采用双脉冲信号发生 器对发电机转子两极同时施加一个前沿陡峭的冲击脉冲波，用双线录波器录得两组响应特性 曲线。将这两组响应特性曲线作差，只有当两响应曲线相同时，其差值才为一条直线，表明 匝间无短路现象存在。否则，将说明匝间存在异常或短路。经过对响应曲线的计算分析或将 检测结果直接与发电机出厂时厂家提供的标准波形进行比较，可判断转子绕组匝问是否存在 短路以及短路点的位置p j 。 3 1r s 0 试验原理 r s o 试验应用的是波过程理论( 行波技术) ，当信号发生器发出的低压冲击脉冲波沿绕 组传播到阻抗突变点的时候会导致反射波和折射波的出现，因此会在监测点测得与j 下常回路 无阻抗突变时不同的响应特性曲线。匝间短路的程度通过故障点处的波阻抗变化大小来反映， 显示在波形图上可以用两个响应特性曲线合成的平展程度来判定，有突出的地方说明匝白j 存 在异常，并且突出的波幅大小就表明短路故障的严重程度。因此，即使绕组出现一匝短路故 障，应用r s 0 技术对故障识别也有很高的灵敏度。 绕组可近似看作一简单的传输线，冲击波在其上的传播主要是由绕组导体在槽中的几何 形状和绝缘特性决定的，绕组的耦合作用将使冲击波发生散射，但对于实心转子来说，这种 散射作用影响是不大的。当冲击波加到转子滑环的一端时，冲击波的幅度由冲击波发生器内 阻和绕组波阻抗所决定。冲击波从绕组的一端滑环传到另一端的时间由绕组的长度和波在绕 组中的传播速度来决定【6 】。如果绕组的另一端是开路的，则反射系数k = i ；如果是短路，则 k - - 一l 。反射波再返回到冲击波发生器处时若发生器的内阻抗与波阻抗相等( 在电源端k = o ) ， 则冲击波被吸收，不再发生反射。末端开路时末端电压波形如图3 1 所示。由于匝自j 短路点 的位置和程度不同，行波发生反射，折射的时刻及程度也不相同，故所澳i 得的响应波形信号 中必然包含了匝间短路故障的信息( 短路程度及短路位置) 1 7 l 。 a 图3 - 1z 2 一龃埘 华北电力大学工程硕士学位论文 3 3 现场试验 采样矗教 图3 一1 8 正常情况下的r s o 波形及其特征波形 3 3 1 现场情况及试验设备简介 ( 1 ) 机组介绍 现场试验是在酒泉钢铁( 集团) 有限责任公司嘉峪关宏晟电厂二期工程3 0 0 m w 机组上进 行，机组的主要参数如下表所示： 表3 - 3 发电机组基本参数 发电机型号额定功率 额定电压额定功率因数额定转数额定频率级数 q f s n 一3 0 0 2 3 0 0 m w 2 0 0 0 0 v 0 8 5 ( 迟相) 3 0 0 0 r m i n 5 0 h z2 ( 2 ) h p 3 3 1 2 0 a 函数任意波形发生器 可产生1 5 删z 正弦、方波、三角波和噪声等函数信号。内置a m 、刚、f s k 等功能。具有 g p i b 和r s 一2 3 2 标准接口。可由b e n c h l i n ka r b 软件编程产生任意波形。精度为1 2 一b i t ，采 样率为4 0 m s a s ，存储深度为1 6 0 0 0 个点。能产生标准波形为：正弦波、方波、三角波、锯 齿波、噪声波、直流、s i n e ( x ) x 波、负锯齿波、上升指数上升波、指数下降波、c a r d i a c 波。 ( 3 ) t e k t r o nixi p s 2 0 1 4 隔离通道数字示波器 1 0 0 删z 和2 0 0 删z 带宽；最高实时取样速率为2g s s ：2 或4 完全隔离和浮动通道， 隔离的外部触发 使用o p e n c h o i c e 软件或集成c o m p a c t f l a s h 大容量存储器，可快速编制 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 一1 9 现场试验照片 3 3 2 试验及波形 现场试验的接线图和实验室的相同，根据现场情况进行调节，所得实验波形如下所示 t p $ 2 0 1 4 - 17 0 4 3 22 0 0 5 - 9 - 1 2t p s2 0 1 4 17 ：0 6 ：1 82 0 ( ) 5 - 9 1 2 华北电力火学：程硕士学位论文 ( c ) t p s2 0 1 4 1 6 ：4 8 ：1 32 0 0 5 - 9 1 2 t p s2 0 1 4 1 6 ：5 2 ：4 02 0 0 5 - 9 - 1 2 ( e )( f ) 图3 2 0 现场试验波形 图3 2 0 所示是在现场调节过程中几种不同情况下的波形。现场试验时机组j 下处于安装阶 机组正常，所以所得波形都为正常情况下波形，其对应关系为： 表3 - 4 波形与信号情况对照表 序号信号情况信号输入端 ( a )8 v ，5 0 0 h z 其中一端输入 ( b ) 8 v ，5 0 0 h z相对于( a ) 另一端输入 ( c )8 v ，7 5 0 h z其中一端输入 ( d )8 v ，7 5 0 h z相对于( c ) 另一端输入 ( e )8 v ，1 0 0 0 h z其中一端输入 ( f )8 v ，1 0 0 0 h z相对于( e ) 另一端输入 3 3 3 试验波形分析 为了最大限度的提取r s o 波形中所含有的反映匝间短路的信息。将同一情况下分别在两 侧测得的波形做差，获得特征信号。几种情况下的特征波形如图3 2 1 所示。 图3 - 2 1 几种情况下特征波形图 华北电力大学t 程硕士学位论文 从图中可以看出，几种情况下其特征波形都基本上是一条与横轴平行的直线，这与本章 第一节从理论上所推导出的结论以及实验室试验所得结论都是吻合的，从而说明此理论可以 应用于现场实际运行。试验中所采集信号为机组正常情况下的特征信号，可以作为基准值， 在机组运行过程中，按照试验中的方法采集特征信号，并将运行中的信号与正常情况下的基 准值相比较，如果不吻合，则说明有匝问短路存在。但是这种直观的方法不能