（电气工程专业论文）马头发电厂8＃发电机转子匝间短路诊断系统的研制.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文 摘要 同步发电机转子匝闯短路是一种常见的电气故障，它将导致转子振动，甚至发 展为转予接地、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。 本文针对马头发电厂8 # 发电机的现场实际情况，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，并通过分析故障的电磁特性，提出了故障诊断的数学模 型及判据，在此基础上基于w i n d o w s 2 0 0 0 和v i s u a lb a s i c 语言研制开发了马头发电厂 8 # 发电机转子励磁绕组匝间短路诊断系统，后台数据库选择性能优越的s q ls e r v e r 数据库，局域网络中的客户杌都可通过访问服务器观察当前发电机运行状况。经过 近半年的现场运行表明本系统性能稳定、使用方便。 关键词：汽轮发电机，转子匝间短路，故障诊断，数据采集，数据库 a b s t r a c t t h ei n t e r - t u r ns h o r tc i r c u i to f r o t o rw i n d i n gi so n eo f t h ec o m m o nf a u l t s w h e ni th a p p e n s ， i tw i l l l 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 o 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 t w 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 d o nl 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 c u i tf a u l to fr o t o rw i n d i n g a i m sa tt h e p r a c t i c a ls i t u a t i o no fg e n e r a t o r8 # i nm a t o ue 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 r s ：i a x t e t u r ea 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 ，a n d t h r o u g ha n a l y z i n ge l e c t r o m a g n e t i s mc h a r a c t e r i s t i co ft h ef a u l t ，w ep r o p o s eam a t h e m a t i c m o d e la n dc r i t e r i o nf o rf a u l td i a g n o s i s ，a n dd e v e l o pt h er o t o ri n t e r t u ms h o r t - c i r c u i t d i a g n o s i ss y s t e mo fg e n e r a t o r8 样i nm a t o ue l e c t r i cp o w e rp l a n tb a s e do nw i n d o w s 2 0 0 0a n d v i s u a lb a s i c w ec h o o s es q ls e r v e rt h a th a ss u p e d o rp e r f o r m a n c ea sb a c k g r o u n dd a t a b a s e ， a n dt h ee n t i r e c l i e n tc o m p u t e r si nt h el o c a la r e an e t w o r kcano b s e r v et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n o fc u r r e n tt i m eo ft h eg e n e r a t o rb ya c c e s s i n gt h es e r v e r h a l fy e a r so p e r a t i n ga tf i e l d i n d i c a t e st h a t ，t h i ss y s t e mh a ss t a b l ep e r f o r m a n c e ，a n di tc a nb eu s e dc o n v e n i e n t l y 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 r - t u r ns h o r tc i r c u i t ，f a u l td i a g n o s e s ，d a t aa c q u i s i t i o n ， d a t a b a s e 声明 y 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文马头发电厂8 撑发电机转子匝间短路诊断系 统的研制，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：趣埤生 日期：盟丝 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：遵悼导师签名：撇 日期：堡乏丝日 期：芝：! 华北电力大学工程硕士学位论文 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，全国总装机容量己达3 1 9 3 2 亿k w ， 其中，火电2 3 7 5 4 亿k w ，水电0 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【i 】【2 删。 大型汽轮发电机的转予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【l 】 2 】【3 】 表明：在己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，使得转予大轴磁化，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l # 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 群发电机于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 机转子匝问短路故障的诊断研究也非常重视1 4 】。 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： i 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 微分线圈动测法“1 这种方法最早是由美国的a l b r i 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 要求转子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o m “ 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l 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。在转予处于正常运行时，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捡测中并不容易实现。 ( 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 华北电力大学工程硕士学位论文 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 要在停机抽出转子后才可以进行。 ( 4 ) 交流阻抗和功率损耗法 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。发生匝间短路故障时，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问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 15 1 分析了转子匝间短路对大型发电机定予绕组电压 3 华北电力大学工程硕士学位论文 不平衡及每相并联支路环流的影响，得出转予匝间短路故障后，定子一相并联的两 条支路之间存在着偶次谐波的环流，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 分析了转予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“7 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1 1 ： 表卜1 静止状态下转予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，属于成品转子工 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 1 交流阻抗法 2 两极电压法 3 探测线圈法 成品转子各工序 成品转子各工序 仅在转速达到额定 转速时用 阻抗差小于较大值的 3 压差小于较大值8 同号线圈电压之差与 较大值之比5 如无中性点引出。可测 整个绕组阻抗值 如无中性点引出，此项 取消 ( 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，除了首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 线诊断做一铺垫。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 。 表卜3 并网带负萄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，转子绕组匝间 短路故障的在线诊断识别和检测一定会得到完美的解决1 4 j 。 华北电力大学工程硕士学位论文 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。由于发电机转予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。但由 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，一般达不到实际电机的正常运行 工况；由于转子绕组匝间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 6 华北电力大学工程硕士学位论文 法需要做进一步的研究。 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 如暂态和稳态过程。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 】，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正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。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 磁网络分析法 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间 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， 实现汽轮发电机转子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一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，而这正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 本文针对马头发电厂8 弹发电机的现场实际情况，开发研制了8 # 发电机转子匝 间短路诊断系统，主要涉及以下几个方面： ( 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，系 统研究故障发生后的征兆，找到转子侧励磁电流和发电机无功功率损失之间的对应 关系，建立故障诊断的有效转子判据。 ( 2 ) 基于s q ls e r v e r 数据库建立了发电机运行状态数据库，然后将采集得到的 运行参数传输至服务器数据库，从而实现了发电机运行状态数据共享。 ( 3 ) 基于所建立的发电机模型及采集的数据编制了转子匝间短路诊断软件，局域 网络中的客户机都可通过访问服务器观察当前发电机运行状况。 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，转子的周围将会出现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予圆周上的线速度，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汽轮发电机转予结构图 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，但对转予本身则为不变，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。 华北电力大学工程硕士学位论文 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。当转予表面铣出轴向槽后，磁极轴线上的大齿部分刚度 显然比开槽区的刚度大。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刚度相近。 2 3 转子绕组的结构 图2 - 2 转了木体 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，转予绕组则采用氢冷。 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，一种是平行排列，我国生产的电机都采用辐射形槽。沿着转子外圈， 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i 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。 o 华北电力大学1 ：程硕士学位论文 母$ 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n 个槽，槽内由一2 个 线圈串联组成，每个线圈内又包含厨匝，每匝由k 根含银扁铜线并联组成。转予绕 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) 七七 五五 = 厂 i 76543 2 t 时 3 02 92 82 72 6 2 52 42 32 22 l2 01 91 81 7 5l d1 31 2l li q i 一 a 极 b 极 励端 图2 4 转予线圈接线图 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、槽口垫块、层问绝缘、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 氢冷转子槽横截面 1 槽楔2 槽下绝缘3 槽绝缘4 导体5 匝间绝缘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。转予端部 的连接及端部导体之间垫块的嵌放可见图2 7 。 ( a ) 2 华j e 电力大学工程硕士学位论文 ( 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 号线圈的顶匝铜线相 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 合金连接并用螺钉紧固。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 l 线结构 绕组端部的匝问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。下垫块由千山毛榉木块组成，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1 3 ，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 华北电力大学工程硕士学位论文 定线圈端部位置的( 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j 下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，就会导致转予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，转子绕组匝问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因 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 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 下，由于微小的疏忽或原因就会导致转子绕组匝间短路故障的发生。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：转予端部绕组固定不牢、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，匝问绝缘垫片垫偏，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，特别是转子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。 造成发电机转子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。 c 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：匝间绝缘垫片垫偏、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；转子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，1 1 , 力等多种使其移位变形的动态应 力。 ( 2 ) 冷态起动机组，转予电流突增，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，使匝间绝缘烧 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，很容易使转予绕组 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，不随转予的转动 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 ls 华北电力大学工程硕士学位论文 变而变化者、称为不稳定或称为动态匝间短路。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章汽轮发电机转子励磁绕组匝问短路故障分析 3 1定子绕组并联支路环流特性分析 3 1 1 气隙磁势 当转子某极绕组短路后，此极安匝数降低，气隙主磁场分布如图3 1 ( b ) 所示， 其中短路匝绕组对主磁场的影响相当于反向电流产生的反向磁场叠加于正常运行 时的气隙磁场中( 正常运行时气隙主磁场如图3 1 ( a ) 所示) 。短路匝绕组产生的反向 磁场如图3 - i ( c ) 所示( 设短路匝绕组所在槽的两槽间机械角度为口re ( o ，”) ，短路匝 绕组的入槽位置角为，) 。 ( c ) 图3 - 1 气隙主磁场分确 短路匝绕组产生的反向磁势为： 乃( 只) =一半卢扫，+ 口， 。一。， 二zr q 一1 、 ! 丛! ! 其它 式中：以为转子的机械角度。1 ，为励磁电流，为同一槽中短路绕组匝数 把( 进行f o u r i e r 展开： r , fc e ，) = 如+ 【一。c o s ( n 砟) + 8 。s i n ( n 啡) 】 n - ! 其中：a 0 去弘( b f 砟；o 4 = r 局 ) c 。s ( ”辞v 讳一l f n ( s i n ( n ( a , 。+ 芹p ) ) - s i n ( r i p ) ) 1 7 ( 3 2 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 最；# 目m 脚缉粥；趔业型 则 疋( b ) = 【爿。c o s ( n ( o j ，f 一口) ) + b 。s i n ( n ( c d ，f 一口) ) 】 ( 3 3 ) 由( 3 2 ) 式知，当口，2 k 7 r ( k ：l ，2 3 ) 时， 和b 。不同时为零，即气隙主磁场 出现各次谐波。对于第一次谐波，相当于转子极对数为一，转子旋转的机械角频率为 啡( q = 2 矾) 时产生的主磁场，它相对于定予以机械角频率o j r 旋转。 取门= 1 , 2 ，则： 疋( a ，f ) = 一只lc o s ( ( d ，一a ) 一只2c o s ( 2 a ，r 一2 a ) ( 3 4 ) 热耻孚s i n ( 叫2 ：= 等s i 删 气隙磁势可近似表示为： ，( 口，f ) = cc 。s ( 耐一p 口一y 一争+ fc 。s ( 耐一j 口口) 一ic o s , t - a ) 一e ：c 。s ( 2 ( a , t - 2 a ) ( 3 - 5 ) 3 1 2 定子绕组并联支路环流特性 根据文【2 3 】，一个线圈感应各次谐波电势的有效值为： e c v = 4 4 4 y f w , ( 3 6 ) 式中：，为谐波次数，q 为，次谐波每极磁通量，w f 为线圈匝数 对于一个线圈组考虑分布因数和节距因数的作用后，一相定子绕组并联的一条支路 感应各次谐波龟势的有效值为： = 4 4 4 2 ，i v k 。，g ( 3 - 7 ) 式中：哆= 号= 昙号= 号l w 为一条支路的匝数为，跚皆波绕组因数 屯为，次谐波磁密的平均值，为，次谐波磁密的最大值；，为基频频率；，为线圈在 磁场中的有效长度：r 为极距。 将式( 3 7 ) 推导得到： e 。= 2 f l f w k 。，l r b m = 2 8 3 f w k 。，f a ( 3 8 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 设a 相第一条支路 感应电势为； e 。1 = 峨c o s y m t = 4 o 加口1 k 。，i r a 。l c o s y t o t ( 3 9 ) 第二条支路4 五感应电势为： e 。2 = 4 o 。，k 2 k 。，z a 。2 c o s r ( 耐一石) ( 3 1 0 ) 式中：a 。，a 。：分别为a 相两条支路对应的气隙磁导，心：分别为a 相两条支路串联 匝数。 定予a 相绕组并联支路的电路图如图3 - 2 ，忽略了定子绕组支路电阻k ，0 ：分别 为a 相两条支路的自感，忆。虬：，分别为两条支路与其它支路的互感) 。 a x 圈3 - 2 定予绕组并联支路 两条支路之间的电压差可以表示为： 乩：一壹。+ j 棚r l 。j 。+ j 珊r z m 。j ，一，吖吖。j t 一，础。：j 一主。： ( 3 1 1 ) 正常运行时w “= 心2 ，a 。= a “= l ：，根据式( 3 - 9 ) 、( 3 - 1 0 ) 、( 3 - 1 1 ) ，奇次 谐波磁势通过定子并联支路时电压差为零，不会产生环流。然而偶次谐波磁势通过 定子并联支路时壹。，：量产生偶次谐波电压差： 玉。= 一2 主口l + 皿。( j j 。：) + 吖m 。j ，一吖眠：，j t ( 3 一1 2 ) 从而产生偶次谐波环流。但由于发电机正常运行时，气隙主磁势仅有奇次谐波， 不会产生环流。 当转子励磁绕组匝间短路故障发生时，如q ；塑( = l ，2 3 一) ，气隙主磁场将出 现各次谐波。对于奇次谐波，并联支路问电压差为零；对于偶次谐波( 主要是二次 谐波) ，根据式( 3 - 9 ) 、( 3 - 1 0 ) 、( 3 - 1 1 ) 并联支路间将产生偶次谐波电压差和环流 ( 主要是二次谐波) 。 3 2励磁电流相对无功变化特性分析 9 华北电力大学工程硕士学位论文 机组正常运行时，略去开槽造成磁势的少许不连续，转子磁势的空间分布是非 常接近于梯形的，转子的短路效应会导致磁势局部损失，从而