（电力系统及其自动化专业论文）发电机转子绕组匝间短路故障诊断的研究.pdf

a b t s r a c t a st h eb a s i c e q u i p m e n t o f g e n e r a t i n g ，s y n c h r o n o u s m a c h i n e s p l a yv e r y i m p o r t a n tr o l ei ns a f e t ya n ds t a b i l i t yo f t h ew h o l ep o w e r s y s t e m d e v e l o p i n go n - l i n e d i a g n o s i st of i n df a u l ti nt u r b o - g e n e r a t o rt i m e l ya n de f f e c t i v e l yh a sb e c o m e o n eo ft h e i m p o r t a n tm e t h o d sg r a d u a l l yt o e n s u r et h em a c h i n eo p e r a t i n gs a f e l ya n dr e l i a b l y s h o n e dr o t o rw i n d i n gi sau s u a le l e c t r i cf a u l to fs y n c h r o n o u sm a c h i n e s b a s e do nt h e a n a l y s i s o ff a u l tm e c h a n i s me s p e c i a l l yt h em a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft u r n - t o t u r n s h o r tc i r c u i to fr o t o rw i n d i n g si nt u r b og e n e r a t o r , t h ep a p e rs t u d i e st h ed i a g n o s e m e t h o d ，w h i c hc o m b i n e st h et r a d i t i o n a l m e t h o dw i t ht h e i n t e l l i g e n tm e t h o d ，t o i d e n t i f yt h ef a u l ta n d t h es e v e r i t y t h i s p a p e r c o n s i s t so f f o u rr e l a t e d p a r t s a sf o l l o w s ： t h ef i r s t p a r t i s c o n c e r n i n g a b o u tt h ef a u l tm e c h a n i s ma n dt h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i c s t h et r a d i t i o n a lo n l i n e d i a g n o s i sm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e d r a w b a c ko fe a c hm e t h o di s p u tf o r w a r d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a r t d e t a i l e dt h e t h e o r y , t h ei m p l e m e n t a t i o na n d t h ea p p l i c a t i o no ft h e t r a v e l i n gw a v e m e t h o d i nt h es e c o n dp a r t ，p r o v i d e dt h a tt h eo p e r a t i n gm o d eo ft h et u r b og e n e r a t o rk e e p s u n c h a n g e dw h e nt h er o t o rw i n d i n ga p p e a r sf a u l t ，t h em a g n e t i cm o t i v ef o r c eo ft h e f i e l dw i n d i n gw i l lk e 印u n v a r i e d b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h em a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s a na r t i f i c i a ln e m r a ln e t w o r kc a nb eb u i l ta n dt h ef a u l ts a m p l e sc a nb eg a i n e db y t h e o r e t i c a la r i t h m e t i c t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o ne x a m p l es h o wt h a tt h em e t h o dc a n n o to n l y j u d g ei fs h o r t e df i e l dt u r n se x i tb u ta l s oe s t i m a t ef a u l tt u r n sr a t i o i nt h et h i r dp a r t ，i no r d e rt o p r e v e n ts h o r t c o m i n go ft h ee n t r a p m e n ti n l o c a l o p t i m u mo fo r d i n a r y b pa n dt h e p r e m a t u r ec o n v e r g e n c e o fb a s i cg a ，an e w a l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e s b pw i t hg ai sp r e s e n t e d ，w h i c hi su s e dt od e t e c tt h er o t o r w i n d i n g s h o r t i nt h en o wa l g o r i t h m ，t h em e t h o do fc o d i n g ，s e l e c t i o n ，c r o s s o v e ra n d m u t a t i o na r em o d i f i e d t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o ne x a m p l es h o wt h a tt h em e t h o di s f e a s i b l e i nt h el a s tp a r t ，t h e r e l a t i o n s h i po f t h ef i e l dc u r r e n tw i t ht h eo p e r a t i o n a lf a c t o r so f t h et u r b og e n e r a t o ri sd i f f i c u l tt o e x p r e s se x a c t l y , b e l o n g i n gt ot h ec o m p l e x i t yo f b u i l d i n gt h eg e n e r a t o rm o d e la n dt h ed i f f i c u l t yo fi d e n t i f y i n gg e n e r a t o rp a r a m e t e r s ， g p a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi sb e t t e rt h a no t h e rm e t h o d i ns y m b o lr e g r e s s t h i s m e t h o di ss h o w nt ob ee f f e c t i v eb ya n e x a m p l e k e yw o r d s ：f a u l t d i a g n o s i s 、s h o r t e dt u r n so fg e n e r a t o rr o t o r s 、a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k 、b pa n dg a 、g e n e t i c p r o g r a m m i n g 独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名：居缸签字日期：渺印年印月日 学位论文舨权使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括干0 登) 授权河 海大学研究生院办理。 学位论文作者签名：砖；毙 签字日期：枷4 年年月f 日 河海大学硕士学位论文 第一章序论 1 1 引言 发电机作为电能生产的基本设备，是电力系统的心脏，它的运行可靠性直接 影响电网的运行以及向用户安全、经济的供电随着国民经济的迅速增长，电力 系统正朝着超高压大容量多机互联系统的方向发展，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 及以上容量 的大型发电机已成为我国电网的主力机组，发电机故障停运可能会导致局部停电 乃至整个系统的崩溃。随着科学技术的发展，故障诊断技术已逐步发展成为保证 发电设备安全可靠运行的重要手段之一，本章阐述了同步发电机故障诊断的重要 性和意义，分析了发电机故障诊断的现状，并介绍了发电机转子绕组故障诊断的 研究现状和急待解决的问题。在此基础上，提出了本文的研究内容。 1 1 1 同步发电机故障诊断系统研究的意义 我国目前总装机容量为3 5 亿千瓦，居世界第二，其中，火电机组约占总容 量的3 4 ，因此本文主要研究的是汽轮发电机。 据不完全统计，1 9 8 3 1 9 9 5 年间，2 0 台2 0 0 m w 国产汽轮发电机中，总共 发生2 4 台次的发电机定子绕组短路事故“1 。1 9 9 3 1 9 9 5 年间，容量为3 0 0 m w 及以上的发电机发生事故总共1 3 8 台次，其中发电机本体故障为5 3 台次0 1 。 1 9 9 1 1 9 9 9 年，陕西电网8 台3 0 0 m w 汽轮发电机共有6 台在运行中出现事 故或故障叫。 1 9 9 2 1 9 9 7 年，山东电网3 0 0 m w 发电机发生较大的故障或异常1 2 次“1 。 1 9 9 1 1 9 9 3 年，东北电网2 0 0 m w 及以上容量的汽轮发电机共发生故障5 9 次，平均故障率为0 4 7 次台”1 。 据国家电力公司可靠性中心统计，经过不断努力，近年来国产机组的等效可 用率已有很大程度的提高鳓。尽管如此，由于设计及工艺原因，特别是制造工艺和 质量检验等存在问题较多，导致发电机各类事故频繁发生，延续时间长，性质严重 擐失巨大。其次，电机的安装、检修质量及运行维护水平也存在诸多问题，常常成 为事故发生的诱因。邝1 。大型发电机发生事故后不仅维修耗资巨大给电厂和电网 造成较大的经济损失，而且一旦出现较严重的事故必将影响到其它部门的正常运 转，造成巨大的社会经济损失。例如1 9 9 6 年1 月某厂一台6 0 0 m w 发电机铁芯 严重烧损，部分线棒绝缘过热损坏，定子b 相绝缘被击穿接地，花了4 个月来修 复。有的发电机事故停机，用了上千小时来修复，损失电量上亿度“3 。 第一章序论 为了提高发电机的运行可靠性，一方面制造厂应采取严格和行之有效的产品 质量保证措施。其次提高运行维护水平，提高机组的安装和检修质量是降低发电 机事故率，提高其运行可靠性的另一重要方面。此外装设旨在及早发现发电机运 行中存在的潜伏性故障，防止突发故障发生，减小事故损失的在线检修和诊断技 术设备亦是十分必要的。 多年来的事故统计结果表明，发电机发生的事故往往是由于对故障的早期征 兆缺乏认识或没有引起足够的重视，未能及时处理从而导致故障进一步发展为恶 性事故，因此紧密结合实际，深入研究发电机各种故障的机理、发生的原因、故 障征兆、发展趋势及其不良后果并提出诊断、正确处理和预防的方法具有重大的 意义“。 美国的电力研究所曾以美国国内的电力生产企业为对象，在一年期间内，每 马力所需维修费用进行调查统计，其结果是：故障维修为1 7 0 0 1 8 0 0 美元，定 期检修为1 1 0 0 1 3 0 0 美元，预测维修为7 0 0 9 0 0 美元“。由此可见实行预测 维修将大大地降低机组的维修费用。 同步发电机故障诊断目的就是通过发电机运行的各种特征参数和其他诊断 信息来识别发电机的状态，分析故障发生的原因并确定故障发生的部位和严重程 度，指出故障发展的趋势和后果，提出控制故障继续发展和消除故障的运行维修 的处理对策，从而实现从传统的预防性检修提高到预防性状态检修。对提高发电 机可靠性与有效性，提高电力系统运行效益，降低维修成本，都有重要的意义。 为了保证发电机的安全可靠运行，最近十几年世界一些国家都开展了在线 检测诊断技术的研究，并逐步推广应用。自八十年代以来的国际大电网会议 ( c i g r e ) 历届会议中，发电机的故障检测和诊断列为s c 1 1 ( 旋转电机) 委员会 的中心议题之一。 1 1 2 同步发电机故障分类 汽轮发电机按其结构，可以划分为几个大的子系统；定子、转子、氢、油、 水系统。要进行故障诊断，就应该首先对故障的性质有一个清楚的认识，因此对 故障机理的分析是必要的。故障机理的分析，即研究故障的分类、特性、表现形 式和形成的原因，是故障诊断的基础和前提。汽轮发电机是一个复杂的系统，故 障机理的研究也是一个复杂的问题。通常采用层次分解技术，先将诊断对象的结 构、功能和故障分解成各个不同的层次，再根据各个层次的不同特点，从不同的 角度用不同的方法进行研究分析，最后将对象看成是一个整体，系统化地考虑各 个层次之间的相互关系、相互制约和相互影响。这种层次分解有助于机理分析的 全面系统性和有组织性，避免盲目性和重复作业。 汽轮发电机组的故障比较复杂，很难用单一的分解策略，建立精确的分解层 次。在实际应用中通常是先按照模式特征分解成为轴系机械故障、发电机电气故 障、汽轮机热力故障及其它部件故障四个子集，再将每个子集进一步划分为二次 故障甚至更下一层次的故障。 河海大学硕士学位论文 据统计，发电机7 0 的故障属于电气故障，本文主要研究的是发电机的电气 故障，图1 1 为汽轮发电机电气故障诊断对象的一种分解方法“。 图1 - - 1 汽轮发电机组电气故障分类 从上图可以看出汽轮发电机的电气故障，包括定子故障、转子故障和冷却系统 故障。 1 定子放障：定子故障主要有定子绕组过热，定子绝缘损伤和定子接地。 定子绕组故障的主要原因有磨损、污染、裂纹、腐蚀等原因造成的绝缘失效和 机械振动造成的槽部线棒移位，冷却水泄漏。定子铁芯的故障主要是由于定子 铁芯在制造安装过程中的机械缺陷引起局部叠片问短路。定子故障的后果有定 子接地，定子绕组绝缘击穿，定予绕组绝缘烧损，定子绕组匝间短路、相间短 路或三相短路，定子绕组烧损，定予绝缘烧损，定子铁芯烧伤，爆炸事故等。 2 - 转子故障：转子故障分为转子绕组故障和转子本体故障，转子绕组故障 第一章序论 又分为接地故障，匝间短路和断线。接地故障和匝间短路主要是由绝缘磨损引 起，故障后果有转子两点接地，转子绕组匝间短路，转子绕组烧损，发电机失 磁，发电机和汽轮机部件磁化等。同时匝间短路还会出现磁通量的不对称和转 子受力不平衡，引起转子振动。断线主要是由接头开焊和热变形引起，断线后 会产生电弧放电和电源电流波动。转子本体的故障一方面表现为纯粹的机械故 障，另一方面电源中的负序电压引起的转子涡流损耗，会导致过热引发疲劳裂 纹；电力系统大的瞬态过程也会对转子产生应力冲击，引起扭振损伤。 3 冷却系统故障：水冷却系统的故障主要有定子断水、漏水，转子漏水故 障。主要原因是冷却水管道系统的材料缺陷、安装缺陷、机械振动或因水中杂 质造成的电腐蚀以及冷却器泄漏，引起冷却效率降低，温度升高，线棒过热和 绝缘热解。水冷却管道的异物堵塞和气堵，空心导线的放电损坏也会导致电机 过热，最终烧坏绝缘。故障直接表现形式是定子线棒和冷却水的温度升高，绝 缘热解。故障的后果有定子绕组过热，定子绕组绝缘降低，定子绕组接地，绕 组短路或烧损，定子绕组或定子引出线烧损，机组减负荷运行或强迫停运，发 电机烧毁等。 同步发电机的另一类主要故障是转子支撑轴系的机械故障：电机转子本体、 转予支撑和电机机架的故障等。转子轴系故障诊断主要依据振动信号的特征分 析，理论比较成熟，实践经验也很丰富。故障的常见形式有：不平衡、不对中、 转子裂纹、机械松动、轴承失效、油膜失稳等。 汽轮发电机作为一个有机的整体，其故障往往并不直接表现为纯机械或纯电 气故障，而是多因素多类型故障的耦合，可能存在故障间的主从联系和同时发生。 1 2 同步发电机故障诊断的研究概况 早期的故障诊断主要是依靠人工，利用触、摸、听、看等手段对设备进行诊 断。这种手段具有局限性和不完备性，随着汽轮发电机组向高参数、大容量方向发 展，对机组状态监测与故障诊断的要求也越来越高。信息技术和计算机技术的迅 速发展以及各种先进数学算法的出现，为汽轮发电机组故障诊断技术的发展提供 了有利的条件。人工智能、计算机网络技术和传感技术等已经成为汽轮发电机组 故障诊断系统不可缺少的部分。 1 2 1 国内外概况 随着科学技术的发展，故障诊断技术已逐步发展成为保证发电设备安全可靠 运行的重要手段之一，因而成为国内外许多单位正在研究的一门新技术。当前， 世界上一些国家采用和正在研制的发电机状态检测和诊断系统内容比较广泛，包 括定子绕组、铁芯、转子、氢油水系统及机组轴系等各方面。 世界上已开发及安装使用的发电机在线监测器有2 0 种，例如发电机工况监 厶 河海大学硕士学位论文 测器( s e v m ) 、氢气露点监测器( h d m ) 、定子冷却水电导率计( s c w ) 和氢气漏 入水中监测器( h l m ) 等。德国有2 4 台大型发电机永久性地安装了无线电频率监 测器。意大利e n e l 公司至今已在4 台汽轮发电机上安装了定子绕组端部振动监 测器，法国容量为1 1 2 0 m w 和1 6 5 0 m w 的所有核电发电机安装有定子绕组端部 振动监测器。韩国研制开发了发电机在线局放诊断系统( g o d s ) ，安装在1 0 0 0 m w 汽轮发电机上“1 。 我国在故障诊断技术方面的研究发展很快，7 0 年代末到8 0 年代初，吸收国 外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究，从8 0 年代初开始，全方位 开展了机械设备的故障诊断研究，引入人工智能等先进技术，大大推动了诊断系 统的研制和实施，并取得了丰硕的研究成果。 结合我国电力工业发展现状、电机制造水平及近若干年大型发电机多发性事 故的特点，对容量2 0 删3 0 唧及以上的汽轮和水轮发电机，有必要有选 择地采用以下状态监测系统： ( 1 ) 定子绕组绝缘监测一无线电频率监测器( 耻m ) ( 2 ) 发电机过热监测一发电机状态监测器( o c m ) ( 3 )定子绕组端部振动监测器( s e v m ) ( 4 ) 转子绕组匝间短路监测器( r s t d ) ( 5 ) 氢冷发电机漏氢监测器( d m ) ( 6 ) 氢气漏点监测器( h d m ) ( 7 ) 汽轮发电机扭振监测器( s t o m ) 以上的监测和诊断系统，目前有的已在国内研制和应用，有的功能和质量上 尚存在一些问题，有待进一步改进和完善。我国一些单位研制的故障诊断装置在 使用中都碰到了故障诊断结果准确性差的技术难题，故障“漏诊”和“误诊”时 有发生。其原因一方面是由于同步发电机放障的复杂性，即发电机故障往往是由 多种因素引起的，而且各种因素之间存在耦合作用，同一种故障在不同的系统中 表现的症状也不完全相同，有时同时发生几种故障。另一方面诊断软件中所使用 的诊断规则是通过实验室模拟或理论计算得出的，与发电机的实际情况有较大的 差异。因此确定故障征兆和故障诊断规则已成为大型汽轮发电机故障诊断系统研 制的“瓶颈”问题n ”。 1 2 2 同步发电机故障诊断研究方法 同步发电机故障诊断的主要步骤为：监测发电机的特征信号：从所监测的特 征信号中提取征兆：然后根据征兆和其它诊断信息来识别发电机的状态，完成故 障诊断。 故障诊断系统大体由三部分组成：第一部分是故障诊断物理化学的研究， 如电气、机械部件失效的腐蚀、磨损等原因的研究。第二部分为故障信号的采 集、选择、处理和分析。第三部分是诊断逻辑和数学原理方面的研究，主要通 过逻辑方法、模型方法、推理方法及人工智能等方法，根据可观测的设备故障 第一章序论 表征来确定下一步的检测部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原 因。 传统的电机设备故障诊断方法是利用各种物理和化学的原理和手段，通过 分析伴随故障出现的各种物理化学现象，基于检测数据处理，直接检测故障， 如振动诊断法、模式识别法等。由于同步发电机是个复杂的系统，故障形式涉 及到机械、电气、绝缘等各个方面，传统的诊断技术很难满足实际工程需要， 因此在传统的诊断方法的基础上，将人工智能的理论用于故障诊断，发展智能 化和自动化的诊断方法成为现代诊断系统的发展趋势和有效手段。 诊断领域的人工智能主要有专家系统、模糊理论和神经网络三大分支“”。 专家系统现在是理论最为成熟，应用最为广泛和成功的系统。基于专家系统 的诊断方法是根据被诊断系统的专家以往经验，将其归纳成规则，并运用经验规 则通过规则推理来进行故障诊断。文献 1 4 针对汽轮发电机的结构及故障特征， 设计了实用的汽轮发电机故障诊断专家系统。 该方法属于反演推理，存在着获取知识的瓶颈“”“”。复杂系统中，所观测到 的症状与所对应故障之间联系是相当复杂的，专家经验归纳成规则往往不是唯一 的并且有相当难度。另外，基于规则的方法对于诊断结论除了重复被采用的规则 外无法做出进一步解释，通常只能诊断单个故障，难以诊断多重故障。同时故障机 理研究及诊断知识的获取和总结需要一个漫长的过程，知识的获取及知识库的建 立工作也需要在研究工作和诊断系统的应用过程中，不断地改进完善。 在故障诊断领域，模糊属性常常出现，如对征兆的描述：温度“偏高”，振动“厉 害”等都具有模糊特性：故障与征兆的关系往往也是模糊的。模糊语言变量接近 自然语言，知识的表示可读性强，模糊推理逻辑严密，类似人类思维过程，易于解 释。文献 1 7 用模糊综合决策理论建立了某船舶汽轮发电机组在线监测和故障 诊断系统，并说明在缺乏故障样本的情况下可以得到较满意的诊断结果。 但是模糊诊断知识获取困难，尤其是故障与征兆的模糊关系较难确定。且系 统的诊断能力依赖模糊知识库，学习能力差，容易发生漏诊和误诊。 人工神经网络( a n n ) 是近年来受到广泛重视的一种新型技术，它是由大量简 单处理单元广泛连接而成的复杂的非线性系统，具有学习能力，自适应能力，非线 性逼近能力等。采用a n n 技术处理故障诊断问题不仅能进行复杂故障诊断模式 的识别，还能进行故障严重性评估和故障预测，由于a n n 能自动获取诊断知识，使 诊断系统具有自适应能力。a n n 已经广泛应用于变压器故障诊断、水轮机组、汽 轮机组故障诊断、输电线路故障以及负荷预测等方面“”拉町。 a n n 在故障诊断中应用的主要问题是a n n 在使用之前需要大量的、有代表性 的样本供其学习，常用的b p 算法在迭代时采用梯度下降法，存在收敛慢、振荡和 局部极小等问题；a n n 的输出，对诊断结果缺乏解释能力；a n n 学习完成之后 具有较好的内插结果，但外推时则可能误差较大，可能产生误诊或漏诊。 由于同步发电机故障征兆与故障特征间复杂的非线性特性，使故障诊断及识 别较为复杂，仅仅靠一种理论、一种方法是难以实现在复杂环境下准确、及时地 河海大学硕士学位论文 进行故障诊断。因此集成型智能故障诊断系统必将是同步电机故障诊断技术的新 趋势1 。文献 3 2 就将神经网络和专家系统的混合法用于一台5 0 m w 汽轮发 电机组故障诊断中，文献 2 3 2 4 将神经网络和模糊理论应用于转予绕组匝间短 路的故障与定位中，同时神经网络也可以和遗传算法等优化方法结合起来。圹。”。 1 3 同步发电机的转子绕组匝间短路 电力系统中，转子绕组匝间短路是发电机常见的电气故障，由于故障初期短 路匝数一般很少，对机组的正常运行影响不是很大，同时故障的特征不是很明显， 难以及时监测到，因此匝问短路故障往往被忽略。但是这种转子有轻微匝间短路 的电机长期运行会使故障逐步加剧，导致转予线圈一点接地甚至两点接地，轻则 使机组振动增大超过标准，重则使机组大轴、轴承以及其他部件磁化，以致烧损， 影响电机寿命。及时有效地在线诊断出转子绕组匝间短路故障是发电机在线故障 诊断的重要组成部分。 1 3 1 同步发电机转子绕组匝间短路故障原因分析 转子绕组匝间短路故障比较常见，主要原因有制造和运行两方面。 ( 一) 制造方面 ( 1 ) 转子端部绕组固定不牢，垫块松动。 ( 2 ) 绕组铜导线加工成形后不严格的倒角与去毛刺；端部拐角整形不好和 局部遗留褶皱或凹凸不平；绕组导线的焊接头和相邻两套线圈间的连接线焊口整 形不良；制造工业粗糙留下的工艺性损伤；转子护环内残存加工后的金属切削等 异物、护环绝缘衬垫的老化等。 ( 二)运行方面 ( 1 ) 高速旋转的转子绕组受到离心力等动态应力引起移位变形。 ( 2 ) 冷态启动机组转子电流急增，铜铁温差引起绕组铜线蠕变导致匝问绝 缘与对地绝缘的损伤。 ( 3 ) 转子绕组堵塞，造成局部过热，使匝间绝缘烧损。 ( 三) 故障实例 ( 1 ) 2 0 0 m w 及以上大型汽轮发电机转子匝间短路故障多发生在运行时间不 长，由于制造时嵌线工艺及检查制度不严所引起的，由金属屑粒残留在转子内部 引起的匝间短路即为这类故障的典型事例。如某电厂3 号发电机( 国产 q f s n 一6 0 0 - 2 型6 0 0 m w 发电机) ，1 9 9 8 年并网运行1 6 8h 后的一次大修中就检出残 留在1 极面、第8 套线圈、第5 6 匝之间，由金属屑形成的匝间短路。某厂一台 q f q s 一2 0 0 2 型发电机因制造厂在转子下线完毕并装好槽楔、热套护环之前，加工 转子本体两端的固定卡环槽时，车削下的金属屑残留在端部绕组的缝隙中，未认 真清理，造成发电机运行后有两套线圈上层面匝之间发生严重金属性短路“1 。 第一章序论 ( 2 ) 1 9 9 8 年1 2 月1 1 日湘潭电厂3 0 0 m w2 号汽轮发电机( 型号 q f s n 一3 0 0 2 2 0 ) 由于5 号槽和6 号槽间绝缘降低，出现匝间短路。短路电弧烧伤 5 号、6 号槽励磁绕组上层线匝与槽间绝缘板，并烧穿端部绝缘盖板进而烧伤护环， 造成励磁绕组与护环金属性接地“”。 ( 3 ) 元宝山发电厂一号机，为法国c e m 公司七十年代生产的3 0 0 m w 汽轮 发电机组，1 9 7 9 年投运以来，1 9 8 4 年开始出现发电机转子线圈匝间短路，1 9 9 0 年检修发现1 7 处匝间短路，经局部处理后，1 9 9 3 年3 月大修发现转子线圈匝间 短路2 7 处。其主要原因是由于每匝线圈的两端部的焊接点，制造厂家是在每匝 线圈下完线在转子上用火焊焊接的，由于焊接工艺使得焊接处出现高低凹凸不 平，在线施工中遗留一部分金属颗粒，运行中在热胀冷缩的机械力，离心力交变 应力的作用下，焊接头处的棱角凸凹不平处以及遗留物磨损匝间绝缘，将匝间绝 缘磨薄或磨漏“。 ( 4 ) 某厂4 号机组( 2 0 0 m w ) ，在1 9 9 3 年5 月2 8 日7 时5 5 分，运行中6 号、 7 号、9 号轴承振动大，拔下护环，发现1 9 号、2 0 号大包线圈短路，槽间梯形绝 缘垫块及环氧瓦块烧坏，检修停运1 1 9 9 2 h ，少发电量2 3 9 8 g w h “1 。 1 3 2 转子绕组匝间短路的分类0 1 转子绕组匝间短路按照短路是否随着转子的转动状态和运行工况发生变 化，可以分为稳定性匝间短路和不稳定性匝间短路( 或称为动态匝间短路) ，其 中动态匝间短路又占多数。 就故障发展的过程来分，可以分为三个阶段：萌芽期、发展期和故障期。 萌芽期：转子绕组匝间出现初始异常征兆，机组运行还未受到影响，发电机组振 动、励磁电流、机组无功及轴电压等均符合正常运行工况m 1 。故障表现为局 部过热、匝间以稳定的高阻短路或匝间绝缘问存在油污、漆片等污染物。发展期： 机组运行已经出现异常，匝间短路基本或已经具备稳定特征。发电机运行状况下 出现振动增大、机组励磁和无功受到影响，但运行工况限制尚未突破m “”。嘞1 。故 障期：绕组匝间绝缘已经出现明显的严重短路征兆，发电机组振动超标、无功严熏 降低( 励磁电流超过额定要求) 、转子温度高等异常运行工况，已危及发电机组的 安全运行，甚至包括已经促发转子接地等故障的发生。因此，这种状态下要求机组 立即停机进行故障处理和全面检修渊。 发电机转子绕组匝间短路故障诊断的目的是尽可能在故障的萌芽期和发展 期准确地诊断出稳定性匝间短路和动态性匝间短路，分析故障发生的原因并确定 故障发生的部位和严重程度。 1 3 3 转子绕组匝间短路研究的现状 用于检测发电机转子匝间短路故障的传统方法主要有以下几种 ( 1 ) 单开口变压器法。 8 河海大学硕士学位论文 ( 2 )双开口变压器法。 ( 3 )交流阻抗和功率损耗法。 ( 4 )直流电阻法。 ( 5 )发电机空载和短路特性试验法。 ( 6 )重复脉冲法( r s o ) 。 上述这些方法都已应用了很多年，并积累了很多经验。这些方法各有其优点 和不足之处。举例如下： ( 1 ) 前两种方法及r s o 方法不能应用转子转动状态下检测，仅在停机抽出 转子的情况下方能进行。 ( 2 ) 前三种方法检测虽较灵敏，但受转子槽楔的材料及槽楔与槽壁的紧密 程度的影响。 ( 3 ) 交流阻抗法简便、实用，且较灵敏，可在静态和动态下测量。然而这 一方法除受槽楔的影响外，还受到转动状态下定子附加损耗、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o “1 ， 对于没有历史数据可比较的发电机而言，该方法会出现误诊断“2 “5 ”，当短路故 障比较轻微时，有时可能不能获得准确结论。 ( 4 ) 直流阻抗法及发电机空载和短路特性试验法灵敏度低，只有在短路匝 数较多时，诊断方法才比较有效。 ( 5 ) 上述方法都难以在实际运行工况下进行检测，其检测的条件与实际运 行工况的等价性较差。除了单开口变压器法和r s o 法之外，其它的检测方法难 以实现对故障的定位，仅能作为分析短路故障及其发展趋势的参考。同时上面的 方法都无法捕捉到动态匝问短路故障，因此上述方法难以满足发电机的在线检测 的需要。 随着对转子绕组匝问短路故障的研究，目前转子绕组匝间短路在线检测的方 法主要有： ( 1 )气隙线圈探测法。 ( 2 )环流检测法。 ( 3 )交流阻抗和功率损耗法。 ( 4 )行波法。 ( 5 ) 利用励磁电流与无功功率的变化法。 以上几种方法都可以实现转子绕组匝间短路的在线检测。气隙线圈法、行波 法可以实现转子匝间短路的定位，同样这几种方法也各有优缺点。 气隙线圈探测法在近十多年来在国内外获得了广泛的应用，在国内3 0 0 m w 及 以上的发电机中已比较广泛的使用了探测线圈，我国大亚湾核电站的9 0 0 d w 机组 中就采用了探测线圈监测转子绕组的匝间短路1 。气隙线圈探测法在发电机空载 或是发电机三相短路时效果好啪，在负载的情况下，漏磁通过零点对于匝间短 路诊断灵敏度具有影响，难以实现一次定位，而宜采用不同水平的负载来实现定 位“”“”。由于目前我国很多发电机上没有安装探测线圈，很大程度上限制了这种 第一章序论 诊断方法的应用。 环流检测法依赖发电机绕组的结构，要求每相绕组都是由两个半相绕组并联 而成”，而对于不满足这种绕组结构的发电机，该方法将会失效，同时也需要 在定子绕组上套装一个测量线圈，这就加大了这种方法应用的难度。 行波法用于转子绕组匝间短路故障诊断，目前在国外已有研究。3 埘“、。” 对于故障的定位，由于发电机转子绕组故障的特征信号难以获得，因此难以实现， 而对于故障的判断是一种颇有前途的方法。 利用励磁电流和无功功率的变化来实现转子绕组匝间短路的判断，是近年来 研究比较多的方法，只需要测量发电机的机端变量就可以实现匝间短路故障的判 断，并且可以得到故障_ 严重程度信息，但是也难以实现故障定位啪“咖“o 。 表1 一l 比较了几种转子绕组匝间短路主要检测方法的应用范围及各方法的 特点。 表l 一1发电机转子绕组匝闯短路检测方法应用范围评价 1r s o 法 2 气隙波形检测法 有效有效有效 不明显有效有效 3 交流阻抗和功率损耗法无效有效有效 4 单开口变压器法 5 双开口变压器法 不明显有效有效 不明显有效有效 6 直流电阻法无效不明显有效 7 发电机空载或三相稳定短路法无效有效有效 静态检测。试验方法简单，灵敏度高，定位 到槽 动态检涮，依赖数据处理和专家可诊断萌芽 期故障，短路1 5 - 3 0 n 有足够的灵敏度 静态、动态检测，变化超过5 以上能检 测，不能定位 静态检测，准确度高，可定位到槽 静态检测，准确度高，可定位到槽，比3 简 蕾 静态检测，对萌芽期、发展期效果差不能定 位 动态专项试验，灵敏度差，不能定位 1 3 4 转子绕组匝问短路急需解决的问题 发电机在正常负载运行状态下能否对转子绕组匝间短路进行监测、怎样实现 早期报警，是实现转予匝间短路在线监测应首先解决的课题。就目前研究现状来 看，急需解决的问题就是如何提高故障诊断的有效性，可以通过以下几个方面来 解决。 i 故障机理的研究和诊断规则的确定。故障诊断规则的研究是大型汽轮发电 机故障诊断系统研制的“瓶颈”问题，目前诊断软件中所使用的诊断规则通常是 通过实验室模拟或理论计算得出的，与发电机的实际情况有较大的差异。可以通 河海大学硕士学位论文 过进一步深入研究故障机理，结合现场应用，形成基于现场的故障诊断系统。 2 故障诊断方法的改进。目前各种在线诊断方法都存在不足，故障诊断存在 误诊和漏诊现象，同时故障定位很难实现。可以综合考虑故障的各种特征量，采 用集成型智能化故障诊断方法来提高故障诊断的有效性。 1 4 本文的主要工作 本文分析了发电机转子绕组匝间短路故障的电磁特性和故障机理。比较了现 有的各种故障诊断方法，对现有的磁动势平衡诊断方法进行了改进，提出了基于 g a 与b p 相结合的以及遗传规划法诊断方法。通过仿真计算验证了该方法的可行 性。 1 研究了发电机转子绕组匝间短路故障的故障机理，分析了目前在线诊断 的方法，指出了各种方法的优缺点。着重对磁动势平衡法和行波法进行发电机转 子绕组匝间短路故障诊断的方法进行研究。 2 通过发电机的磁动势分析，提出了应用磁动势平衡直接获得故障样本的 方法，解决了神经网络在故障诊断中难以获得故障样本的难题，并将神经网络用 于转子绕组匝间短路诊断，取得了较好的结果。 3 将模拟进化方法引入神经网络，构建了神经网络和遗传算法相结合的计 算方法，并应用于转子绕组匝间短路故障诊断，解决了神经网络易陷入局部最优 的缺点。 4 利用遗传规划法求取励磁电流，应用于转子绕组匝间短路诊断中。并将 遗传规划法与神经网络法得出的结果进行比较，说明了遗传规划方法的可行性。 第二章发嗲你转子绕组匝间短路故障机理 第二章发电机转子绕组匝间短路故障机理 发电机转子绕组发生匝间短路时会引起气隙磁通的畸变、转子绕组交流阻抗 的降低、机组的振动加剧、定子绕组中出现各次谐波成分：在转子的轴上感应出 轴电压和轴磁通，转予励磁电流增加，同时由于转子绕组的波阻抗发生变化，会 引起转子上的行波发生反射。根据这些故障特征，转子绕组匝间短路的诊断可以 从微分探测线圈法、环流检测法、振动检测法、轴电压轴电流法、励磁电流和无 功功率法、行波法等进行。本章将从分析故障的机理入手分别介绍各种诊断方法 的研究和存在的问题。 2 1 转子绕组匝间短路引起的气隙磁场畸变 2 1 1 气隙磁通的分布 发电机的转子线圈通过直流电时，气隙磁通的漏磁通具有方向性，当发电机 正常运行时，对应转子槽号的一对极的漏磁通分布曲线应该是一样的，只是反向 而已。由于漏磁通的大小正比于流过转子槽的电流的大小，因此线槽的磁通波形 波峰值的大小正比于该槽内的有效转子线圈安匝数。当一极某线槽的线圈出现匝 间短路时，则该线槽的漏磁通波形的波峰值将降低，而另一极同线槽的漏磁通波 形峰值不变。比较两者可发现匝间短路出在哪一极，第几号线槽的线圈存在匝间 短路。当另一极对应槽的线圈也存在同样的匝间短路，则应和该机组的历来情况 或典型的漏磁通曲线进行比较。 2 1 1 微分探测线圈法的应用 微分探测线圈法将一静止的探测线圈装在电机气隙处。探测线圈的直径比转 子一个齿宽小，通常装在定子的铁芯的空气隙表面，漏磁探头伸入气隙的固定空 间位置。根据气隙磁场计算和现场实测表明，探测线圈距转子表面距离越小，测量 到的感应电压就越高，即灵敏度就越高。 气隙探测线圈检测技术在大型汽轮发电机中已经广为应用，但对检测波形的 处理和分析方法上目前国内外尚未形成统一的标准。国内机械行业标准判定匝间 故障的方法是直接采用探测线圈的电压进行计算；美国西屋公司是采用将探测线 圈的感应电动势积分得出磁通波形，再用于分析和判断；日立公司的判定原则是 两极对应点的电压波形幅值的比值在0 9 5 至1 0 5 之内，即认为是正常的，否则可 河海大学硕士学位论文 能存在匝间短路；英国原g e c 公司是采用电动势波形谐波分析的方法，即认为正 常时只存在奇次谐波，当匝间短路时则出现偶次谐波。 2 1 3 微分探测线圈法存在的问题 微分探测线圈法在发电机带负荷运行时诊断的灵敏度会降低，同时难以实现 一次定位，对于轻微的匝间短路有时候也难以检测到。 气隙磁通密度波形的畸变因数在气隙磁通密度过零处是最小的。当发电机开 路时气隙磁通密度是在正交轴线处过零，随着负荷的增加过零从正交轴线逐渐超 前于磁极，因此，在发电机负荷大小使气隙波形过零点对应于绕组短路匝位置时， 采用气隙波形检测的匝间短路才有最大的灵敏度“。因此微分探测线圈法在发 电机空载或是三相短路时，效果很好，但是发电机带负载运行时灵敏度会降低。 由于漏磁通曲线的过零点会随着负荷的变化而有变化，因此微分探测线圈法 在线检测转子绕组匝间短路时，难以实现一次定位，宣选取不同的负荷点，从而 实现对匝间短路的准确判断和定位。 在文献 5 5 中，研究了漏磁通过零点对于匝间短路诊断灵敏度的影响。对 于一个两极发电机转子，在一个极下的4 号线圈及另外一极的6 号线圈中均存在 短路匝。在2 5 的额定负荷时，6 号线圈的短路特征很明显，而4 号线圈的故障 特征却不明显。而当负荷为7 0 的额定负荷时，4 号线圈的故障被放大，而6 号线 圈的故障却被缩小，如图2 - 1 所示。 渺 一n 慑簟i 。 撮蛾 ( a ) 2 5 额定负荷漏磁通波形( b ) 7 0 额定负荷漏磁通波形 图2 一l 不同负荷水平下漏磁通波形 为了便于匝间短路的检测和判别，在发电机正常运行或进行新电机特性试验 时，应将各种负荷下各线槽的漏磁通典型的曲线储存于电脑中。建议典型曲线中 的负荷取空载、2 5 、5 0 、7 0 、8 5 和1 0 0 的额定负荷。 微分探测线圈法有时候对于轻微的匝间短路故障灵敏度不是很高。1 9 9 5 年2 月2 4 日，在大亚湾核电站9 0 0 m w 的2 号机组大修后。发电机组升负荷至4 0 时， 检测发电机转子气隙探测波形的第2 9 槽波形为短波峰，怀疑气隙探测波形出现 异常。经原g e c 公司进行专项研究分析后，认为波形特性与负荷方式有关，这种 工况下的波形属于正常状态。经过8 年来的检测波形对比分析，2 台发电机气隙 第二章发嗲你转子绕组匝间短路故障机理 探测波形未有异常变化。由机组第六次大修r s o 试验认为发电机转子绕组存在 匝间绝缘异常，到2 0 0 2 年3 月1 2 日2 号发电机发生转子接地故障( 同时存在匝间 短路) ，机组启停和正常运行期间的气隙波形没有显著变化。这说明采用波形对比 或录波图计算的方法对发现轻微匝间短路是很困难的1 。 微分探测线圈法的应用，最大的问题是，要在发电机的定转子气隙之间安装 一个探测线圈，而我国在运行中的发电机上大多都没有安装。 2 1 4 微分探测线圈的实际应用 实验室的模拟发电机在发电机的定转子气隙中安装了两个微分探测线圈，当 发电机转子绕组发生匝间短路时，对应于不同的负荷，可以得到不同的漏磁通波 形。 2 2 转子绕组匝间短路引起的振动 振动噪声监测是故障诊断的主要方法之一，旋转机械发生故障时一般都会在 振动量上体现出来。对于运行的发电机组来说，明显超过其允许幅值的振动，将 会导致转予滑环和电刷磨损加剧以及产生环火；使机组连轴器不能正常工作；严 重时将会导致机组密封系统的破坏；连接部件松弛和应力增大；并危及发电机的 基础部分，对发电机及发电机周围的建筑物产生灾难性后果，同时振动加剧