（电机与电器专业论文）汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的检测研究.pdf

四川大学硕士毕业论文 常时定转子间的气隙磁场波形认为近似于阶梯形；当发生匝间短路时，相当于 一个退磁效应，发生匝间短路故障处的磁场会削弱，从而使感应电势波形发生 变化，出现了波形上的凹缩。探测线圈法正是基于这种机理实现对故障的检测。 小波分析具有良好的时频局部化特征，为描述信号的奇异性提供了手段， 由于小波分析非常适合分析非平稳信号，同时对平稳信号的分析同样有效，因 此小波分析可作为故障诊断中信号处理的较理想的工具。本文介绍了小波分析 的理论基础，以及采用小波分析进行故障信号分析的方法。最后，采用m a t l a b 中的小波分析工具箱对模拟信号进行仿真分析。仿真结果表明，小波分析和探 测线圈法的结合可以实现发电机转子绕组匝间短路故障的检测。 关键词：汽轮发电机，匝问短路故障，探测线圈，小波分析 i i 四川大学硕士毕业论文 s t u d yo ni n t e r - t u r ns h o r t c i r c u i tf a u l td e t e c t i o no f t u r b o - g e n e r a t o r r o t o r m a j o r i ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l iy ab o a d v i s o r ： n i a nl i n t h es a f er u n n i n go fe l e c t r i c a le q u i p m e n ti sk e yt op o w e rs y s t e m g e n e r a t o ri s m o r ei m p o r t a n ti nt h ep o w e rs y s t e ma st h ep a r to fg e n e r a t i n gp o w e r e s p e c i a l l y c h i n ah a sb e e no i lt h es t e po f h u g ep o w e rn e t w o r ka n d h u g eg e n e r a t o r s n l ec a p a c i t y o fg e n e r a t o ra u g m e n t sc o n t i n u a l l y s ot h ef a u l td e t e c t i o no fg e n e r a t o ri san e c e s s a r y p r o b l e mt os o l v e t h et u r b o g e n e r a t o ri sak i n do fs y n c h r o n o u se l e c t r i c a lm a c h i n e r o t a t i n g a t h i g hs p e e d w h e ni to p e r a t e s t h er o t o ri sa l w a y s u n d e rt h eg r e a t s u p p r e s s i o no fc e n t 6 f u g a lf o r c e s ot h er o t o rw i n d i n g s o f t e nh a p p e ni n t e r - t u r n s h o r t e d - c i r c u i tf a u l ta n dg r o u n d i n gf a u l t t h el i g h ti n t e r - t u r ns h o g e d c i r c u i tf a u l t h a s n ti m p o r t a n ti n f l u e n c et og e n e r a t o r , b u ti fm o r es e r i o u s l y , w h i c hc a nl e a dt ot h e v i b r a t i o no fg e n e r a t o r s ，t h em a g n e t i z a t i o no fs h a f t ，a n dh a r mt h eg e n e r a t o rt os t o p w o r k i n g s o i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rt h es t a t e so f r o t o rw i n d i n g so f t u r b o g e n e r a t o r t h u si te a r li m p r o v et h es e c u r i t yl e v e lo fp o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e rt h ei n t e r - t u r n s h o r t e d c i r c u i tf a u l td e t e c t i o nm e t h o do ft u r b o g e n e r a t o rr o t o rw i n d i n g si ss t u d i e d a tp r e s e n tt h e r ea r em a n ym e t h o d st od e t e c tt h ei n t e r - t u r ns h o r t e d c i r c u i tf a u l t o ft u r b o g e n e r a t o rr o t o rw i n d i n g s t h ea i r - g a pd e t e c t i o nc o i lm o n i t o r i n gm e t h o di s e f f e c t i v em a du s e dw i d e l y i nt h ea p p l i c a t i o no fd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nc o i lm e t h o d ，t h e s i g n a lw a v ei sd i r e c t l ys t u d i e do i lt h es c r e e n a c t u a l l yi ft h e r ei sl i g h tf a u l t ，t h e c h a n g eo fw a v ei sn o to b v i o u s a i m i n ga tt h i s ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nm e t h o di s f f l 四川大学硕尘毕业论文 p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c h c a nd e e p l yd e c o m p o s et h es i g n a li n d u c e di nd e t e c t i o n c o i l ，a n dc h e c k t h ef a u l ti n f o r m a t i o n t r u l ya n dt i m e l y i nt h i sp a p e rt h ei n t e r - t u r ns h o r t e d - c i r c u i tlf a u l to c c u r r e di nr o t o rw i n d i n g si s s t u d i e d t h ei n t e r - t u r ns h o r t e d c i r c u i tf a u l tc a r lm a k ea i rg a pm a g n e t i cf i e l dv a r y , a n d l e tt h ep e a ka n dt h ea v e r a g ew a n e t h es l i g h tf a u l td o e s n ta f f e c tt h ep o w e rs y s t e m ， b u tt h r o u g hl o n gp e r i o d ，t h ef a u l tw i l ld e v e l o pi n t ot h eg r o u n d i n gf a u l t o n e - p o i n t s h o r tm a yn o tc a u s em u c ht r o u b l ee x c e p ta f f e c t i n gt h er o t o r su s i n gp e r i o d so ft i m e ， t w o p o i n tt oe a r t hf a u l tm a y c a u s es t r o n gs h o r tc u r r e n t sw h i c hc a nl e a dt os e r i o u s a c c i d e n t s e c o n d l y ，t h ep a p e ra m p l ya n a l y z e st h ea i rm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i n g o n w e l l - b a l a n c e ds i t u a t i o n ，t h ew a v eo fa i rm a g n e t i cf i e l di sc o n s i d e r e dt oa p p r o x i m a t e l a d d e rf o r m o nf a u l ts i t u a t i o n ，t h ef a u l te q u a l st ot h ee f f e c to fc a n c e l i n gm a g n e t i s m ， w h i c hc a u s et h ei n d u c e dp o t e n t i a ld i s t o r t t h em e t h o do fa i r - g a pc o i li sb a s e do nt h e m e c h a n i s mt od e t e c tf a u l t t h i r d l y , w a v e l e ta n a l y s i s i sag o o dm e a s u r et o p r o c e s ss i g n a ld u r i n gf a u l t d i a g n o s i s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew a v e l e ta n a l y s i st h e o r y f i n a l l y , t h ew a v e l e t a n a l y s i st o o l b a ri su s e dt oe m u l a t et h es i m u l a t i n gs i g n a l s ，w h i c hv a l i d a t e st h e c o r r e c t n e s so fm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o do fw a v e l e ta n a l y s i s c o m b i n i n ga i r - g a pd e t e c t i o nc o i lc a n _ d e t e c tt h ei n t e r - t n ms h o r t e d c i r c u i tf a u l t k e y w o r d s ：t u r b o - g e n e r a t o r ；i n t e r - t u r ns h o r t e d - c i r c u i tf a u l t ；d e t e c t i o nc o i l ；w a v e l e t a n a l y s i s 四川大学硕士毕业论文 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 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。现代3 2 , 1 k 及国民经济的快速发展使电能需求量目益增长，从而促使发电设 备的单机容量加大。大型发电机组不断投入电网运行，它们已经成为电力能源 的心脏。我国电力工业自2 0 世纪8 0 年代以来，取得了迅猛的发展，发电机装 机容量的增长达到了1 0 年翻一番的高速度。据电力部可靠性中心统计， 1 9 9 3 1 9 9 7 年国产2 0 0 m w 机组的等效可用率( e a f ) 由8 4 5 提高到8 8 7 1 ；3 0 0 m w 机组由7 6 4 7 提高到8 6 8 6 1 。至2 0 0 0 年末，即我国第九个国民经济发展计 划胜利完成为止，全国发电机总装机容量已达3 1 9 3 2 亿k w ，全国总发电量1 3 6 8 5 亿k w h ，我国发电设备总装机容量及发电量均居世界第二位。与此同时，我国电 力市场正在逐步形成，电力用户对电能的质量提出了更高要求。截止2 0 0 1 年底， 我国的发电设备总装机容量达到3 3 8 1 0 s m w ，年底发电量达1 4 7 8 1 0 9 m w h 。 发电机是生产电能的基本设备，是整个电网的心脏 2 l 。如果电力系统中发 电机发生故障，可能会导致局部停电乃至整个系统崩溃。到目前为止，我国及 全世界的电能中有7 5 8 0 是由汽轮发电机提供的。据电力部门及专家分析预 计，在2 0 5 0 年前，我国的电能至少仍有约7 0 是由火电或核电，最后由汽轮发 电机提供的。因而在2 1 世纪，汽轮发电机的设计、制造、运行技术应该仍受到 相应的重视。 发电机是机电密度很高的电力设备，一旦出现故障，定转子烧毁的几率比 较高，容易引起停电事故，造成较大的损失。目前发电机的单机容量越来越大， 大功率的两极汽轮发电机单机容量己达1 0 0 0 w ；而用于核能发电的汽轮发电机， 因蒸汽机为低速机，发电机为四极，最大单机容量已达1 5 0 0 i v i w 3 j h 。大型发电 机在电力系统中居于关键位置，其运行状态直接影响整个电力系统运行的可靠 性、安全性和经济性，因此发电机的状态检测和故障诊断显得更为重要。 发电机转子是发电机的重要组成部分。转子通常由励磁线圈、线圈引线和 阻尼绕组等部分组成，这些部件在发电机运行时要承受较大的电流及离心力， 当超过部件极限强度时将导致部件的损坏。转予绕组是发电机较易出现故障的 部位，除了本体故障外，主要是转子绕组的短路故障，其表现形式主要为匝间 四川大学硕士毕业论文 短路、一点接地短路、两点接地短路等口】。正常运行状态下，发电机转子绕组 对地之间有一定的绝缘电阻与分布电容，其绝缘电阻一般大于i m q ，水冷绕组 转子在通水状态下的绝缘电阻仅有数千欧。因某种原因绝缘电阻严重下降或对 地绝缘损坏时，就会发生转子绕组接地事故。发电机转子绕组一点接地故障， 对发电机一般不会造成危害，因为发电机发生转子绕组一点接地故障时，励磁 电源的泄露电阻很大，限制了接地泄露电流的数值。但是，如果发生两点接地 故障时，就会产生很大的电流，因故障点流过相当大的故障电流而烧坏转子本 体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能会因过热而烧坏；而且 部分绕组被短接，导致气隙磁通失去平衡，从而引起振动，特别是多极发电机 会引起更加严重的振动，甚至会因此而造成灾难性的后果，将严重威胁发电机 的安全。此外，汽轮发电机励磁回路两点接地，还可能使轴系的汽轮磁化。因 此两点接地故障的后果是很严重的。近几年来，国内大型发电机由转子绕组接 地所引起的严重运行事故并不少见。 目前，国内已运行的大型汽轮发电机组中，发生转子绕组匝间短路故障占 故障总数的比重较大，大多数发电机都曾发生过或仍存在转子绕组匝间短路故 障。由于绕组绝缘损坏造成转子绕组匝间短路后，会形成短路电流，从而形成 局部过热点。在长期运行下，局部过热点又会进一步引起绝缘损坏，导致更为 严重的匝间短路，从而形成恶性循环的局面。一旦出现匝问短路，电机中便会 出现磁通的不对称和转子受力不平衡现象，从而引起转子振动等。目前为止许 多单位的发电机曾发生过转子绕组匝间短路故障。例如1 9 9 3 1 9 9 8 年，张家口 发电厂的2 台发电机连续3 次发生转子绕组严重匝间短路，将护环下的绝缘瓦 烧穿后烧伤护环，转子大轴严重磁化，护环报废的事故d l 。2 0 0 0 年上半年，湖 南省湘潭电厂b 厂3 0 0 m w 大型发电机发生转子运行异常，最后发展为转子端部 绕组处绝缘瓦块和转子护环烧坏。经转子解体检查发现，转子绕组存在明显和 严重的匝间短路故障，经过修复方才运行，损失很大。某电厂四台汽轮发电机 组，在投入运行后，先后出现转子绕组匝问短路故障，随着运行时间的增长， 匝间短路故障愈来愈趋严重，在额定出力时，转子电流增加了1 5 2 0 ，长期以 来只好低无功负荷，保持转子电流不超过额定值【6 】。 长期以来，一些人认为只要不酿成运行问题( 如由于热不平衡引起振动等 级的变化) ，转子发生匝间短路是允许的。许多小容量( 3 0 1 2 0 m w ) 转子带着匝 四川i 大学硕士毕业论文 间短路已运行几十年，其中有些短路线匝直到最近用各种转子匝间短路探测技 术仔细检查时才被发现。据统计资料表明，转子绕组匝间短路，并不会影响机 组的正常运行，所以常常被忽略，但是如果故障继续发展，会使转子电流显著 增加，绕组温度升高，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动并出现其它机 械故障，严重时将会影响发电机的无功出力。如果是不对称的匝间短路会导致 发电机组振动加剧，也可能进一步导致转子绕组对地绝缘损坏，进而发展成为 接地故障，对发电机组本身的安全稳定运行构成很大的威胁。因此对发电机转 子绕组匝间短路故障进行检测和早期预报是十分必要的。 1 2 发电机故障诊断技术的发展与现状 设备状态监测与故障诊断技术是一种了解和掌握设备使用过程状态的技 术。它可以确定设备整体或局部是正常还是异常，能早期发现故障及其原因， 并能预报故障发展趋势。设备状态监测与故障诊断过程包括状态监测、故障检 测、故障识别或诊断、故障分析与预测、故障处理对策与建议等【7 j 。 设备故障诊断方法按其发展历程大致可分为两类：传统故障诊断方法和智 能故障诊断方法。传统故障诊断方法是利用各种物理的和化学的原理和手段， 通过伴随故障出现时的各种物理和化学现象，同时处理检测数据，直接进行故 障检测。它是通过人们长期的经验以及对检测信号的处理而发现故障，因此需 要人们对故障现象及故障信号有一定的敏感性。另一种是智能诊断方法，主要 包括人工智能的专家系统和人工神经网络。发电机是一个复杂的系统，故障形 式涉及机械、电气和绝缘各个方面，仅通过传统的诊断方法有时不能及时有效 地实现故障检测，因此在传统诊断方法的基础上进行智能化诊断有一定的意义。 现在这种智能化方法已成为现代诊断系统的发展趋势和有效手段，目前在诊断 中研究较多的智能方法有智能专家系统、模糊诊断理论及人工神经元网络等。 故障诊断技术研究的主要内容有四个方面：故障机理，故障信息处理技术， 故障源分离及定位技术，人工智能技术的应用研究。其中故障机理的研究，是 以可靠性和故障物理为理论基础，研究故障的物理学或数学模型，了解故障的 形成和发展过程，明确故障的动态学特征，从而进一步掌握故障信号，提取故 障征兆。故障信息处理技术包括故障信号检测和故障信号分析处理两个部分。 测量的信号通常是振动、噪声、温度、压力、电流、电压等信号中的一种或几 阴川大学硕士毕业论文 种。故障信号分析处理是对检测到的各种状态信息进行加工、变换，以提取故 障征兆。目前，应用最广泛的故障信号分析处理方法是傅立叶( f o u r i e r ) 分析和 相应的傅立叶快速算法。故障源分离与定位也称为故障模式识别，是将经过信 号处理得到的有限的或不完整的特征信号与故障原因对应起来，使故障源定位。 故障源分离与定位技术是故障诊断的关键技术，将故障源定位是故障诊断的最 终目标。智能诊断技术已从实验室研究阶段逐渐走向实际工程应用阶段，智能 诊断技术是大型复杂系统故障诊断发展的重点方向。目前人们在智能诊断技术 的研究方面做了大量的研究工作，但无论是在理论方面还是在实际应用方面都 还存在许多问题，有待于更深入地研究解决。 设备诊断技术是2 0 世纪6 0 年代后半期首先在美国出现的，最初的目的是 对航天、核能以及军事装备进行异常状态的早期检测。2 0 世纪8 0 年代以来，该 项技术逐步应用于大型电机。在1 9 8 7 年，t a v n e rp j 与p e n m a nj 提出了电机 状态监测的概念哺 。 发电机故障诊断的目的是通过发电机运行的特征参数和其它诊断信息来识 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，从 而保证发电机在定的工作环境和期限内能够可靠地有效地运行，尽可能减少 和消除事故。 目前，世界一些国家采用的和正在研制的发电机在线监测和诊断系统内容 比较广泛，主要包括定子绕组、铁芯、转子及机组轴等各个方面。在国际上， 以美国为主的西方发达国家在大型汽轮发电机在线监测与诊断技术的综合研究 方面处于领先地位。一方面，美国的信号处理与数据分析技术发展较快，而这 些技术是设备状态监测的基础，是发展故障诊断不可分割的部分；另一方面， 美国的一些专业公司，如b e n t l y ，i r d ，b e i ，从事对大型电站机组的运行和监控 的研究以及对机组安全性和可靠性等的研究已有4 0 多年的历史，建立了相当完 善的数据库管理系统。 日本三菱电机公司与大学共同开发了汽轮发电机运行中的绝缘诊断系统， 此系统根据汽轮发电机运行中的局部放电现象的检测来进行诊断。 瑞士开发了水电机组运行状态监测系统，它采用开放式模块结构，有很强 的灵活性。 我国的设备诊断技术1 9 8 3 年起步，起初主要用于石化、冶金、电力等行业。 四川i 大学硕= i 毕业论文 大型汽轮发电机的在线监测与故障诊断技术作为国家“七五”、“八五”重大 科技攻关项目，在“九五”期间仍然受到支持。西安交通大学、清华大学、哈 尔滨工业大学等一些高校及一些研究所在大型汽轮发电机故障机理及诊断技术 方面做了一定的研究，处于国内的领先水平。其中东南大学开发了1 2 5 ；v l w 汽轮 发电机组状态实时监测与故障诊断系统；哈尔滨工业大学开发了2 0 0 i v l w 汽轮发 电机组集散式状态监测与故障诊断系统，此系统可实时监测并进行趋势分析。 近年来大型汽轮发电机的单机容量不断增大，对于大型汽轮发电机的一些故障 机理、故障特征及诊断方法还有待于进一步深入地研刭9 。 汽轮发电机故障诊断的主要步骤为：先监测发电机的状态特征信号；再从 所监测的特征信号中提取征兆，有些特征信号本身也可作为征兆；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。确定故障征兆和诊断 规则是大型汽轮发电机故障诊断的技术难点之一。 1 3 发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究现状 在以往多年的实际工作中，全国各发电厂以及一些研究机构提出了许多转 子绕组匝间短路故障的检测方法。目前对发电机转子绕组匝间短路的检测方法 主要分为静态检测和动态检测两种【l0 1 。其中静态检测方法主要有以下几种： 1 直流电阻法 当绕组发生匝间短路时，直流电阻的数值将变小。通常大型汽轮发电机转 子绕组的总匝数较多( 约在1 6 0 匝以上) ，如果只有一二匝短路，即使测量很精 确，直流电阻的降低也不超过1 。根据计算，仅当短路匝数超过转子绕组总匝 数的2 及以上时，直流电阻减小的数值才能超过规定值的2 。因此直流电阻法 的灵敏度是比较低的，它不能作为判定匝间短路的主要方法，只能作为综合判 断的方法之一。文献 1 1 中提到经过计算发现短路匝数超过了总匝数的2 时， 但通过实验发现测量的直流电阻的变化仅互差0 8 ，说明了该方法在灵敏度方 面有一定的缺陷。 2 交流阻抗和功率损耗法 此方法是在转子绕组中通入交流电，测量转子绕组的阻抗及功率损耗值， 与原始数据或上次试验的记录进行比较。当绕组中有匝间短路时，在交流电压 下流经短路线匝中的短路电流，约比正常线匝中的电流大r l ( r l 为一槽线圈总数) 四川大学硕士毕业论文 倍，它有着强烈的去磁作用，并导致交流阻抗大大下降，功率损耗却明显增加。 此方法是判断转子绕组有无匝问短路比较灵敏的方法之一。但是此方法要受到 很多因素的影响，比如槽楔装配工艺和阻抗、转动状态下的定子附加损耗、转 子本体剩磁、实验时施加电压的高低和护环等，有时不能准确判定较为轻微的 匝问短路故障”“。 3 发电机空载、短路特性曲线法 当转子绕组中存在匝问短路时，其三相稳定的空载特性曲线与未短路前的 比较将会有所下降，短路特性曲线的斜率也将减小。通过测量发电机空载电压、 短路电流与励磁电流的关系曲线，观察其斜率有无变化，从而判断转子绕组有 无匝间短路故障。但由于测量精度的限制，灵敏度较低，一般在匝数较多( 转 子绕组短路的匝数超过总匝数的3 以上) 时，才能从曲线上反映出来。 4 单开口变压器法 在转子绕组中通入交流电后，转子槽齿上便产生交变磁通。利用一只开口 变压器和槽齿构成闭合磁路，测量转子各槽上漏磁通引起的感应电压。线圈中 有无匝间短路时，在开口变压器线圈上所感应的电势的大小和与电源电压之间 的夹角是不同的，据此将各槽测量结果进行相位比较，即可得到判断。当短路 点发生在线槽上部时，可以得到明显的结果；而短路点靠近槽底或槽的中部时， 开口变压器中所测得的感应电势的数值将明显降低。实验证明，当磁性槽楔下 的线圈发生匝间短路时，此方法反映不灵敏。 5 双开口变压器法 双开口变压器法是基于电磁感应的原理，用两个开口变压器置于转子本体 同一线圈的对应槽齿上，对其中一个变压器施加励磁电源，当槽内线圈有匝间 短路时，由于部分磁通要经另一变压器闭合，所以会在此变压器上感应出电势。 通过测量另一个变压器的感应电势，若发现比无匝问短路时成倍增加则说明转 子线圈存在匝间短路故障。 6 r s o ( 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 ) 方法 r s o 重复脉冲检测法应用的是行波理论，用双脉冲信号发生器对发电机转子 两极同时施加前沿陡峭的高频冲击脉冲波，当该脉冲信号沿绕组传播到阻抗突 变点时，会导致反射波和透射波的出现，由此会在检测点测得与正常回路无阻 抗突变时不同的响应曲线，通过与制造厂家提供的标准波形进行比较，可判断 四川大学硕+ 毕业论文 转子绕组是否出现匝间短路以及匝问短路的位置。该方法对匝间短路的反应比 较灵敏，易于发现比较小的匝间短路，但不能实现在线监测，而且需要脉冲信 号。文献 1 3 中提到2 0 0 2 年大亚湾2 # 发电机在历年停机换修期间曾通过r s o 方法对绕组匝间短路的发生、发展以及最后的接地过程进行了分析。 发电机转子绕组匝间短路故障的静态检测方法对保证发电机安全运行和检 修质量起到了良好的作用，但对于不稳定的动态匝问短路无法判断。大型发电 机的转子绕组，一旦出现问题，其危害程度较为严重，因此研究发电机转子绕 组匝间短路的在线检测方法具有一定的现实意义。 在线检测的方法主要是探测线圈波形法。在一定的运行条件下，如果存在 转子匝间短路，就会引起磁场的不对称，破坏气隙磁场的正常分布，同时故障 所在槽的槽漏磁齿谐波也会相应发生变化。在发电机气隙磁场中加装探测线圈， 通过对探测线圈上的电势采样，其电势波形反映了发电机气隙磁通密度的变化， 便可以可靠地获取转子匝间短路故障的信息和故障点位置信息等【l 。 探测线圈法是由阿尔布莱特( a l b r i g h t ) 1 5 1 首先提出的，是把静止探测线 圈放在电机气隙中的在线检测方法。探测线圈的直径比转子的一个齿宽要小， 装在定子空气隙表面，它既可测磁通的径向分量，也可测磁通的切向分量。根 据谐波的峰值和谷值的高度变化来确定短路匝数的多少和短路点的位置，这就 是阿尔布莱特的方法和内容。他测的发电机在开路和短路试验状况下的探测线 圈两端的波形，然后根据示波器上的峰值高度来识别故障。 国家机械部在1 9 9 6 年颁布了j b t 8 4 4 6 1 9 9 6 标准，对发电机转子匝间短路 的诊断制定了2 种诊断方法，对故障的确定具有指导意义。第一种方法在是转 子交流阻抗法，即在静态试验中，各极线圈的阻抗差不得大于最大值的3 。第 2 种方法是探测线圈波形法，取一个磁极上一个探测线圈感应电压与另一磁极上 相对应的同号探测线圈感应电压之差值与整定值的差值判断故障可能。 目前，气隙探测线圈法对检测波形的处理和分析国内外还未形成统一的标 准i l “。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，然后 再用于分析和判断；英国原g e c 公司是采用电动势波形的谐波分析方法，认为 正常时只存在奇次谐波，若存在偶次谐波则说明发生了匝间短路：日立公司的 判断原则是：如果两极对应点的电压波形幅值的比值s n 在0 9 5 到1 0 5 之内， 认为是正常的，否则可能存在匝间短路。 四川大学硕士毕业论文 基于定子线圈探测的发电机转子绕组匝间短路方法是探测线圈法的改进， 它是直接用定子线圈作为探测线圈，根据转子绕组发生匝间短路时会导致发电 机定子绕组并联支路之间出现电势差和环流这一原理来实现故障检测，并且其 大小和分布与短路的程度有一定的关系。 国内外许多学者在以上故障诊断方法的基础上，详细分析转子绕组发生匝 间短路故障时故障机理，并提出了新的理论和方法。 文献 1 7 通过对汽轮发电机转子匝问短路故障时电磁特性的分析，确定了 匝间短路故障严重程度和有效磁场损失之间的定性对应关系。在考虑磁场饱和 的条件下，建立了转子匝间短路故障诊断的数学模型，通过计算有效磁场的损 失导致的发电机电气参数变化，特别是对无功输出的影响，建立了在线识别转 子匝间短路故障的判据。 文献 1 8 提出当发电机发生转子绕组匝间短路故障时，气隙主磁场出现谐 波，当谐波次数与发电机极对数满足一定关系时，电枢反应磁场与转子不同步 旋转，从而在转子绕组中感应附加谐波电流。通过对励磁电流谐波特性的分析， 来判断是否发生匝间短路故障。 文献 1 9 提出当发电机转子绕组发生匝间短路后，在某一确定的运行状态 下，发电机励磁磁势故障前后维持不变，基于此原理并利用人工神经元网络诊 断转子匝间短路故障及故障程度。 文献 2 0 、 2 1 提出转子发生匝间短路故障时后，励磁电流增加而无功输 出却相对减少的特征，根据确定的故障特征找到一种利用故障前后励磁电流相 对变化率作为识别故障的方法，从而建立了在线识别转子匝间短路故障的判据。 英国学者j w w o o d 等提出给转子加阶跃脉冲，通过测量其反射的回复波来 检测是转子是否存在匝问短路故障1 2 2 】。 r o s e n b e r g 和等人提出对匝问短路故障可以用周期性冲击波示波图法来做 离线检测【2 。 俄罗斯的b r 卡茨曼提出利用转子绕组匝问短路时在定子并联支路中存在 环流的现象来检测匝问短路故障j 。 c o n o l l y 等人【2 5 】提出，可以先用与探测线圈相连的监测器显示出匝间故障 的发展过程，然后用详细的分析方法离线分析探测线圈的电压波形，判断故障 类型及对故障定位。其中在线监测器测量到的是探测线圈电压波形的最低的四 四川大学硕士毕业论文 个偶次谐波的和。系统中报警预置电平的数值，取决于发电机本身、发电机历 史状况和所装的探测线圈的类型。 r a m i f e z n i n o ，j 和p a s c a c i 0 ，a 提出了通过对探测线圈信号的统计分析， 采用墨西哥电气研究所的技术手段，在转子额定转速下，对转子的短路故障进 行定位和确定短路的线匝的数目怛“。 k h r y u k i n 提出了环流测量法【2 ”，即用定子绕组本身作为探测线圈进行发电 机故障监测。其原理为：大型两极发电机的每相定子绕组都是由两个半相绕组 并联而成，转子绕组的任何不对称都会在定子绕组中感应产生频率为基波偶数 倍的谐波电流，并在定子中产生环流。测量这些偶次谐波电流，就可以检测出 转子绕组的匝问短路。 b y a r s 则研制了另一个在线监测器【28 1 ，提出把监测器输出波形与其延迟半 个周期的波形相叠加。这样叠加的结果是除了对称分量外其它分量都被抵消了， 有利于故障特征分量的提取。 文献 2 9 中提到一种r s o 方法，它既可以用来检测发电机转子的接地故障， 又可检测它的匝间短路故障。作者用一个水银触点的继电器产生周期重复的上 升时间很快的冲击波，并把此冲击波加到转予绕组与转子本体之间。当绕组中 存在匝问短路故障时，在绕组中传播的冲击波的反射波就要发生变化。 g u t t o r m s s o n 提出基于椭圆聚类的新方法进行旋转电机转子绕组短路故障 的检测p 。 近年来，神经网络和模糊技术的研究在国内外被广泛地用于故障诊断。神 经网络有很强的自适应能力、学习能力以及独特的容错、联想、推理、记忆等 能力。它对些难以描述的故障类型与故障信号之间的逻辑关系，往往可以找 到较好的结果，从而为故障诊断开辟了一条新的途径 3 1 - 3 3 】。在状态监测与故障 诊断中常常用模糊的语言来说明状态的特征，为了更准确、更有效地判断具有 模糊性的状态，就必须有模糊集合的概念进行描述。模糊神经元网络是结合了 人工神经网络与模糊系统的模糊知识表示组成的一种新的网络结构【3 4 。模糊神 经网络一方面可以用语言描述来采集知识；另一方面可以利用神经网络的学习 能力，来提高判决的精度。因此，模糊神经网络被广泛用于故障诊断中去【3 5 】 3 6 。 文献 3 7 提出了一种基于模糊神经网络的发电机转子匝间短路的预测模型。文 献 3 8 提出了感应电机故障诊断的一种在线方法，此方法是基于模糊神经网络 四j j i 大学硕士毕业论文 的诊断方法。 小波分析作为一门新的时频分析工具，可以方便地研究信号的动态特性， 在时域和频域同时具有良好的局部化特性，能将各种交织在一起的不同频率组 成的混合信号分解成不同频率的信号块。当前小波分析已广泛地应用于故障诊 断和信号的突变检测中去【3 9 1 1 4 0 l 。文献 4 1 提出利用小波变换根据机端和中性点 三次谐波电压的局部模极大值符号特性是否相同来识别定子接地故障。文献 4 2 利用两种小波变换对发电机转子一点接地故障信号进行了分析，并得到了满意 的结果。文献 4 3 中提到将小波分析用于汽轮发电机转子绕组匝间短路的故障 检测中。 1 4 研究的内容和主要工作 根据以上的研究，本文对汽轮发电机转子绕组匝间短路故障进行了系统的 分析，并介绍了基于小波分析的故障检测方法。首先说明了进行发电机转子绕 组匝间短路故障检测的必要性，深入地研究了发电机发生匝间短路的原因、类 型以及转子绕组发生匝间短路时的磁场情况。为了便于在线检测，采用探测线 圈法作为检测故障的主要手段。小波分析是近一、二十年兴起的信号处理分析 工具，根据小波变换模极大值原理，可有效地对提取的信号进行处理，并判断 是否存在故障和故障的定位。 本文主要做了以下几个方面的研究工作： 1 发电机转子绕组匝间短路是发电机转子较易发生的故障，轻微的匝问短 路故障并不会对发电机产生重大的影响，但发展之后会产生严重的后果，可能 造成很大的损失。针对这一情况，查阅了大量的文献和学术论文，了解国内外 学者在此领域的研究状况，总结了目前的研究成果以及一些方法的不足之处。 2 分析发电机发生匝间短路的原因及类型，对汽轮发电机转子绕组发生短 路的二维数学模型进行了详细地分析，并深入研究了汽轮发电机转子绕组发生 匝问短路的磁场情况。 3 根据分析的情况以及发电机的气隙磁场分析，提出了探测线圈法。详细 对其检测原理进行了分析，对探测线圈作了大概的介绍，并以大亚湾核电站进 行故障检测时所录制的微分探测线圈波形对此方法进行了进一步地分析，证明 此方法在实际中的可行性。同时介绍了基于定子线圈的故障检测方法。 四川i 大学硕士毕业论文 4 小波分析可以判断信号的奇异性。匝间短路时线圈中的感应信号在短路 线匝处会减小，从而使信号波形的外包络线出现凹缩。根据探测线圈中感应电 动势信号的这一特点，先提取探测信号，再用小波分析对此信号进行处理，并 确定是否存在匝问短路及进行故障定位。 5 采用m a t l a b 软件，模拟汽轮发电机正常时线圈中的波形和发生匝间短路 时线圈中的波形，并用d b 4 小波对两种情况下的信号进行分解，通过分析比较 说明小波分析可以实现故障信号的检测以及故障的定位。 四川大学硕士毕业论文 2 汽轮发电机转子绕组匝间短路的理论分析 本章首先介绍了汽轮发电机的转子结构，然后对发电机转子绕组发生匝间 短路的原因以及故障类型进行了说明，并详细分析了发电机转子绕组短路的二 维模型及发生匝问短路故障时的磁场分布，从而为实现故障检测提供了理论依 据。 2 1 汽轮发电机的转子结构 为了减少高速旋转引起的离心力，汽轮发电机一般采用隐极式转子，转子 直径一般不超过一米。为了提高单机容量，只能增加转子的长度，因此汽轮发 电机的转子外形是一个细长的圆柱体。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐 极式转子的结构和加工工艺较为复杂。 1 联轴器2 外风扇3 轴4 内风扇座环5 护环6 转子本体 图2 1 汽轮发电机的转子实物图 转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。励磁绕组为 同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。汽轮发电机 均为隐极式转子，其转子上没有凸出的磁极，如图2 2 所示。励磁绕组嵌埋于 转子槽内，转子绕组为分布绕组，沿转子圆周气隙可视为是均匀的，因此励磁 磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化。合 理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。 四川大学硕士毕业论文 图2 - 2 隐极式电机转子示意图 汽轮发电机的转子铁心一般由高强度和导磁性能较好的合金钢锻成，并且 和转轴做成一个整体。转子铁芯开槽较多，齿较窄的部分叫小齿，这部分约占 圆周的三分之二( 安分励磁绕组) ，另一部分没有开槽，形成大齿( 磁极部分) ，。 汽轮发电机都做成一对极或两对磁极，转子上只有两个大齿或四个大齿。励磁 绕组通入直流电时，沿转子圆周在大齿上形成n 极和s 极，在大容量高转速汽 轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达1 7 0 米秒。大齿的正中就是磁极 的中心。 2 2 转子绕组发生匝间短路的原因及故障树分析 发电机转子绕组发生匝间短路的原因比较复杂，包括制造和运行两个方面 的原因。现场运行经验表明，发电机转子绕组匝间短路故障多发生在绕组端部， 尤其是在有过桥连线的一端居多。具体来说转子绕组匝间短路的原因【4 4 】【4 5 1 有以 下几个： 1 设计不合理 有的转子结构不够合理，如端部弧线转弯处的曲率半径过小，致使外弧翘 起，运行中在离心力的作用下，匝间绝缘被压断，造成了匝间短路。有的转子 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等。 2 制造质量不良 有的转子绕组在制造时所应用的匝间绝缘材料材质不良，含有金属性硬刺， 运行中在离心力的作用下刺穿了匝间绝缘，造成匝间短路。有的转子在制造过 程中，因下线、整形等工艺不当，损伤了绕组的匝问绝缘，运行不久就发生了 四川大学硕士毕业论文 匝间短路。还有的转子线匝局部未铣风孔或风量不合格造成严重过热引起匝间 短路。绕组铜导线加工成形后，其倒角与去毛刺工艺不合格，或其端部拐角整 形不好和局部遗留褶皱和凸凹不平等。 3 金属异物引起匝间短路 近几年有数台国产q f q s - 2 0 0 2 型发电机转子绕组接地事故皆由初始匝间短 路所引起的。如某厂一台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，未被认真清理。发电机运行后有两套线圈上层面匝间发生严重金 属短路，导致运行中发生阵发性剧烈振动，烟雾从励磁端向外泄出。 4 发电机在运行中产生匝问短路 有的发电机在运行中长期受电、热和机械应力的作用，绕组端部发生残余 变形、致使转弯处线匝沿径向参差不齐，匝间绝缘磨损、脱落，发生匝间短路。 冷态起动机组，转子电流突增，由于钢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。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，从而发生匝间短路。 5 氢气湿度过大引起线圈短路 氢气湿度过大有时对端部线圈之间绝缘造成极严重的后果。例如某台国外 的2 0 0 m w 氢冷发电机，由于油污、灰尘和气体的影响，使其端部线圈短路。 发电机转子系统故障按发生故障的部件主要分为转子绕组故障、转子铁芯 故障、转子轴系统故障和集电环电刷故障等。转子绕组电气故障类型主要有转 子绕组接地、匝间短路等；机械故障类型主要有转子绕组热变形、通风道局部 堵塞、漏水以及水路局部堵塞故障等。转子铁芯电气故障有负序电流引起的转 子过热烧损故障；其机械故障主要有转子护环开裂事故等。转予轴电气故障包 括转轴磁化以及产生危险轴电压。集电环电刷在刚投入运行时及正常运行中容 易发生火花放电。 故障树分析( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，简称f t a ) 方法是故障模式效应分析 ( f a u l tm o d ee f f e c ta n a l y s i s ，简称f m e