【精品】汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断系统(RDST)原理及使用手册

1、汽松农电机務&免爼洼间短略故障冷斷橐饥资料第一部分汽轮发电机转子绕组匝间短路故障危害及事例第二部分 汽轮发屯机转子绕组匝间短路故障诊断方法原理附汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断系统(rdst)使用手册第一部分汽轮发电机转子绕组匝间短路故障危害及事例1转子绕组匝间短路故障危害资料统计表明，转子绕组匝间短路是一种较常见的发电机故障，轻微的匝间短路，并不会影响机组的 正常运行，所以经常被忽略，但如果故障继续发展，将会使转子电流显著增加，绕组温度升高，无功出力 降低，电压波形畸变，机组振动并出现其它机械故障。导致大轴严重磁化.另外短路点处的局部过热可能 使故障进一步扩大为转子绕组接地故障。因

2、此进行发电机转子绕组匝间短路故障的早期预报是十分必要的, 这类在线检测是今后发展的必然趋势。特别是一些直供负荷机组，例如负荷为电解铝厂、电气机车、钢厂，采石厂等。由于电气距离较近， 发电机转子发生故障的几率更高，一方面由于负荷的频繁变动，会对转子本体、护环、绕组等主要部件产 生严重的应力循环影响，加速部件的疲劳和老化，导致转子绕组绝缘材料过早损坏，产生转子绕组匝间短 路故障、甚至更严重的转子绕组接地故障。另一方面电解铝厂、电气机车等由于使用大量电力电子装置进 行整流，产生大量的电力谐波污染，因为谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热的方式放 出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相对于

3、基波而言)，并和零序谐波一样，产生更多的损耗。正序谐 波产生正向旋转磁场来加大力矩，对转子而言，这些谐波产生的磁场穿过定子及气隙到达转子，转子受到 旋转谐波磁场的切割，并在转子部件及转子绕组中产生高频附加电流，使其产生附加损耗并发热，造成发 电机转子振动、过热。导致发电机转子绕组发生故障。2发电机转子绕组匝间短路故障原因造成发电机转子绕组匝间短路故障的原因很多：转子端部绕组固定不牢，垫块松动；绕组铜导线加工 工艺方面的缺陷造成的不严格倒角与去毛刺等；运行中高速旋转的转子绕组受离心力作用移位变形；冷态 启动后转子电流突增使转子变形或局部绝缘损伤等。发电机运行或静动态转换时，转子线圈匝间的相对运

4、动可使匝间绝缘磨损或造成相对错位，导致匝与匝之间接触。3事例1972年12月31号朝阳发电厂125mw机组发生转子线圈匝间短路，造成两点接地，大轴严重磁化，后剩 磁引起烧伤多次。1992年2月10号马头发电厂s q f - 10 0- 2型发电机转子线圈匝间短路故障，发电机转子绕组 励侧第1 8槽短路1 3匝及汽侧第7槽短路2匝。1997年 十里泉发电厂qfqs- 3 0 0 - 2型发电机转子线圈匝间短路故障，使转子绕组烧毁，最后 只好反回厂家修理。据华北电力科技情报网编写200mw火电机组故障与对策统计80年代末到90年代初，3-5年200mw 火电机组共发生转子线圈短路故障6次，占发电机

5、故障总数10%。1990元宝山300mw汽轮发电机大修时共检出8套线圈端部有17处匝间短路点。1993 - 1998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（短路2包线圈），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。这3次转子事故类型相同。某电厂3号发电机（国产qfsn-600-2型600 mw发电机）,1998年并网运行168 h后的一次大修中即检 出残留在1极面、第8套线圈、第56匝之间，由金属屑形成的匝间短路。第二部分 汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法原理0 国内外发电机转子绕组匝间短路故障诊断技术方法介绍资料统计表明，转子绕组匝间短路

6、是一种较常见的发电机故障，轻微的匝间短路，并不会影响机组的正 常运行，所以经常被忽略，但如果故障继续发展，将会使转子电流显著增加，绕组温度升高，无功出力降低, 电压波形畸变，机组振动并出现其它机械故障。因此进行发电机转子绕组匝间短路故障的早期预报是十分必 要的，这类在线检测是今后发展的必然趋势。目前对于发电机转子绕组匝间短路故障的检测，国内外都在竞相研究：英国的z wood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，俄罗斯的b. r卡茨曼提出利用转子绕组匝间短路时在定子并 联支路中存在环流的现象来检测匝间短路故障。这些方法在理论上可行，但是实现起来尚有一定困难，且检 测出故障后，不能

7、一次性实现对故障槽的准确定位；国内也已经有许多成形的方法：开口变压器法、交流阻 抗和功率损耗法、直流阻抗法、微分线圈动测法等。这些检测方法大多数都已经在现场中应用了多年，并且 积累了很多经验。但是大部分都无法在线检测或者受到其他因素的干扰很大，在实际运行中得到的结果往往 很不理想。该新方法对转子绕组匝间短路的故障机理进行了详细的分析，在考虑发电机饱和情况下，找到转子绕组 匝间短路故障发生的基本原因，根据对故障后各类实时采集数据的分析运算，找出了磁场损失与电气参量变 化的对应关系，根据确定的故障特征，找到一种利用运行监测数据进行故障诊断的方法，得出更准确有效的 故障判据。此判据经动模机组检验，获

8、得了较为满意的结果。1发电机转子绕组匝间短路故障电磁特性分析11 发电机转子绕组匝间短路故障原因分析造成发电机转子绕组匝间短路故障的原因很多：转子端部绕组固定不牢，垫块松动；绕组铜导线加工 工艺方面的缺陷造成的不严格倒角与去毛刺等；运行中高速旋转的转子绕组受离心力作用移位变形；冷态 启动后转子电流突增使转子变形或局部绝缘损伤等。发电机运行或静动态转换时，转子线圈匝间的相对运 动可使匝间绝缘磨损或造成相对错位，导致匝与匝之间接触。当此故障发展到一定程度时，会因匝间短路， 减弱发电机有效磁场，影响发电机无功出力，导致磁路不平衡而引起振动，产生“单极电势”和“单极电 流”，导致大轴严重磁化。另外短路

9、点处的局部过热可能使故障进一步扩大为转子绕组接地故障。12 发电机转子匝间短路电磁特性分析在一定的运行条件下，如果存在转子匝间短路，由于励磁绕组的有效匝数减少，为满足气隙合成磁通条件， 励磁电流必然增大。机组正常运行时，当略去开槽造成磁势的少许不连续性，转子磁势的空间分布非常接近 于梯形波。转子的短路效应将会导致磁势局部损失，从而使有短路磁极的磁势峰值和平均值减少。造成的磁 势损失可用一个解析模型简便表示，将匝间短路认为是退磁的磁势分布，它反向作用在有短路磁极主磁场的 磁势上，即视为正常条件下的磁势减去由短路引起的磁势突变，采用叠加原理，可求出合成磁势的大小，磁 势的损失使得更倾向于线性变化，

10、故可忽略主磁通回路的饱和。采用简单的矢量表示，即2合成= f（）-af （用必表示正常条件下转子绕组磁势，用"表示短路线匝产生的磁势，用f合成表示匝间短路合成磁势)。有效 磁场的减弱，会使对应的空载电势较正常时有明显的下降，在发电机端电压保持恒定的情况下，无功损耗会 相应下降。因此，转子绕组匝间短路虽引起转子电流增大，但无功却相对减少，这一故障征兆可以作为识别 转子发生匝间短路故障的一个明显的特征。表1转子绕组匝间短路故障前后无功及励磁电流变化日期时间有功(mw)无功(mva)转子电压(v)转子电流(a)定子电压(kv)定子电流(ka)工况1992. 1. 153: 00803518

11、0110010. 35. 2故障前1992. 1. 1519: 008030180115010.45. 2故障后1992. 1. 104: 007530175102010. 34. 7故障前1992. 1. 239: 457520160102010.24. 7故障后马头发电厂sqf- 1 0 0- 2型发电机，1992年发生的转子绕组匝间短路故障的监测数据，该数据证 实了转子绕组匝间短路故障引起无功相对减小的论断，见表1。1. 3转子绕组匝间短路故障诊断数学模型1. 3. 1转子绕组匝间短路的磁势和电势分析在分析发电机磁场时，往往认为磁场是不饱和的，磁动势全部消耗在气隙中；但是发电机通常运行在

12、正 常励磁或过励状态，这时铁心磁阻的作用明显增强。在负载情况下，如果产生与空载状态同样的电势，所需 的磁势要比空载时增加。这是因为要产生同样的气隙磁通，负载时转子极间漏磁通增加，使得磁极比较饱和, 磁阻增加，同时定子绕组漏磁通等的增加，也要引起主磁路磁阻的增加，因此利用空载曲线进行电磁特性分 析时必须考虑饱和系数的影响。在一定的运行条件下，如果存在转子匝间故障，由于励磁绕组有效匝数减少，为满足气隙合成磁通条件, 励磁电流必然增大。因此，可以只用测量发电机机端信息，如电压、电流、有功、无功、励磁电压等，通过 精确的数学模型计算出相应的励磁电流，并与实测励磁电流进行比较，从而判断是否存在匝间短路及

13、短路的 严重程度。由文献4的推导，可以得到正常条件下某一确定状态(一定的输出无功、有功及端电压)的励 磁电流计算标准值久)，它和励磁电流的实际测量值s比较，可以判断是否发生发电机转子绕组匝间短路故 障。判据： 仏二込%z/o°%是把计算误差及测量误差考虑在内的偏差相对值。1. 3. 2发电机发生转子绕组匝间短路故障后短路判据的推导发电机发生转子匝间短路后，由于有效磁场降低，输出无功减小，此时把发电机的输出状态(包括有功、 无功、电压和电流一定)，看成是发电机正常(无转子匝间短路)的运行结果，并反向计算转子正常电流， 那么前后两者励磁电流将出现偏差，此时的相对偏差可以作为绕组匝间短路故

14、障后短路判据，以下是对这一 判据的推导。电机派克方程为叫u = 00 + ri+ cov/ld-r00000 j0-r0000w0w =001 =ior00-厂000ufdj000rr000hd0000心0000000rq.-500兀阳xad0 ld匕0 -000论iq0()00 .5000a)j_ xad00%xfd01 fd_ xad0°xfdxd00 -000gj其中：u =功角为那么边界条件为:假定在发电机稳态对称条件下带有负载运行，忆二。iq - 0, i0 - (ia +ib + /c) = 0, co = i/(l =恒值，屮q='恒值，叫 =(7sin5, u

15、q = t/cos在实际的同步发电机中，定子电阻的值一般均很小，例如qfsn-300-2型发电机定子绕组电组值为0.00217 欧姆，因此可以忽略，代入派克方程得发电机输出有功功率及无功功率分别为：sin 282011 u2“+ ()cos 28xq £ 2d eu .父,11p = dld +叫一 =sind + ()门 . eu 11、q = lljd udla =cos/ ( + )心xq xd汽轮发电机为隐极发电机：七=七 d eu 父 c eu ? u2p =sin 5 q =coso -(3)xdxd发电机空载电动势：e = xadifd其中：x通二l通二m啲mafd =

16、kifd =71 fd 3l°(闪/亦0別1)(子心创)&/11 叫矿2p上式中，各个参数意义如下，定子自感基值，：电机极距，/电机定子铁心有效长度，p电机极对数, 心定子电流基值，/幷$转子电流基值，转子绕组匝数，定子绕组支路数，qp励磁绕组支路数，心创 定子基波绕组系数，心°如励磁绕组基波绕组系数，&川气隙磁导系数，w定子绕组匝数，则励磁电流表达 式为：w丄s+g+t/4假定发电机发生转子绕组匝间短路故障，短路匝数为an,则转子绕组匝数变为：= wf(1 - an , 16rip ,、？m 咖0 =(w/j*o射 1)( *051)&/s兀2p7

17、v2asa fdl6kifd2rfd =71 吧血5j 巧 s"+2qkd +少假定发电机发生转子绕组匝间短路故障前后输出有功功率及无功功率不变，励磁电流相对变化率为：1 _ 1ld-jfd _ w，fd w/d _ wfd ,_wfd fd _ ahy、忑 rmwfda/7即短路判据为：a%=a/7如果转子绕组匝数很大，可以认为：伺，短路判据变为：a% = %从判据表达式可以看出，短路严重程度和短路匝数之间有一种对应关系，短路越严重，判据越大，近似线性增加。例如，qfsn-300-2型发电机，转子绕组匝数86匝，如果短路匝数2匝，则a% = = 2.3%,a/7如果短路匝数5匝，则

18、a% = =5.8%。从判据表达式可以看出，短路严重程度和短路数值之间有一种对应关系：短路越严重，故障判据越大， 近似线性增加。由于匝间短路发生后，励磁电流增大，磁场饱和程度有加深趋势，但因匝数减少，安匝数降 低，有效磁场减弱，磁场饱和程度有减弱趋势，两种趋势可以相互抵消，所以磁场的饱和对判据影响不大。 可以看出，该判据仅与转子绕组剩余匝数灯和短路匝数为"有关，和发电机的输出有功及无功功率无关, 这一特征表明，对于同一台汽轮发电机，匝间短路判据数值，不仅适用于发电机过励状态，而且适用于进相 运行状态。2通过模拟机组试验验证发电机转子绕组匝间短路判据采用华北电力大学动模实验室mjf-3

19、0-6模拟同步电机进行转子绕组匝间短路实验。通过实验获取电气 状态监测量，利用上述公式计算发电机正常状态（无故障）下的励磁电流，并求出短路判据。具体过程如 下：在发电机正常并网运行状态下，维持有功功率基本不变，改变励磁绕组匝间短路程度（短路程度从0依 次增加至20%）,测量各个电气量在确定参数条件下（初始定子电流分别为10a、15a、20a时）的几组工况数 据。在做实验时，随时间变化手动调整短路程度，使其短路程度不断增加，因此图1、图2、图3横坐标为 测点点数（也可以是时间t）。图a中故障短路电流ifd为匝间短路故障以后的励磁电流，故障旁路短路电 流15为短路点电流，它不产生有效磁场。在做各种

20、工况实验时，分别维持有功基本不变，由于实验进行 过程中，电网波动，使作为原动机的直流电动机出力变化，因此图b中发电机有功p略有减小。图c中匝 间短路程度等于短路匝数除以原有匝数，故障百分比和用线匝表示的故障程度百分比分别为短路程度的实 际测量值和计算值。58002 1 8 6 4 2 1oo.0o5600200400600800100012001400160020040060080010001200140016001800采(a)故障后励磁电流和故障旁路电流(b)故障后有功功率和无功功率变化趋势图20040060080010001200 140016001800采徉.点致n2015105(&#

21、163;$1(c)故障百分比和用线匝表示的故障程度百分比图1保持定子电流为10a时发电机转子绕组匝间短路实验°020040060000010001200140016001800采6 4.21 cd111 o4 2 o o73mo2004006000001000120014001600采53003200100& 8 8(a)故障后励磁电流和故障旁路电流(b)故障后有功功率和无功功率变化趋势图°02004006008001000120014001600采12108 6 4 2(c)故障百分比和用线匝表示的故障程度百分比图2保持定子电流为15a时发电机转子绕组匝间短路实验

22、20040060080010001200140016001800采2 5 151 o i20040060080010001200140016001800采 ffafin(a)故障后励磁电流和故障旁路电流(b)故障后有功功率和无功功率变化趋势图20040060080010001200140016001800采徉点数n2018641208642 -(mx1ae如to瓠豊帛集果(c)故障百分比和用线匝表示的故障程度百分比图3保持定子电流为20a时发电机转子绕组匝间短路实验通过上述各图可以看出，转子匝间短路发生后，虽然引起转子电流的增大，但无功输出却相对减小，而 且随着短路程度的增加，这种趋势越来越明

23、显，即判据数值越来越大，具体数据如表3。从表中判据数值分 布规律可以看出，判据数值和相对应的匝间短路百分比及线匝表示的计算百分比趋势相同，前两项的数值十 分接近。参数数据如表2所示。表3是定子电流为20a时的发电机电气状态监测量在线记录数据及计算结果。表2实验发电机参数数据表3实验机组转子线圈发生匝间短路故障前后在线记录数据及相对应转子电流和判据计算值工短路匝数有功无功转子电流转子电定定子电流q% a%线匝计算百分比状况百分比(w)(va)计算值流测量子(a)计算值测量值n态b=%(v)值电纵(a)压(v)0%10213.2 9343. 061. 8795831. 8699840023.238

24、73故障前12.997% 2.471%1.222%1.21%10213. 2 9343. 061. 9260340023.23873故障后0%10308. 8 9183.751. 8297381. 8291540022.92181故障前6.837% 6.802%4. 073%乙3.91%10308. 8 9183. 751.9542040022.92181故障后0%10293.4 909& 051. 8314051. 8309340022.85727故障前39. 051% 9.022%6. 462%6.07%10293.4 9098. 051.9966440022.85727故障后0%

25、10380.2 9001. 371. 7895411. 7894340022. 30566故障前414. 03% 14. 02%11.183%10. 06%10380.2 9001. 372. 0405240022. 30566故障后0%10342.8 8818.991. 7816661. 7814040022.79971故障前£19. 02% 19. 00%14. 849%12.93%10342.8 8818. 992. 1202540022.79971故障后0%10003.4 8420. 181. 7635461. 762840022.68231故障前622.13% 22. 08

26、%17.406%v14.83%10003.4 8420. 182. 1529640022.68231故障后mjf-30-640043. 3a0. 810002. 5231000. 91. 35rdst汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断系统使 用 手wl7vj华北电力大学2 0 04年7月第一部分rd s t简介“大型汽轮发电机转子匝间短路故障诊断系统”(rdst-rotor windings inter turn short-circuit fault diagnose system of turbine-generator )是华北电力大学从 1 9 9 5年开始，历经7年的研究，并在多家发

27、电厂配合下开发设计的。科研组除了收集和整理大量 大型电机故障第一手材料外，还对大型电机的结构、运行及故障进行了系统的分析，建立了实 用的数学模型，参照国标、部标及发电机运行、试验、检修、质量检验等规程的相关规定，对 故障的原因、发展规律、故障先兆及故障后果进行了深入的分析、研究，提出了 rdst的诊断 模型。在此基础上，经过知识工程师的努力设计了本rdst的数学模型和具体算法。在充分考 虑软件的功能实现、用户需求、人机交互、友好界面、权限划分及软件的安全、稳定运行等因 素后，设计、编制了 rdst软件。、系统内容发电机转子匝间短路故障诊断系统研究，包括发电机状态监测设计、发电机转子匝间短路 电

28、磁特性分析、故障诊断数学模型建立及该系统软件开发二、技术要求输入量：发电机端电压，三相电流，有功、无功、励磁电流（误差02级）输出量：转子匝间短路故障程度及故障趋势原理：利用转子匝间短路故障后，励磁电流相对增大而无功相对减小的故障特征功能：1、电机状态监测（包括p-q图、v形曲线、直方图）。2、对发电机匝间短路故障进行诊断，当故障发生时，发出报警，并告诉故障程度。3、诊断系统能够随操作系统升级，而且满足以后功能扩展的要求。4、状态监测设计满足现场工作人容易分辨发电机运行状态的要求。三、软件运行环境客户端：windows 9x-2000 或 windows nt4. 0;第二部分rdst操作方法

29、一、如何安装rd s t软件把rdst系统光盘插入计算机光驱，运行setup文件，rdst将自动安装在计算机上，安装 目录可人为选择。二、如何运行rd s t软件我的文档回收站爸 約#8发电机转子匝间短路诊断系统5 #7#8发电机转子匝间短路诊断系统applicationmi crosoftoffice 2003mi crosoftvisual basic 6.0 中文版mi crosoftvi sual sourcesafelygmi crosoftweb publishingnational instrumentsinternet exploreinternetmsn explorermi

30、crosoft visual6.0中文版电子邮件 msn exploreroracle for windows ntttodwinrar启动大港发电厂3碳电机状态监测与故陣诊断系统游戏瑞星杀垂软件维晋浏览器附件winrar画图adobe reader 6. 0internet explorermsn exploreroutlook express圄计算器windows medi a playerwindows messenger所有程序） °远程协助注销（1）关闭计算机） - ar 9如上图点击菜单上的“发电机转子匝间短路故障诊断系统”即可。三、rd s t操作方法介绍当运行执行文件后，出现图1界面。附表-许伯强新建microsoft.图1 rdst界面 几秒钟后出现rdst状态监测画面（如图2）。-5 2.55转子应间短路 程度判据（2）转子匝间短路程 度趋势波形（1）0.41%平均实时倉汽轮发电机转子匝间短路運转子匝间短路 程度瞬时值（3）图2 rdst主界面监视画面1部分纵坐标表示匝间短路程度（以百分比表示，例如1%表示有百分之一匝发生 转子匝间短路），横坐标表示时间，由于电网干扰，因此正常情况会出现正负数值现象，因此 真正的判据是图中2部分（红色），当其超过5%时，在排除数据采集错误的情况下，即认为