基于定子线圈探测的转子匝间短路故障识别方法

1、欢迎访问Freekaoyan论文站基于定子线圈探测的转子匝间短路故障识别方法欢迎访问Freekaoyan论文站    欢迎访问Freekaoyan论文站      Fault Identification Method of Rotor Inter Turn Short-circuit using Stator Winding DetectionLi yong-gang, Li he-ming, Zhao hua, Wan shu-ting（North China Electric Power Unive

2、rsity, Baoding 071003, China）Abstract: In this paper, the electromagnetic characteristic on rotor windings inter turn short-circuit of steam generator has been analyzed and calculated. The phenomenon, which the variation of main magnetic field of rotor windings is more apparent than the stray magnet

3、ic field when the rotor winding inter turn short-circuit happens, has been found. Using the stator winding as the detection fault winding, the corresponding relationships between the faults levels of rotor winding inter turn short-circuit and the effective magnetic field loss is established. The pot

4、ential difference and the circular current in the parallel connection spur track of generator stator winding appears because of the inter turn short-circuit of rotor windings. There is a corresponding relationship between the magnitude and the fault serious levels, which can be as the fault criterio

5、ns of inter turn short-circuit in rotor winding. The relevant verification has been carried using the dynamic simulative experimental units, and the result coincides with the theory deduction.Key words: rotor winding inter turn short-circuit; stator winding detection; fault identification; Steam gen

6、erator摘要：该文通过对汽轮发电机转子线圈匝间短路时的电磁特性进行分析和计算，提出转子绕组匝间短路时，转子绕组主磁场变化比漏磁场明显，用定子线圈作为探测故障线圈，确立了转子绕组匝间短路故障程度和有效磁场损失之间的对应关系；提出转子匝间短路导致发电机定子绕组并联支路之间出现了电势差和环流，其大小和分布与短路严重程度有一定对应关系；利用动模试验机组进行了有关的验证，试验结果和理论推导相吻合。关键词：转子线圈匝间短路；定子线圈探测；故障识别；汽轮发电机1 引言转子绕组匝间短路是一种较常见的发电机故障。轻微的匝间短路对发电机运行不会产生太大影响，如果故障继续发展，将会使转子电流显著增加，绕组温度升

7、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匝间短路故障的早期预报是十分必要的1-3。目前国内外常用的转子绕组匝间短路在线方法是微分线圈动测法及在此基础上的改进方法。该方法的基本原理是转子绕组匝间短路时，转子绕组漏磁场发生变化，利用安装的探测线圈，探测漏磁场变化波形。该方法的不足在于转子绕组漏磁场很弱，易受干扰。在发电机空载及三相对称短路情况下，探测效果较明显，发电机负载运行时，由于电枢反应，探测效果不明显。该论文通过对汽轮发电机转子线圈匝间短路的电磁特性进行分析和计算，提出转子绕组匝间短路时，转子绕组主磁场变化比漏磁场明显，用定子线圈作为探测线圈，识别转子匝

8、间短路故障。2 正常情况下转子磁场的分析对于励磁绕组，它通入的是直流电流，所以产生的磁动势较为简单。由于隐极同步电机的转子是圆柱形的，所以根据磁动势积分的方法可以看出励磁磁势的曲线为一阶梯形波。它是由各槽内线圈所产生的磁势叠加而成。中间的大齿部分没有励磁绕组，所以磁势保持不变。阶梯波磁动势的最大值为Ff =wf If，其中wf是转子线圈每极的匝数，If为励磁电流。由于空气的导磁率比铁心的导磁率小得多，所以空气隙磁路的磁阻比铁心磁路的磁阻要大得多。如果把铁心磁路的磁阻都忽略不计，可以认为整个磁回路的磁动势wf If都消耗在空气隙上了。图1是隐极同步电机的励磁磁势分布图。正常情况下，若将磁势的阶梯

9、波简化为梯形波考虑，这个转子的磁动势在空间2?角度内是关于纵坐标轴对称分布的，为一个标准的偶函数。同时它也是一个周期函数，因此对于正常情况转子的磁动势波形进行付里叶分析，它的付里叶级数展开式中只含有余弦分量中的奇次谐波分量，不含有正弦分量、直流分量和余弦分量中的偶次谐波分量。3 短路情况下故障部分的磁场分析匝间短路发生后，由于励磁绕组的有效匝数减少，将会导致磁动势的局部损失，从而使有短路磁极的磁势峰值和平均值减少。考虑对应于转子一个极（N极）附近距离大齿最近的一个线槽内一匝短路的情况。这种一匝短路的情况是转子绕组最轻微的短路情况，即有效节距最小的一匝金属性短路。因此可以近似考虑转子的励磁电流并

10、未发生明显变化，视为短路匝中流过一个与正常情况相反的励磁电流-if,它所产生的磁动势即为若表示每极嵌放绕组部分与极距之比，则是嵌放绕组部分（小齿部分）所占角度，用表示槽间角（其中（）/2n0.04545）。短路匝产生的磁势分布图如图2所示。根据横坐标位置是按照横坐标上下磁势曲线包围的面积相等原则确定，即从N极出来的磁通量一定等于进入S极的磁通量，所以从正波顶到负波顶间的距离等于一对极的总磁动势-ifwf-if(wf1)，而横坐标的位置是按横坐标上下磁动势曲线包围的面积相等这一原则来确定的。对于故障匝，其磁动势在-范围内，关系式表达如下根据磁通量上下面积相等的原则，可以建立方程，并求解，得到N、

11、S极磁动势的表达式为根据付里叶级数的理论，如果要用付里叶级数来表示非周期信号，则此级数是在区间(t,t+T)内与该非周期信号相等。也就是说，该级数实际上是这样一个周期信号的展开式，该周期信号的周期为T，且在区间(t,t+T)内的值与原非周期信号相等。显然，短路线匝是一个非周期的函数。但是如果将其看作是周期为2?的函数，其在(-?,?)范围内的值与原非周期函数完全相等。这将其表示为周期性的信号在此周期内是完全准确的。所以，对于这个短路线匝产生的磁动势函数可表示如下所以可得到由此可见，发生匝间短路后，短路部分的磁势既包含有余弦分量的奇数次的谐波分量，又包含有余弦分量的偶数次的谐波分量。从付里叶级数

12、的分析中也可以得到这种现象的解释：短路匝产生的磁动势波形同样也是关于纵坐标对称，是一个偶函数。而且根据磁通量等面积原则，它也是以横坐标为界，其波形的上下面积相等。因此，短路线匝产生的磁动势函数表达式同样只含有余弦分量，而无正弦分量和直流分量。但是它不是奇谐波函数，所以对于余弦分量，它既含有奇次谐波分量，又含有偶次谐波分量。值得分析是另一种情况，如果转子两极同时发生故障，甚至完全故障对称，由于短路匝几乎是对称的，它只影响磁势幅值的大小，使得波形的对称减少，并不会产生偶次成分的谐波含量。从理论上将这种情况是可以说的通的，但是本文诊断的故障在故障初期，故障的发展总是有一过程，从轻微到严重，从一点匝间

13、短路发展到多点，如果不及时处理，可能发展为一点接地，甚至两点接地，导致继电保护动作。在匝间短路故障初期，瞬间就产生多点匝间短路故障可能性非常小，从搜集资料及现场经验就证明了这一点4-6。4 合成磁场的分析匝间短路发生后，励磁绕组线圈匝数的减少可以看作是退磁的磁势分布。它反向作用在一个特定极或有短路的磁极主磁场的磁势上。只考虑由于短路引起的基本问题，将正常条件下的磁势减去由短路引起磁势的小的突变，即可得到故障后的合成磁势。这种考虑意味着问题是线性的，所以可以利用叠加原理。发电机主磁通回路上出现饱和，会导致一些非线性的问题。但是由于磁势的损失会使整个问题更倾向于线性，而不会使得线性程度减小，所以可

14、以用叠加的方法分析匝间短路的磁势损失问题。由图2中可以看到故障后的合成磁动势由于遵守磁通量等面积的原理，是以横坐标为界将其磁动势曲线包围的面积平均分成上下两个面积相等的部分，即从N极出来的磁通量一定等于进入S极的磁通量。由于它具有短路损失，相对于正常情况下的磁动势，其横坐标向上平移了的距离。磁动势关于纵坐标对称，故合成磁动势的波形函数应该含有余弦分量，而不含正弦分量和直流分量。合成磁势的波形函数可以表示为5 转子匝间短路后定子侧电气参量的变化关系5.1 定子绕组一相并联支路的电压差和环流发电机发生匝间短路后，由于磁动势的波形变化，产生了较高次频率的谐波分量，必然会对磁场和磁路发生影响，进而使得

15、定子侧电气信号发生改变，产生异于正常情况下的某些信号特征。这些特征可以作为检测故障信号的有效手段，并应用于故障检测技术。考虑隐极式同步发电机，根据所通过的磁通，磁路的截面尺寸以及介质的情况通常把整个闭合磁路分为五段：气隙1（2个）、定子齿2（2个）、定子轭3、转子齿4（2个）、转子轭5。气隙均匀，对于转子磁势所产生的气隙磁通只交链定子齿和转子齿的部分，可以只考虑线性条件。以磁极中心线为坐标轴，对于一个线圈组考虑分布因数和节距因数的作用后，一相并联的一条支路的感应电动势随时间变化的函数为以A相并联支路为例，对于60° 相带分布的情况，i=0一相的这一条并联支路的电动势函数为记并联支路的

16、首端为H，尾端为K，则定子绕组并联支路的电路图可以表示如图3。对于第i条半相支路与相隔180° 另外半相支路之间的电压差可以表示为一相电流为：ia=i0-i3    当n为奇数时，有奇次的谐波通过定子并联支路时得到：U=0,ia=2i3-2i0，并联支路内部的环流i环流0，也就是说这时候定子的并联支路里面并没有奇次谐波的环流。然而，当n为偶数半相并联支路内的电流。所以通过测量发电机定子一相并联支路的电压差和环流的信息就可以得到转子绕组匝间是否发生了短路情况。其中并联支路电压差为5.2 试验验证采用华北电力大学动模实验室MJF-30-6模拟同步电机进行转子

17、绕组匝间短路实验。通过实验获取电气状态监测量，试验过程中，测量空载正常和短路故障的情况以及并网带负荷运行正常和短路故障的情况，将几种情况做比较，就可以找到故障发生后对应定子侧电气参量的影响（图4）。在任一相并联的两条支路上放置电流表，或者将两条并联支路反串入传感器内测量。空载情况下任意一条并联支路的电流值就是环流，并网带负荷条件下两条并联支路电流差值就是环流大小。若在两条并联支路间接上一个电压传感器，其中的电压差值也能反映电气参量的较高次谐波。在发电机定子绕组一相并联的两条支路上各放置一个电流传感器，通过比较两者的差值，就可以得到环流的大小，在两条支路之间加一个电压传感器就可以得到不平衡电压的

18、大小。并网带负荷情况保持定子电流10A，发电机有功输出10kW，无功功率5kVAR。维持有功和无功基本不变，从图中可以看到，突然短路的发生使得定子一相并联支路的电压差和环流增大。短路的突然消失后，异常电气量的变化也随之消失。证实了转子绕组发生匝间短路后，确实引起定子侧不平衡电气量的出现。从图5和可以很明显地看到转子绕组发生匝间短路故障后，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。同样从下表1可以看到，定子环流的2次谐波大小随短路的严重程度的增加而增大，呈现函数关系。表1和2分别显示了空载和并网带负荷两种状态下，发电机转子绕组匝间短路发生后，定子侧一相并联两条支路

19、之间的环流和电压不平衡值的大小。可以明显看到两种状态下，环流和电压差都有随故障严重程度增加的明显趋势，而以空载条件下的趋势更为明显。6 结论本文对转子绕组发生匝间短路后的磁场特性进行了详细的分析，确立了转子绕组匝间短路故障程度和有效磁场损失之间的对应关系；转子匝间短路导致发电机定子绕组并联支路之间出现了电势差和环流，其大小或分布与短路严重程度呈对应关系；最后利用动模试验机组进行了有关的验证，试验结果和理论推导相吻合。参考文献1. 高景德，王祥珩，李发海交流电机及其系统的分析M北京：清华大学出版社，1993：135-231 2. ，. CInternational Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，1992：10-14 3. 阮羚，周世平，周理兵（Ruan ling，Zhou shiping，Zhou libing）大型汽轮发电机转子匝间短路在线监测方法的研究及应用（the research and application of the on-line monitor