毕业论文-基于磁场检测的磁极线圈匝间绝缘故障定位技术

1、哈尔滨理工大学学士学位论文 43 -基于磁场检测的磁极线圈匝间绝缘故障定位技术摘要 发电机作为电能生产的主要设备，对整个电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。绕组匝间短路是其常见的故障之一。阻抗的降低并不会影响机组的正常运行，因而经常被忽略，但如果故障继续发展为匝间短路，将会使得转子电流显著增加，绕组温度升高，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动加剧等。因此，开发一套有效的发电机转子匝间短路故障在线监测与故障诊断系统具有重要的意义。 本文对发电机转子绕组匝间短路的故障机理和磁动势进行了分析，介绍了常用的故障诊断方法，比较了各自的优缺点。通过分析以往的各种匝间短路检测方法，提出了基于磁场检测

2、的磁极线圈匝间绝缘故障定位技术。为了验证此理论，分别在工频和高压高频两种试验条件下进行了试验。在工频条件下得到了波形畸变和波形幅值减小的结果，在高压高频条件下得到了波形幅值大幅度增大的结果。通过试验结果的分析对比，证实了电磁法在工频和高压高频两种条件下的可行性，但是由于在工频条件下试验结果不明显，有待于继续深入研究。以电磁法为基础设计了电磁法的探测线圈。关键词 发电机；匝间短路；探测线圈法；电磁法Magnetic Pole Coils Turn-to-Turn Insulation Locating Technology Based on Magnetic DetectionAbstract

3、As the main equipment of generating ,generator play very important role in safety and stability of the whole power system. The winds inter-turn short circuit is one of the common faults of generator. The reduce of the impedance always been ignored as the influences to the normal running of unit is l

4、ittle and the early fault character is not apparent. If the fault generator is going on longtime running to become the inter turn short circuit, the exciting current will be increased remarkably, the winding temperature is risen up, the reactive power output is decreased, the waveform distortion of

5、the voltage happens, the abnormal unit vibration appears and the other kinds of the electrical and mechanical fault happens. therefore，developing all effective system on shorted winding online monitoring and fault diagnosis is very significant. In this paper, the fault mechanism and magnetic charact

6、eristics of turn-to-turn short circuit of windings ate analyzedSome usual methods of fault diagnosis and their respective advantages and disadvantages are introduced. Through the analysis of previous turns short circuit testing method between presented based on magnetic field testing of coil between

7、 magnetic poles turns insulation fault location technology. To test this theory, I work in frequency and high pressure high frequency two test experimental conditions. Waveform distortion and waveform amplitude decrease in the power frequency conditions. The results of the waveform amplitude have a

8、significantly increased in the high-voltage high-frequency conditions. Through the analysis of the test results of the simulation show that the electromagnetic method in industrial frequency and high pressure high frequency two conditions, the feasibility of but because power frequency conditions in

9、 test results is not obvious, waiting to continue to study. The electromagnetic method is designed based on the detection coil of the electromagnetic method.Keywords Generator; Inter Turn Short Circuit; Detection Coil Method; Electromagnetic Method目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328514592 摘要 -1。

10、据不完全统计，19831995年间，20台200MW国产汽轮发电机中，总共发生24台次的发电机定子绕组短路事故。19931995年间，容量为300MW及以上的发电机发生事故总共138台次，其中发电机本体故障为53台次。 19911999年，陕西电网8台300MW汽轮发电机共有6台在运行中出现事故或故障。 19921997年，山东电网300MW发电机发生较大的故障或异常12次。 19911993年，东北电网200MW及以上容量的汽轮发电机共发生故障59次，平均故障率为0.47次/台。 图1-1发电机电气故障分解图1.1.3匝间短路的原因 为了研究匝间绝缘检测的有效方法，必须先弄清匝间短路的原因。

11、匝间短路的原因是多种多样的，主要原因有：在绕线、嵌线、扎线、浸漆、搬运等工序中，都可能导致漆包线的漆膜损坏，引起匝间短路。当电机在潮湿环境或长期高温负载运行及过电压的情况，匝间绝缘会越来越差,最终导致匝间短路。磁极线圈匝间绝缘制造的质量差，如铜排中有毛刺，杂物，绝缘受到损伤等。离心力或负荷变化引起的热胀冷缩使线圈发生位移、变形或局部损坏引起匝间短路。 (5)由于氢气湿度过大，有时对端部线圈之间绝缘造成极严重的后果。曾经某台国外的氢冷发电机，因为灰尘、气体和油污的影响，使其端部线圈发生短路。 (6) 匝间绝缘试验检测设备不完善，或设备的故障分辨能力不易掌握，使生产中个别匝间绝缘有问题的线圈未能及

12、时检查出来，造成事故隐患。 轻微的绕组匝间短路故障对机组的正常运行影响不大，并且故障特征也不十分明显，因此运行中的此类故障经常被忽略。但是如果是不对称的匝间短路长期运行下去，就会导致转子线圈一点甚至两点接地故障的出现，引起大轴烧损，转子剧烈振动以及转子的严重磁化。而且如果发电机长期运行在故障状态下运行，转子电流将明显增加，绕组的温度会升高，发电机寿命也将缩短，甚至导致恶性事故的发生；一旦出现转子绕组匝间短路，电机中气隙磁通波形将会发生畸变，引起定子侧电压不平衡，并在发电机的定子并联支路间产生高次谐波环流，增强了线圈的发热，影响了发电机的无功出力，从而引起机组振动等机械故障，最终出现轴电压升高，

13、灼烧转子护环，发生机座及大轴磁化，进而造成烧伤轴瓦和大轴的严重后果。 除了上述几个原因之外，匝间绝缘检测设备的不完善，操作的不规范都可能存在隐患。因此有必要研究一种简单实用的检测匝间绝缘短路的方法。1.2磁极线圈匝间绝缘国内外研究现状及实验方法1.2.1线圈匝间绝缘研究现状 对于匝间短路这个课题，国外的学者研究的相对早一些，英国学者阿尔布来特（Albright）首先提出了用探测线圈法对转子匝间短路故障进行在线检测。之后学者们相继对探测线圈法进行了研究，使得探测线圈技术不断成熟。目前气隙线圈检测技术已经在大型汽轮发电机中广为应用，在国内300MW及以上的发电机中已经比较广泛的使用了探测线圈。20

14、世纪80年代，学者J.W.WOOD在文献中详细阐述了基于脉冲阶跃响应的RSO重复脉冲检测法，也叫行波法。之后又学者相继对于这一方法进行了深入的研究，如文献将行波法与神经网络结合实现对发电机转子绕组匝间短路故障的定位。90年代美国学者J Penman在文献提出了基于励磁电流谐波特性来诊断发电机定子、转子绕组短路故障的方法，并做了深入的阐述D.W.Auckland在文献中基于发电机转子绕组匝间短路故障时励磁电流会增大的特征，提出了通过比较故障前后励磁电流值的大小来识别匝间短路故障的方法，且提出了将人工神经网络用于交流电机励磁绕组匝间故障的检测中。 国内的学者在匝间短路方面也做了许多的研究。文献分析

15、了汽轮发电机转子线圈匝间短路故障时的机械特性及电磁特性后,发现了励磁电流增大、输出无功相对减少的故障征兆，并提出了充分利用发电机原已安装的传感器的测量数据计算及测量故障前后的励磁电流，分析其变化率作为识别匝间短路故障的励磁电流判别法。文献中利用555集成定时器，加少量的外围元件，可做成简单、实用的线圈匝间短路测试器，这种方法未尝不可以应用在电机方面。文献通过感知振荡器来检测线圈是否有匝间短路的情况的。当被检测线圈无匝间短路时感知振荡起振，有正弦波输出，再通过耦合电路将该正弦信号耦合输出给正常指示电路，当线圈中有匝间短路时，报警电路立即进行声、光报警。文献中通过检测三相绕组中的电流等一系列方法可

16、检测到匝间短路。文献中，通过对于电力电子行业发展状况的了解，对匝间绝缘中频实验技术进行了研究。此外许多学者在匝间绝缘发面都有过研究这里不过多赘述。 综上所述，国内外的学者在匝间绝缘方面做出了杰出的贡献，伴随着科技的发展，计算机领域的扩大化，匝间绝缘的检测必定更加的多元话，全面话。1.2.2线圈匝间绝缘实验方法分类 线圈匝间绝缘实验方法具体来说可分为四种： 1.感应电压法 这种方法有明显的缺点，不能产生较高的匝间实验电压，从而难以发现匝间的故障隐患。其原理是利用充电后的电容器对感应线圈放电，在感应线圈中产生磁通，使被磁链连接的被试线圈感应出一定的高频电压，从而达到对磁极线圈匝间作耐压检查的目的。

17、 2.直流电压法 电机磁极线圈在正常工作时通过的是直流励磁电流，因此从原理上来说，用该方法最能直接反映实际的情况。但是正常工作时磁极线圈的工作电压较低，只有数十伏到数百伏左右，而进行磁极线圈匝间实验时却需要很高的试验电压，由于线圈的电阻很小，这样就会在磁极线圈中产生很大的电流，导致设备的容量很大，因此很难在实际试验中应用。 3.冲击电压法 这是一种对被测试线圈直接施加脉冲电压的方法，利用充电后的电容通过放电开关与被测试线圈形成有一定频率的高频阻尼振荡电路，其振荡频率值为，虽然振荡频率随被试线圈电感变化而变化但可通过选择电容器的容量来是振荡频率在一定范围内变化，而又不影响匝间耐压效果。这种方法优

18、点是有利于发现匝间绝缘隐患，因此目前普遍采取这种方法。缺点是在被试线圈的各个匝上实验电压的分布不均匀，容易导致无法对各个线圈匝间绝缘进行正确实验。 4.中频发电机组实验电压法 由于中频发电机组的输出电压频率在kHz，因此磁极线圈的电抗比工频下得电抗大数十倍，这就大大降低了实验电源的容量，但这种方法存在着造价高，占地面积大得缺点。 上述几个方法都存在着一些缺点及弊病，简单实用的检测方法就显得非常必要，本文通过分析以往的研究方法和实验机理，运用电磁原理研制一种简单的匝间绝缘短路的检测方法。1.2.3线圈匝间短路显示方法 匝间绝缘缺有许多显示方法，通常用的方法有如下几条： 1.感应式 基本原理及方法

19、：振荡线圈、故障探测线圈分别通过与和被试线圈交链，如发生短路故障时，短路电流产生的磁通能在探测线圈中感应出电压。感应式检测电路图如图1-2所示：图1-2感应式检测电路图 2.调谐式 基本原理及方法：LC调谐线圈中的L与被试线圈L相耦合，在出现匝间短路时，L电感发生变化，LC回路失谐，毫安表指针偏转明显变小。调谐式检测电路图如图1-3所示：图1-3调谐式检测电路图 3.桥平衡式 基本原理：当匝间出现短路故障时，桥平衡被破坏，氖管或微安表有明显指示。图1-4两种不同的桥平衡式检测电路图 4.数学比较法 基本原理及方法：对首末匝及中间各匝进行人为的短路试验，测出外施电压、试验电流及试验电压等参数，找

20、出合理的判断方式。1.3本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容包括：总结匝间短路的国内外研究现状，分析匝间短路的原因,对匝间短路实验方法进行分类，给出匝间短路的显示方法。阐述匝间短路的故障特征及传统和在线检测方法。对匝间短路后的电磁场进行简单的分析，并进行试验研究，验证在工频和高压高频两种条件下电磁法匝间短路定位技术的可行性。对电磁法匝间短路试验设备进行初步设计。第2章 匝间短路故障特征及常用检测方法2.1磁极绕组匝间短路的故障特征国内外许多学者都就匝间短路这一课题进行过深入的研究，文献和文献特别就匝间短路的特征进行过分类，本文参考这些文献对匝间短路的故障特征进行了一些总结。 （1）匝间短

21、路引起气隙磁场变化正常的发电机主要特点是：气隙均匀，转子高转速、高机械强度。对于磁性相反的两个磁极其对应的漏磁通曲线一致，但是方向相反。众所周知，漏磁通的大小正比于流过转子槽电流的大小。因此，线槽磁通波形波峰值的大小与所对应的有效转子绕组安匝数成正比。当线圈出现匝间短路时，这个线槽的磁通波峰的峰值将降低，而另一极同线槽的漏磁通波形的波峰值不变。通过这样的比较就可以很明确的发现哪里出现了问题，哪里匝间短路了，而当两个线圈都匝间短路时就应该纵向的比较该电机的历来情况。（2）匝间短路引起振动 正常运行的发电机的振动分为电磁振动和机械振动，在实际运行中两者往往混合在一起互相影响。虽然不容易区分，但正常

22、运行时振动并不会明显超过其允许振幅，因此振动是匝间短路的又一故障特征。当出现匝间短路故障时，由于横向力的平衡被破坏，传送到转子轴上的振动幅值就可能超过其允许值。匝间短路不只产生不平衡的磁拉力，当两个极面上发生短路的匝数相差很大时，两极线圈中产生的热量将会不等，出现温差，使转子线圈和转子本体的热膨胀出现不对称现象。最终使转子出现沿轴向或径向质量不平衡，导致振动增大。 (3)匝间短路引起电机电气量的变化 绕组发生匝间短路时，发电机定子绕组中将会有偶次谐波电压产生。与此同时，由于有效匝数的减少，为了维持磁动势的平衡，发电机的无功将会减小。 匝间短路还会使定子绕组中出现环流，电机的每相绕组都是由两个半

23、相绕组并联而成，由于转子绕组匝间短路故障而引起的转子磁势的任何不对称将会在定子绕组中感应出偶次谐波电势，并在定子绕组的两个半相绕组中形成环流。 机组正常运行时，略去开槽造成的磁动势的少许不连续，转子磁动势的空间分布近似为梯形，转子绕组存在匝间短路时，会导致短路磁极的磁动势局部损失，因此匝间短路可以认为是退磁的磁动势分布，短路后的磁动势比原磁动势减少。由于磁动势的减少，空载电动势将下降，假定发电机的有功P、机端电压U维持不变，可以得出输出无功功率会减少。同时由于有效匝数的减少，为了能继续维持磁动势的平衡，励磁电流将会增加。 （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）式（2-1）（2-4）中：

24、为磁动势； 为磁场强度； 为定子铁芯计算长度；为磁通密度；为磁导率；为空载电动势；为频率；为定子每相串联匝数；为绕组因数；为每极磁通量；为有功功率； 为同步电抗；为功角；为无功功率。 (4)匝间短路引起损耗和交流电阻变化 匝间短路时会引起功率损耗的增加和交流阻抗的降低。 (5)匝间短路引起的轴电压和轴磁通 绕组因匝间短路而出现不对称，电源电压不对称、转子断条等，使两极下主磁通分布不再对称，气隙磁场的畸变，产生轴电压。 上边总结了匝间短路的故障特征，可以看到匝间短路拥有各种各样的特征，通过分析这些特征可以得到一些实验方法，然而有些轻微的匝间短路很不容易被察觉，有必要对不同情况进行不同实验检测定位

25、，本文下面将对前人的试验进行综述，更加全面的了解和解决匝间短路。2.2磁极绕组匝间短路的检测定位方法2.2.1传统匝间短路的检测方法 匝间短路有许多检测定位方法,许多工厂也自发研究出了许多的检测方法，文献提供了如下几种传统的方法： （1）双开口变压器法 双开口变压器法是根据电磁感应的原理，把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，如果槽内线圈有匝间短路，部分磁通经另一变压器闭合，就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，若发现感应电势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。 （2）单开口变压器法 与双开口方法有些类似，当在

26、转子绕组中通入交流电后，转子槽齿上便产生交变磁通。通过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。根据线圈上所感应的电势的大小和与电源电压之间的夹角进行判断。当短路点发生在线槽上部时，得到的结果比较明显，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明显降低。实验表明，当磁性槽楔下的线圈发生匝问短路时，用此方法反映不灵敏。 （3）交流阻抗和功率损耗法 当转子正常旋转时，在离心力的作用下，槽内线匝压向槽楔，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，阻抗值会随转速升高而有规律下降。发生匝间短路故障时，相同状态下，同一台机组

27、阻抗值会发生突变，而功率损耗则相对增加。 这种方法的优点是：简单、实用和较为灵敏，可以在静态和动态下测量。缺点是：交流阻抗法的测试结果容易受外部条件的影响，检测方法有很大的局限性。 （4）发电机空载、短路特性曲线法 利用发电机短路和空载特性试验，比较在正常和故障状态下所测特征曲线与参数值，来判断是否发生转子绕组匝间短路故障。当转子绕组中存在匝间短路故障时，与未短路前比较其三相稳定的空载特性曲线将有所下降，短路特性曲线的斜率也将减小。这种方法缺点是：由于测量精度的限制，灵敏度较低，一般在匝数较多时，才能从曲线上反映出来。 (5)直流电阻法 当绕组发生匝间短路时，直流电阻的数值将会变小。直流电阻法

28、德缺点是：如果只有一、二匝短路，即使测量得很精确，直流电阻的降低也不会超过1。而只有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可能超过规定值的2。因此直流电阻法的灵敏度是比较低的。由于这种方法的缺点，其不能用作判定匝间短路的主要方法，只能作为判断的一种参考。2.2.2主要的在线检测方法 上面介绍了几种传统的方法，分别从几个方面对于匝间短路进行了一定的判断，虽然都有一定效用，但除了单开口变压器法之外都不能对于匝间短路进行定位。在本文的第三章将介绍笔者的一些实验，用于匝间短路的定位。随着科技的发展出现许多在线检测方法，下面列举几种主要的在线检测方法。 (1)探测线圈法 探测线圈

29、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。 这种方法由英国学者阿尔布莱特（Albright）首先提出的，它的优点是：不受温度等外界条件的影响，而且也不受匝间短路故障点的位置的影响。许多大型汽轮发电机的匝间短路就用这种方法。缺点是：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，探测线圈法应用的最大问题是：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

30、运行中的发电机上大多都没有安装。 (2)励磁电流判别法 励磁电流法根据磁场特性，如果出现匝间短路故障，由于励磁绕组匝数的减少，励磁电流必然增大，有效磁场的减弱会使对应的空载电动势较正常时有明显下降，在发电机端电压保持恒定的情况下无功功率会相应下降。这种方法的优点是: 不用增加新的设备就可以进行故障诊断，并能对的严重程度做出估计，实现在线检测，因此应用较广泛。它的却点是：对于轻微的匝间短路不能判断准确，且不能准确定位。 (3)环流测量法 环流测量法的前提条件是发电机的每相绕组都是由两个半相绕组并联而成。它的主要依据是：转子磁动势的任何不对称将会在定子绕组中感应出偶次谐波电流，并在定子绕组的两个半

31、相绕组中形成环流。测量这些谐波就可以诊断出匝间短路。它的缺点是：不能对故障点进行定位，而且只能测量前提条件这种绕组结构。 (4)行波波形检测法 波阻抗的改变会使波形发生反射，当出现匝间短路故障时，行波发射的波形将会发生变化，测量波形的变化就可以实现队匝间短路的检测。这种方法的缺点也是不能实现对故障点的定位。行波法的原理图如图21所示：图2-1行波法原理图 综上所述，上面的方法都对匝间短路故障诊断有一定的作用，各有各的优缺点。不过，对于匝间短路的具体定位涉猎的都较少，因此有必要找一些简单易行的方法对匝间短路进行定位。2.3本章小结 本章对匝间短路的故障特征和主要的匝间短路检测方法进行了整理分类，

32、为下一步进行电磁法匝间短路定位技术的设计提供了理论基础。第3章 电磁法匝间短路定位技术理论分析3.1匝间短路后各参数分析 通过分析上一章以往常用的匝间短路检测方法，为电磁法匝间短路的设计打下了基础。其中，探测线圈法可以用来借鉴。电磁法匝间短路检测不仅可以检测到匝间短路，而且还可以实现精确定位。当线圈有一匝短路时，电路图如图3-1所示：图3-1匝间短路电路图 （3-1） （3-2） 式(3-1)和(3-2)中：、和分别为线圈的电阻、电感和电流；、和分别为短路出来的单匝的电阻、电感和电流；3.2电磁法的原理分析及试验方案3.2.1电磁法基本原理 电磁法的基本电路图如图3-2所示：图3-2电磁法的基

33、本电路图 对于同一螺绕环上两个线圈有如下公式： （3-3） （3-4） （3-5） 当是正弦波时式（3-4）中的可写成 （3-6） 其中为正弦量的角频率；为感应电压。 我们可以估算大电感线圈周围可以并排放有个探测线圈，用此数据可以用来估算许多的数值： 当同时联合式（3-1）和式（3-2）可估算得： （3-7） 当同时联合式（3-4）、式（3-5）和式（3-6）时可估算得（不考虑方向，只看数值）： （3-8） 其中、和分别为大电感线圈的匝数、长度和半径；、和分别为探测线圈的匝数、长度和半径。（探测线圈的制作方法及选择详见第5章） 众所周知，通过式（3-8）可以知道探测线圈的电压波形幅值还与成正比

34、，因此可以分别在工频和高频条件下进行试验。3.2.2电磁法两种试验电压条件下的实施方案 1.电磁法工频下匝间短路测量试验方案设计 当大电感线圈接入工频交流电时，由于是变化的电流会产生一个磁场；当线圈短路时，由于楞次定律,其产生的磁场是阻碍原本线圈产生的磁场的，而短路匝数只有一匝影响不是特别大，这就会导致当探测线圈经过短路匝位置时幅值有小幅度的减少。虽然幅值小幅度减少不容易观察，但是不同方向磁场之间的互相干扰，会导致短路匝处波形产生适当的畸变，这样两点结合就可实现匝间短路的定位。 因此可以得出工频下电磁法匝间短路测量的两个基本特征： (1)电压幅值小幅度减少（短路点短路时与未短路时的波形比较）

35、(2)电压波形适当的畸变（短路点短路时与任何位置的波形比较）首先，要看到电压幅值的小幅度减少需要：示波器调到适当的灵敏度；人为把大电感线圈从上到下制造五个短路点，记录大电感线圈不同电流值下每个短路点短路后和未短路时的波形。 其次，要看到电压波形适当的畸变需要： 示波器调到适当的灵敏度；在大电感线圈未短路时记录探测线圈测量大电感线圈从上到下的波形，观察是否畸变，则可排除其他因素的干扰；然后记录探测线圈探测大电感线圈不同电流值下五个短路点未短路与短路后的波形；同时，人为使大电感线圈短路五匝再次试验，这样短路匝的磁场较大畸变的观察更加明显，而且短路匝的中间区域会看到波形幅值的稍许增长（由于短路匝中间

36、区域的磁场影响比大电感线圈的影响大）。通过对比匝间短路前后的波形可实现工频下电磁法匝间短路的定位，虽然可看到这两种试验现象，但毕竟不是特别明显所以有待于继续研究。 2.电磁法高压高频下匝间短路测量试验方案设计 大电感线圈在高压高频条件下进行试验时，由于频率和电压的增加短路匝的影响较大，产生的磁场较大，而此时的大电感线圈产生的磁场较弱，当探测线圈在短路匝附近时会使探测线圈的波形产生较大的增长。同时，根据楞次定律短路匝产生的磁通方向与大电感线圈产生的磁通方向相反，所以在短路匝处相位会产生翻转。 此试验的试验现象应该较明显，所以只需先记录探测线圈探测整个大电感线圈不同位置的波形图以排除其他的干扰，然

37、后记录探测线圈探测短路点短路后大电感线圈不同位置的波形图。对比短路点与其他位置的波形图变化就可以实现电磁法在高压高频下匝间短路的定位。3.3本章小结 本章首先在理论上分析了匝间短路后各参数关系；阐述了电磁法的基本理论；给出了在工频和高压高频两种试验条件下电磁法的试验方案的设计。第4章 电磁法匝间短路故障定位技术的试验4.1试验电路 工频试验条件下的电路图如图4-1所示：图4-1工频和高压高频下试验电路图4.2试验设备选择1.调压器的选择 为了保证试验设备的正常使用，同时保证试验现象较明显，电流需较大，这里选取了一个稳定输出电流较大的调压器。调压器参数如下： 表 4-1产品型号TDGC2J-20

38、编号1269输入电压220V频率50Hz输出电压0250V相数1输出容量20kVA稳定输出电流80A执行标准JB/T10091-1999制造日期2003年3月2.大电感线圈的选择 由于需要在工频下进行试验，且没有铁心，这里缠绕了一个较大的大电感线圈以保证可以产生较大的磁通，使探测线圈的波形较明显。大电感线圈的高度为81cm,半径24cm,匝数为147匝。3.高压发生装置的选择 由于需要在高压高频下进行试验，在实验室条件允许条件下，为了保证试验安全且可以达到试验的条件，选取了ZJ-5型电机线圈匝间绝缘试验装置（此试验装置本身具有接地系统，同时，操作简单方便）。4.其他试验装置的选择 此试验还需要

39、一个探测线圈（具体制作方法及选择详见4.4），两个电压表和一个0.1的精密电阻。 由于其中一个电压表用来测量0.1电阻的电压，同时线圈电流在实验室条件下不能超过20A这里选取了一个量程为1.999V的电压表。同时，由于另外一个电压表需要测量大电感线圈的电压，选取了一个量程为250V的。各个元件实物图见图4-2和图4-3：图4-2各个元件实物图图4-3高频高压发生装置4.3试验结果及分析4.3.1试验结果 1.工频下匝间短路结果一匝短路时的波形变化图如图4-4所示：图4-4一匝短路时的波形变化对比图五匝短路时的四个阶段波形对比图如图4-5所示：图4-5四个阶段的波形对比图试验结果如图4-6所示图

40、4-6试验测量结果数据图 （注释：五条颜色的线分别表示五个短路点短路时的波形幅值数据图。具体为：橙色线表示20cm处短路点短路图；紫色线表示31cm处短路点短路图；蓝色线表示45cm处短路点短路图；绿色线表示58cm处短路点短路图；红色线表示70cm处短路点短路图）2.高压高频下匝间短路试验结果 由于示波器显示的波形大体相同，只是波形幅值有不同，这里给出第二个位置匝间短路时短路处的波形图如图4-7所示：图4-7短路位置的波形图 大电感线圈短路时与未短路时的电压幅值数据对比图如图4-8所示：图4-7短路时与为短路时的数据对比图 （注释：红色线代表58cm处短路时的各个位置波形幅值数据图；绿色线代

41、表未短路时的各个位置波形幅值数据图）4.3.2试验结果综合分析 （1）电磁法工频下匝间短路测量试验结果分析 通过试验结果分析证实了第三章的理论：大电感线圈未短路时用电磁法的测量可以看到没有波形畸变。大电感线圈短路时，探测线圈的高度和短路匝高度接近，可以近似的看成与探测线圈完全对应；通过观察图4-4可以知道当探测线圈到达短路匝时波形产生了畸变；通过观察图4-6可知：虽然短路处不是所有位置波形幅值最小的，但在线圈的同一个高度，短路点短路时与未短路时比较幅值是最小的。通过观察图4-5可以说明：当探测线圈刚进入短路区域和要离开短路区域时，可以明显的看到波形产生畸变，同时幅值有所减少；而在短路区域中间时

42、波形畸变更加明显同时波形幅值有微小增大。 （2）电磁法高压高频下匝间短路测量试验结果分析 通过分析试验结果证实了第三章的理论分析：首先看图4-8可以很明显的观察到短路处的幅值有很大升高，而在这个试验的试验步骤中在探测短路处时将探测线圈翻转过来了，而波形图中的相位却没有变化，这就说明了在短路处相位本身发生了翻转。 通过试验结果的分析证实了第三章理论的正确性，同时确定了电磁法检测匝间短路故障定位技术在高压高频下的可行性，虽然在工频下也得到了与理论相同的试验结果，但毕竟试验现象不是很明显，所以有待于继续深入研究。4.4探测线圈的初步设计 通过上面的试验结果分析充分的证明了电磁法匝间短路定位技术的可行

43、性。此方法的核心就是一个小探测线圈，所以只需寻找适当大小的小棒，缠上适当匝数的漆包线，接上一个可连接示波器的导线并制作一个把手即可在。 根据式（3-8）我们可以看到，探测线圈的电动势与半径的三次方成正比，与匝数成正比，由于试验室最大只能找到半径为0.025m的塑料小棒，所以只有将匝数稍微调整大一些，根据示波器的量程，经过计算，起初选取了200匝进行了试验，由于式（3-8）是在理想条件下的估值，检测得到的波形幅值较小，最后将探测线圈的匝数定为了400匝，半径为0.025m。具体设备可参考图4-8：图4-8 电磁法匝间短路定位设备简陋图4.5本章小结 本章分别在工频和高压高频条件下进行了试验，得到

44、了与第三章分析一致的试验结果；并对试验结果进行了分析，确定了电磁法匝间短路定位技术的可行性；最后给出了电磁法匝间短路设备的初步设计。结论 在分析了各种线圈匝间绝缘试验方法的优缺点的基础上，本文提出了关于匝间检测定位技术的新方法基于电磁法检测的磁极线圈匝间绝缘的故障定位技术。分别在工频和高压高频下分析了电磁法的原理及可行性，完成了电磁法设备的初步设计并用于了试验。本文的主要工作及得出的结论如下： 1.提出了一种新的线圈匝间绝缘试验方法基于磁场检测的磁极线圈匝间绝缘故障定位技术，阐述了该方法的基本原理。 2.在工频下进行的试验得到了波形畸变和波形幅值减小的结果，证明了工频下电磁法的可行性，但由于现

45、象不明显有待于继续深入研究。 3.在高压高频下进行的试验得到了波形幅值大幅度增大和相位翻转的结果,证明了电磁法在高压高频条件下的可行性。参考文献戈宝军，梁艳萍，温嘉斌. 电机学.北京：中国电力出版社，2010:1-2乔海涛，冯永新大型汽轮发电机组故障诊断技术现状与发展.广东电力，2003，18(2)：9-13冯复生.大型汽轮发电机近年来事故原因及防范对策，电网技术，1999，23(1)：74-78毛国光我国大型汽轮发电机的事故及存在的质量问题.电网技术，2000，24(11)：1-7 江欣，章岩，蔺宝生，成永红.陕西电网300MW汽轮发电机故障与诊断 西北电力技术，2000，(2)：3940高

46、波.300MW汽轮发电机故障分析及对策华东电力，1998，(8)：1-4郗常骥19911993年东北电网200MW及以上汽轮发电机故障统计分析 东北电力技术，1995，(1)：48-周光辉,电机绕组匝间短路现象的分析，新疆有色金属,2011,161-164梁杰申，程志珊，伍云璀正确使用电机检测中匝间绝缘测试项目微特电机，1999，(6)：39-41李升志交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验研究科技情报，1997，(1)：2630Albright, D. R. Inter-turn Short-circuit Detector for Turbine-generator Rotor Windings

47、. Power Apparatus and Systems, 1971, 90（2）: 478-483Wood, J. W., Hindmarch, R. T., Rotor Winding Short Detection. Electric Power Applications, 1986, 133（3）: 181-189El-Sharkawi, M. A., Marks, R. J. , Oh, S., et. al. Localization of WindingShorts Using Fuzzified Neural Network. Energy Conversion, 1995,

48、 10（1）:140-146Strifel, R. J., Marks, R. J. , El-Sharkawi, M. A., et. al. Detection of Shorted-turns in the Field Winding of Turbine-generator Rotors Using Novelty Detectors-development and Field TestJ. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1996, 11（2）:312-317Penman, J., Jiang, H. The Detection of

49、Stator and Rotor Winding Short Circuits in Synchronous Generators by Analyzing Excitation Current HarmonicsA. International Conference on Opportunities and Advances in International Electric Power GenerationC. 1996:137-142Auckland D W, Pickup. I, E, D Shuttleworth, R., et al. Novel Approach to Alter

50、nator Field Winding Inter-turn Fault DetectionJ. IEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution. 1995, 142（2）: 97-102李永刚,李和明 .汽轮发电机转子绕组匝间短路故障分析与诊断新方法. 电力系统自动化.1998（6）: 21-23 张新安.简单实用的线圈匝间短路测试器. 电子世界2005 年1期.19陈宝新, 付丽辉, 戴峻峰.线圈匝间短路测试仪的设计.工业计量2002年第5期:34-35胡浩.电机绕组匝间短路实用检测方法.电工技术魏新劳，薛庆会，王永红，陈

51、庆国大型电机磁极线圈匝间绝缘中频试验技术及电源研究哈尔滨理工大学学报2009，第二期：50-51薛庆会.大型电机磁极线圈匝间绝缘试验技术及设备研究.哈尔滨理工大学，硕士研究生.2009-3:2-3巢福坤交流高压电机新型匝间绝缘试验器电气应用，1983，(01)：22-25刘骥，曹滨200kV连续脉冲振荡匝绝缘耐压试验装置的研制变压器，2004，41(4)：33-35陆更伟高压电机线圈绕组匝间绝缘冲击试验设备的研制哈尔滨：哈尔滨理工大学，2004：3-6张平平.发电机转子绕组匝间短路后电磁场的研究.华北电力大学，硕士研究生.2011-3:7-9李之昆.发电机转子绕组匝间短路故障诊断的研究.河海大

52、学，硕士研究生.2004-3:12吕然.发电机转子绕组匝间短路故障诊断的研究.华北电力大学，硕士研究生.2011-3:6致谢本论文是在王永红副教授的悉心指导与关怀下完成的，王老师渊博的知识、开阔的思路、严谨的治学态度、踏实的工作作风和培养人才的无私奉献精神深深地教育了我，也将永远激励我奋发向上、努力工作。从他身上，我不仅学到了扎实、宽广、系统深入的专业知识，也学到了做人的道理和处世的方式，这些宝贵财富将使我终身受益。在此，向敬爱的王老师表示深深的感谢。感谢聂洪岩老师对本文工作的帮助，感谢宋春辉师兄和各位同学的关心和帮助，论文的顺利进行与他们的帮助是分不开的。在此，向所有关心和帮助过我的朋友们表

53、示感谢。感谢我的亲人多年来对我的关心和帮助，在漫长的求学生涯中，他们为我提供了强大的精神支持和尽可能多的物质帮助。在此，向我的家人表示最衷心的感谢。最后，衷心的感谢在百忙中抽空来参加我的毕业论文评审和答辩的各位领导老师和评委。附录发电机励磁绕组匝间故障检测的新方法摘要本文演示了如何把人工神经网络用于发电机转子故障的线检测。设计了一个简单的网络电路并且在实验室进行了测试。测试已表明，采用神经网络可以成功的预测确定测量范围内额定子端子和转子故障。1.引言大型发电机发生转子匝间故障时相当普遍的，而且很难被察觉。这些故障可能会引起严重的问题，如非对称转子加热，在磁极引起不平衡磁的拉力，并联电路电流的流

54、通的环流，每个定子绕组变成1,2。这三个问题中的前两个可能会导致电机运行中的震动。最简单的检测方法是检测转子电阻电位的方法来。 这种方法，使谐波循环传感电流在并行绕组中流动，或者使用探测线圈检测气隙中的漏磁通的通量，但是其成本较高和测量较复杂，是当前遇到的困难。对于一个正常运行的绕组来说，由于励磁绕组有效匝数的减少，需要的磁场电流比转子无故障时的磁场电流大。通过这一点，计算此区域的当前参数通常电压（U）、有功功率（P）和无功功率（Q），通过建立一个准确的数字模型，可以与测量值比较，以确定是否可能存在或不只一个转子匝间短路。这种故障将会造成励磁电流低于该测量预测值。上述方法需要使用一个精确的同步

55、机模型。传统的模式是根据两轴等效电路，其中包括饱和度令人满意的可利用的例子，如奥克兰等人设计的，将适合目前的应用。然而，对一个特定的机器想要获得必要的精度，要求其电磁参数在操作条件内可以大范围的变动。然而实际机器的这些参数一般必然不会是现成的，因此，通过短时的综合开路测试得出上述使用的传统机型是不可行的。目前的情况下，在传统的数字模型使用中涉及的问题已被利用人工神经网络预测励磁电流的方法所克服。详细的参数信息不是这种方法所必需的，相反，预测条件通过有效的插值和推算，使性能数据包含在机器的运行中。2.人工神经网络的应用 当同步电机转子一匝发生短路时，绕组的有效匝数会产生减少。由于匝间短路这个结果

56、，需要磁场更高的电流以保持工作条件所需的EMF（电压U时，有功功率P和无功功率Q）。转子励磁绕组电流损失额外的量需要被弥补，当然，取决于特定匝数短路故障的发生。如果之间的所有关系终端在可能的工作条件和一个完好的转子相应的转子电流下可以映射准确，适合于可以预见的终端操作条件的目标集。在无故障的情况下，这种预测值与实测值应该是相同的，如果是一个错误的假定将发现有明的不同。 准确定位和使用终端数据与励磁电流之间的关系达到人工神经网络（ANN）。这样的网络是一个许多简单的处理单元组成的系统，称为神经元，并行运作。Sobajic等人表述了其形式和及其在电力系统研究领域中的应用。 8。据以Cybenko叙

57、述在ANN培训后，可以用来模拟与提供足够的任意精度与任何类型的非线性隐层神经元。 该方法的过程可以用以下四个步骤描述：（1）获取数据，表达个终端操作水平、各参数之间的关系（U，P，Q）和相应的励磁电流的水平。这些数据应分布在整个运行图的安全区内。（2）把上述数据进行神经网络训练，用变量描述终端的操作条件（U，P，Q），作为输入和把励磁电流作为输出。 （3）把U、P和Q在目标的情况下输入到神经网络，因此，在输出端获得了励磁电流的预测值。（4）比较预测的励磁电流与实测值，推测确定转子是否故障。3.试验在220V，50Hz条件下，用一个5kVA两极双绕组转子微型发电机来测试该方法。，从图1可以看出，

58、这个电机的励磁绕组由一系列的环状线绕在转轴上。这个分接点允许绕组的10（线圈C1和C2）或20（CL线圈，C2，C5，和C6）连接短路故障点到滑环的R4和R8，应用单位（FAU）。转子无故障时故障应用单位是关闭的。线圈C3，C4，C7和C8从未连接。进行了三相发电机供电测试，电机在1.5PU条件下通过传输电源的电源415 V， 电机不稳定。手动驱动稳压直流电动机，同样，也没有配备一个自动电压调节器，励磁电流也需要手动调整。在测试过程中所需的数据由多通道数字数据记录仪收集，包含了一些操控软件捕获的定子输出电流和电压波形。用这些波形来整合计算有功和无功超过几个周期的变化。同时也记录励磁电流。预测励

59、磁电流的终端操作条件去训练神经网络，收集了130套实验数据。 获得的数据是在电机适当的运行在安全边界的运行工区域，如图2所示。在实验室中使用施加约束的传输线的长度，这制约了操作微加工到主动输出功率不超过0.45PU。超出此限制的系统不稳定。 130套数据（训练组）代表映射关系，前馈神经网络使用倒传递算法训练。使用这种算法，它被发现，培训的总误差一套降低到一个很低的水平时，四图层网络，在隐藏的图层每个神经元有五六选择。事实上有的情况下，最训练集，预测励磁电流几乎是与用于训练的价值没有什么区别。然而，有现象被称为“过度训练”，如果其中一组测试数据的错误确实不能无限期地减少迭代次数训练过程，纵然增加

60、了，作为培训例子的反复的神经网络，BP算法继续减少训练集的总误差。事实上，上述一定数量训练迭代的测试数据错误开始再次增加。在这种情况下，该算法获得培训点，以确保该网络没有更好的插值点。对于稳态建模，神经网络的能力推广从训练集的例子可以看出整个问题的环境是可取的，能够重现与特定的高度训练数据准确性。一个三层的神经网络有8个隐层的神经元，没有受到过度训练在这方面有满意的效果。对于这样的配置，其中平均每个训练数据的例子是订单错误的1，总误差的训练集不可能是最低的，但获得最佳插值的能力，因此，是最好的性能测试数据集。该标准采用终止训练过程用来改善连续迭代，E的总误差应该比O.OOO001少。一旦培训完