汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)的分析研究

1、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)的研究 摘要：本文對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中常出現(xiàn)的匝間短路故障進(jìn)行了研究。分析了探測(cè)線圈法檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的檢測(cè)機(jī)理。針對(duì)在較小故障情況下，波形的變化不是很明顯，提出采用小波分析的方法，對(duì)線圈中的感應(yīng)波形進(jìn)行進(jìn)一步處理，從而準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)到故障信息。并基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障檢測(cè)軟件，動(dòng)模實(shí)驗(yàn)證明開發(fā)的軟件適合轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路的故障檢測(cè)。 關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)，匝間短路故障，探測(cè)線圈，小波分析，虛擬儀器 Abstract：In this paper the inter-turn shorted-circuit1fault oc

2、curred in rotor windings is studied. The diagnosis mechanism of detecting coil method wereanalyzed. In the small fault conditions,the wave of change is not obvious, the wavelet analysis method, the coil in the inductive waveform for further processing, thus accurately detects the fault information.

3、And based on the virtual instrument technology development of the generator rotor winding dynamic turn-to-turn short circuit fault detection software, dynamic simulation experiments prove that the developed software for rotor winding inter-turn short circuit fault detection for dynamic. Key Words：tu

4、rbo-generator, inter-turn shorted-circuit fault, detection coil, wavelet analysis, virtual instrument 0 引言 發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)中的發(fā)電環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。尤其是目前我國(guó)己經(jīng)進(jìn)入大電網(wǎng)和大機(jī)組階段，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增大，發(fā)電機(jī)故障診斷更是一個(gè)迫切需要解決的問題。汽輪發(fā)電機(jī)是一種高速隱極式電機(jī)，當(dāng)其運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子受到強(qiáng)大的離心力作用，很容易發(fā)生匝間短路故障。輕微的匝間短路并不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生很大的影響，但如發(fā)生嚴(yán)重的匝間短路時(shí)，會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)增大，造成大軸磁化

5、、燒毀發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子乃至被迫停機(jī)。因此對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)是十分必要的，有助于提高系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。 本文主要對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障機(jī)理和探測(cè)線圈法檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的檢測(cè)機(jī)理，引進(jìn)小波分析法。并基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障檢測(cè)軟件 1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的理論分析 1.1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總體結(jié)構(gòu) 汽輪發(fā)電機(jī)容量的不同，轉(zhuǎn)子采取的冷卻方式也有所不同。小容量機(jī)組采用空冷方式，空冷冷卻方式以其高可靠性和低維護(hù)量，深受運(yùn)行部門的歡迎。然而隨著單機(jī)容量的增大，考慮機(jī)組體積、重量、材料利用

6、率等原因，空冷不再適用。目前，國(guó)內(nèi) 300MW、0 / 8 600MW 主力發(fā)電機(jī)組則主要采用水-氫-氫冷卻和雙水內(nèi)冷形式。雙水內(nèi)冷曾在 70 年代盛行，但由于可靠性的原因，現(xiàn)在已很少使用。大型發(fā)電機(jī)都采用水-氫-氫冷卻。即發(fā)電機(jī)定子繞組采用水內(nèi)冷，定子鐵芯表面氫外冷和轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷。 采用不同冷卻方式的轉(zhuǎn)子繞組，絕緣結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。水內(nèi)冷的轉(zhuǎn)子繞組由空心銅線制成，其絕緣結(jié)構(gòu)為單匝繞包，極少出現(xiàn)匝間絕緣故障，而空冷和氫冷式轉(zhuǎn)子繞組則由實(shí)心銅帶或銅管制成，其絕緣為組合結(jié)構(gòu)，即有槽襯墊條、槽襯、層間絕緣、槽口墊塊、層間絕緣、槽楔上加工成對(duì)孔組成風(fēng)道。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，由于風(fēng)道的存在，金屬異物容易掉進(jìn)

7、轉(zhuǎn)子內(nèi)部，直接形成短路故障或者造成轉(zhuǎn)子通風(fēng)堵塞，轉(zhuǎn)子繞組過熱而發(fā)展成繞組匝間短路或接地。轉(zhuǎn)子總體上包括轉(zhuǎn)軸包含轉(zhuǎn)子本體）、勵(lì)磁繞組、槽絕緣、槽楔、護(hù)環(huán)、中心環(huán)、阻尼繞組、轉(zhuǎn)子繞組引線、風(fēng)扇、滑環(huán)等。勵(lì)磁繞組繞在轉(zhuǎn)子軸的軸向槽內(nèi)，端部用護(hù)環(huán)固定，用中心環(huán)軸向固定，且在勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子本體開有徑向通風(fēng)槽，使冷卻用氫氣流過。 圖1.1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 1.2 轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu) 目前國(guó)內(nèi)外的大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組冷卻一般采用氫冷方式。轉(zhuǎn)子槽形都做成開口槽，以固定勵(lì)磁繞組。氫冷方式的發(fā)電機(jī)沿轉(zhuǎn)子鐵心表面全長(zhǎng)銑有凹槽，在槽里安放勵(lì)磁繞組，槽的排列形狀如圖 2-2a）和 2-2b）所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)

8、子槽的形狀有兩種，一種為輻射形排列，一種是平行排列，我國(guó)生產(chǎn)的電機(jī)都采用輻射形槽。沿著轉(zhuǎn)子外圈，占 2/3 的表面上均勻開的下線槽較多，那里槽與槽之間的部分較窄，叫小齒。在另外的占轉(zhuǎn)子 1/3 的部分沒有開下線槽，形成了大齒。轉(zhuǎn)子大齒的中心線實(shí)際上就是磁極的中心。 1 / 8 a）輻射形排列b）平行排列 圖1.2 轉(zhuǎn)子槽的形狀 圖1.3 轉(zhuǎn)子線圈接線圖 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的引線部分固定是個(gè)很重要的問題。在槽里的導(dǎo)體用槽楔來壓緊；端部的導(dǎo)體之間不僅需要通過墊塊相互隔離，還要用護(hù)環(huán)來固定。勵(lì)磁繞組通過裝在轉(zhuǎn)子上的集電環(huán)與電刷裝置才能和外面的直流電源構(gòu)成回路。轉(zhuǎn)子端部的連接及端部導(dǎo)體之間墊塊的嵌放可見圖1

9、.4。 圖1.4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部接線和墊塊 從轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)和裝設(shè)方法看，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路最易出現(xiàn)在端部的地方。這一部位的固定系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子繞組本身由于承受強(qiáng)大的離心力，因而容易造成繞組的固定不牢，墊塊松動(dòng)，從而直接導(dǎo)致端部匝間的短路。 1.3 汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路的磁場(chǎng)分析 根據(jù)全電流定律，可以得到正常情況下勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)為一階梯波。它是由各槽內(nèi)線圈所產(chǎn)生的磁勢(shì)疊加而成的，中間的大齒部分沒有勵(lì)磁繞組，所以磁勢(shì)保持不變。 是轉(zhuǎn)子線圈每極的匝數(shù)，階梯波磁動(dòng)勢(shì)的最大值為為勵(lì)磁電流。，其中由于空氣的導(dǎo)磁率比鐵芯的導(dǎo)磁率小得多，所以空氣隙磁路的磁阻比鐵芯磁路的磁阻要大 得多。如果把鐵芯磁路的磁

10、阻都忽略不計(jì)，可以認(rèn)為整個(gè)磁回路的磁動(dòng)勢(shì)都消耗在空氣隙上了。階梯波磁勢(shì)可以分解為一個(gè)梯形波和一個(gè)由分布繞組引起的齒諧波。 2 / 8 圖1.5轉(zhuǎn)子展開圖及磁勢(shì)波形分解圖 發(fā)電機(jī)氣隙主磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)，在靠近轉(zhuǎn)子表面為一個(gè)梯形波疊加齒槽紋波，該紋波分量主要是由于轉(zhuǎn)子開槽和齒漏磁所引起的，其紋波的交變情況與轉(zhuǎn)子齒槽相對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)子齒槽分量幅值與槽內(nèi)安匝數(shù)成正比，因此我們只要檢測(cè)出電機(jī)齒頂漏磁的變化，就可以獲得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的安匝變化，從而可以判斷匝間短路是否存在。 2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的探測(cè)線圈法 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通入的直流勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁通可由下式表示： 2-1） 式中，：磁勢(shì)， ：

11、磁導(dǎo)， ：勵(lì)磁電流， ：轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)。 磁通通過轉(zhuǎn)子大齒，經(jīng)氣隙和定子繞組相交鏈形成回路，稱為主磁通中，經(jīng)氣隙或經(jīng)定子槽而沒有和定子繞組交鏈的磁通稱為漏磁通護(hù)。如果在氣隙中置放一段與轉(zhuǎn)子軸向平行的導(dǎo)線，導(dǎo)線兩端產(chǎn)生的電勢(shì)為， 2-2） 又， 2-3） 得， 2-4） 3 / 8 由式2-4）可知，氣隙磁密的感應(yīng)電勢(shì)和轉(zhuǎn)子的安匝數(shù)成正比。如果轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)出現(xiàn)匝間短路，氣隙磁密的感應(yīng)電勢(shì)相應(yīng)地會(huì)減少。由于齒槽波峰不太明顯，而且如果是短路匝數(shù)比較小時(shí)更不易分辨，所以常常在測(cè)量回路中接入微分電路，從而較明顯地反應(yīng)氣隙中齒槽磁密變化率的波形。在大型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中，即使短路一匝也可明顯地反應(yīng)出來。微分電

12、路是一個(gè)高旁路RC簡(jiǎn)單回路，如圖2.1所示 圖 2.1 微分電路 基于上面的原理，可在氣隙中放一探測(cè)線圈，直接達(dá)到微分目的，也可突出反應(yīng)磁槽中匝間短路的情況。因轉(zhuǎn)子表面以速度v在運(yùn)動(dòng)，故相當(dāng)于探測(cè)線圈對(duì)轉(zhuǎn)子表面一速度v在運(yùn)動(dòng)?？傻?， 2-5） 從上式可以看出，探測(cè)線圈的原理和導(dǎo)線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理是一樣的，不同的是，探測(cè)線圈切割磁通的面積小，但匝數(shù)較多，這樣可以較明顯地表現(xiàn)出齒槽磁密的變化率。 3 基于小波變換的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè) 小波分析是傅立葉分析深入發(fā)展過程中的一個(gè)新的里程碑，它發(fā)揚(yáng)了傅立葉分析的優(yōu)點(diǎn)，克服了傅立葉分析的某些缺點(diǎn)，在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，可以對(duì)高

13、頻成分采用逐漸精細(xì)的時(shí)域或空間域步長(zhǎng)，從而可以聚焦到對(duì)象的任意細(xì)節(jié)。因此，小波變換被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡。 基于小波變換的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障檢測(cè)主要是利用小波變換模極大值原理。當(dāng)發(fā)生匝間短路時(shí)，探測(cè)線圈的感應(yīng)電勢(shì)在短路槽對(duì)應(yīng)處出現(xiàn)幅值的減小，從波形來看是波形的外包絡(luò)線變得不平滑，出現(xiàn)拐點(diǎn)。這樣的特征信號(hào)通過小波變換，可以很好地得到檢測(cè)，以及很好地實(shí)現(xiàn)定位。在后面的內(nèi)容將通過對(duì)模擬信號(hào)及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的仿真分析，來證實(shí)該方法的可行性。 由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極是的對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下單純從探測(cè)線圈感應(yīng)電勢(shì)輸出波形圖還不能確定故障磁極、故障槽，需引入一轉(zhuǎn)子位置定位信號(hào)。以確定故障槽到大齒的相對(duì)位置。因

14、而需加裝一定位傳感器。定位方法有光電定位法、機(jī)電定位法和磁電定位法。經(jīng)過選擇，采用光電定位法，在伸出機(jī)殼的轉(zhuǎn)子大軸，確定一位置，沿軸向涂一窄條反光白漆，同一圓周的其他部分涂上無光黑漆，如果光電傳感器靈敏度高的話，可以只貼一反光白條。發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)到白條位置，光電傳感器輸出一脈沖信號(hào)，即可判斷轉(zhuǎn)子磁極位置，從而判斷故障轉(zhuǎn)子槽。下圖3.1即為探測(cè)線圈感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)和同步定位信號(hào)下面淺綠色窄脈沖信號(hào)）的輸出波形。 4 / 8 圖3.1 帶有軸定位信號(hào)的正常時(shí)感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)波形圖 4基于虛擬儀器的動(dòng)態(tài)檢測(cè) 為了使技術(shù)人員能更好地實(shí)時(shí)觀察電機(jī)的運(yùn)行情況，在探測(cè)線圈法檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制一套發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障檢測(cè)儀，來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)匝間絕緣狀態(tài)的在線檢測(cè)。 4.1 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件