长兴电厂汽轮发电机转子匝间短路故障的在线监测

2016-10-21任晓骏郝亮亮孙宇光张琦雪

大电机技术 2016年5期

任晓骏，李扬，郝亮亮，桂林，孙宇光，张琦雪，陈俊

任晓骏1，李扬2，郝亮亮2，桂林3，孙宇光3，张琦雪4，陈俊4

（1. 浙江浙能长兴发电有限公司，浙江长兴 313100；2. 北京交通大学电气工程学院, 北京 100044；3. 清华大学电机系，北京100084；4. 南京南瑞继保有限公司，南京211102）

转子匝间短路故障会引起同步发电机的励磁磁动势发生变化。基于时空向量图，利用发电机运行的机端电压、机端电流与定子漏抗，建立受发电机运行方式影响较小的磁动势计算数学模型，准确计算发电机运行时的实际励磁磁动势，通过与励磁电流计算得到的正常磁动势进行比较，即可实现对转子匝间短路故障的监测。将基于此原理研发的PCS-988B故障监测装置应用在实验样机上，进行了不同工况下不同短路位置与匝数的转子匝间短路动模实验，验证了原理的正确性和装置的有效性。

汽轮发电机；转子匝间短路；在线监测；磁动势

0 前言

转子绕组匝间短路是大型同步发电机常见的一种电气故障，会引起励磁电流增大，输出无功减小，机组振动加剧等一系列不良影响，若不及时处理还有可能引起更严重的转子接地故障和大轴磁化故障。汽轮发电机相比于水轮发电机，转子转速更高，运行环境温度更恶劣，更容易发生转子绕组匝间短路。据不完全统计，在2009~2011年三年间，仅中国广东省就有十余台400MW~1000MW等级的汽轮发电机发生励磁绕组匝间短路故障，在2010年就已确认发生了5起[1, 2]。

近几年，清华大学一直基于“交流电机的多回路分析法”研究发电机转子绕组匝间短路故障，提出了利用发电机裂相横差电流[3]（分支绕组的环流）或者单元件横差电流[4]的谐波特征判别转子匝间短路故障，相关成果已在新安江和彭水等电厂得到了应用。但在中国，除少量的俄供机组外，绝大多数大型汽轮发电机的中性点仅引出3个端子，不具备安装分支电流互感器的条件，无法测量到故障引起的定子相绕组不平衡电流。所以，这种基于定子相绕组分支不平衡电流的故障监测方案很难应用于汽轮发电机[5]。

为提高大型汽轮发电机安全运行的可靠性和稳定性，应在现有的条件下努力寻求新的在线故障监测方案。故障后发电机内磁动势的分布不再对称，转子受不平衡磁拉力的影响，发电机的振动加剧[6]。因此，通过监测发电机的振动判别转子绕组匝间短路故障在理论上是可行的[7-9]，但是发电机的振动是一个十分复杂的问题，电气故障仅是引起振动的一个方面。目前电气故障对转子的振动机理还不明确，相关研究也仅限于定性的理论分析与实验阶段，较难实用化。此外，华北电力大学的学者基于“故障后励磁电流增加而无功输出量却相对减小”的特征进行故障判别[10, 11]，将故障后的电气量视为转子绕组正常时的输出，计算励磁电流理论值，将励磁电流的正常理论计算值与实测值的相对偏差作为是否存在转子绕组匝间短路及短路严重程度的判据。这一原理为故障监测提供了一条可行的途径，但这种故障监测方法的准确性及灵敏度会受发电机运行方式和条件的影响，应用的可行性较差。

转子发生匝间短路后，励磁磁动势将产生变化，与正常运行时有所不同。基于此，本文首先以长兴发电厂一台实际的汽轮发电机为例，利用相电压、相电流与定子漏阻抗，基于发电机三相对称运行时的相量图，建立计算发电机实际基波励磁磁动势的数学模型，将模型计算结果与利用当前工况下的励磁电流计算出的正常励磁磁动势进行比较，就可以判断发电机是否发生转子绕组匝间短路故障；然后，利用该原理开发了故障的在线监测装置，并通过动模实验对监测原理与装置进行了验证。

1 基于励磁磁动势差值的故障监测原理

1.1 故障判断的基本原理

以长兴发电厂的一台实际汽轮发电机为例，对该故障监测方法的基本原理进行说明。该大型汽轮发电机转子径向结构如图1（a）所示，每极下共有8个转子槽，最靠近磁极大齿的槽（如图1中S极的11'槽）内匝数为6，其他转子槽内匝数为8。假设转子励磁绕组流经恒定的励磁电流f，当转子绕组正常时，其励磁磁动势阶梯波形如图1（b）所示，对其进行快速傅里叶分解（FFT）后，得到基波磁动势幅值f1=ff，f为励磁磁动势的波形因数，定义为励磁磁动势基波幅值与励磁磁动势幅值之比，f为梯形波的励磁磁动势幅值。

（a）发电机转子截面示意图

（b）匝间短路故障前后励磁磁动势波形

当励磁绕组发生匝间短路后，磁动势波形将发生变化。图1（b）的短虚线阶梯波为33'槽发生部分匝间短路故障时的磁动势波形，其基波磁动势幅值为f1'。因故障后的励磁绕组的有效匝数减少，故障后的基波励磁磁动势f1'必然小于故障前的基波励磁磁动势f1。即

当发电机发生转子匝间短路时，满足

由此可见，如何准确计算实际的励磁磁动势是保证该方法切实可行的关键。

1.2 实际励磁磁动势的计算方法

由隐极式汽轮发电机的时空统一相量图（图2）可知，基波励磁磁动势，因此，只要准确求出基波气隙磁动势和基波电枢合成磁动势a1，便可求解基波励磁磁动势。应当指出，转子发生匝间短路故障后，定子三相仍然是对称的，发电机运行的时空统一相量图仍然适用。

图2 隐极式发电机的时空统一相量图

（1）基波电枢磁动势a1

由时空相量图可知，a1与A相电流相量方向相同。

式中，1——定子绕组每相串联匝数；

dp1——定子基波绕组因数；

——极对数。

然后，根据发电机正常时的空载特性，如图3所示，得到δ对应的阶梯波转子，磁动势幅值f，则δ对应的气隙基波磁动势可以直接得到f1=ff。

图3 励磁磁动势幅值的计算

通过发电机的空间向量图，利用发电机运行的三相电压、三相电流、定子漏感与电阻求得发电机实际的基波励磁磁动势后，即可依据1.1节中判断标准进行故障识别。

应当强调，在利用时空相量图求励磁磁动势时，还可以依据同步电抗s进行求解，但是定子电枢的同步电抗随磁场的饱和程度而变化，受发电机的运行方式影响较大，无法较为准确地计算励磁磁动势。而本文利用了定子漏抗进行计算，受发电机运行条件与方式的影响较小，可以保证基波磁动势计算的准确性。

2 在线监测装置及其动模实验

2.1 在线监测装置简介

为进一步验证本文所提出的“基于磁动势比较的转子匝间短路故障在线监测方法”的可行性，并且应用于工程实际，研发了“PCS-988B发电机转子绕组匝间故障监测装置”，并将其应用于浙江长兴电厂。

PCS-988B的产品部署视图如图4所示，装置接入发电机机端PT、机端CT、励磁变CT。其中，机端PT和CT分别用于测量发电机端的相电压和相电流，而励磁变CT用于测量励磁变低压侧三相交流电流，三相电流的瞬时值相加即可得到发电机励磁电流的直流分量。

图4 PCS-988B的产品部署视图

PCS-988B装置基于本文提出的在线监测算法，首先计算发电机实际基波励磁磁动势，再将该磁动势与当前励磁电流计算出的正常励磁磁动势进行比较，根据式（3）判断发电机是否发生转子绕组匝间短路故障。

2.2 在线监测装置的动模实验

为验证PCS-988B发电机转子绕组匝间故障监测装置的电气量采样、电气量计算以及逻辑判别的正确性及可靠性，在动模样机上对该装置进行了动模测试。图5为动模测试的实物接线图。

图5 动模实验的实物接线图

图5中的直流电源为同步发电机提供高品质的励磁，可以工作在恒流模式或者恒压模式。直流原动机由西门子6RA70直流调速设备驱动，故障前后的发电机转子能够保持同步转速。A1553同步发电机是专门为进行转子匝间短路实验而特别定制，其励磁绕组除首、末端引出2个抽头外，还额外引出了5个用于短路的抽头，这7个抽头分别与7个连到外部接线端子上的滑环相连。各抽头的位置及相应匝数如图6所示，实验样机主要用来检验监测方案的有效性，而没有考虑各抽头之间短路故障实际出现的可能性。

图6 A1553样机转子冲片及励磁绕组引出抽头示意图

装置系统定值整定时，取机端电压互感器变比为18kV/100V；取机端CT、第1分支组CT的电流变比为4000A/5A。按此定值计算，电流模拟放大了4000A/20A = 200倍，模拟的发电机额定电流为21.7A×200 = 4340A；电压模拟放大了18kV/400V = 45倍，模拟的发电机额定电压为400V×45 = 18kV；模拟的额定功率为1.732×4340A×18kV×0.8 = 108.24MW。即模拟一台功率为108.24MW的发电机组，实验将励磁磁动势的差值整定为0.006p.u.。

实验1：励磁恒流模式带负载短路

在负载电流为1.28A时，短接励磁绕组6-7抽头、5-6抽头和1-4抽头，短路后的励磁磁动势差值分别为0.147 p.u.、0.016 p.u.和0.014 p.u.，装置均正确报警。而在其余更小匝数的短路时，装置未发出报警信号。

实验2：励磁恒压模式带负载短路

在负载电流为1.28A时，短接励磁绕组6-7抽头、5-6抽头和1-4抽头，短路后的励磁磁动势差值分别为0.299 p.u.、0.017 p.u.和0.017 p.u.，装置均正确报警。而在其余更小匝数的短路时，装置未发出报警信号。

实验3：空载时的短路

在恒压模式下短接励磁绕组6-7抽头、5-6抽头和1-4抽头，短路后的励磁磁动势差值分别为0.272 p.u.、0.016p.u.和0.017 p.u.，装置均正确报警。以上抽头相应的空载恒流模式时的故障实验，装置也能正确报警。在其余更小匝数的短路中，装置未发出报警信号。

实验4：装置防误报警性能实验

该样机上进行的零起升压、灭磁、并网、甩负荷、机端三相短路、机端两相短路以及定子匝间短路故障等实验中，装置均未出现误报警。

3 结论

为了实现对无分支电流互感器汽轮发电机的转子匝间短路故障监测，本文提出了一种基于故障前后励磁磁动势变化的监测方法，用动模实验验证了原理的正确性和装置的有效性，该装置已应用于浙江长兴电厂。下一步将重点研究在保证防误动性能的基础上缩小匝数短路故障的监测死区。

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Monitoring of Inter-turn Short Circuit of Rotor Windings in Turbo-generator of Changxing power plant

Ren Xiaojun1, Li Yang2, Hao Liangliang2, Gui Lin3, Sun Yuguang3, Zhang Qixue4, Chen Jun4

(1. Zhejiang Changxin Power Plant, Changxing 313100, China; 2. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 3. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 4. Nanjing Nari-Relays Electric CO., LTD, Nanjing 211102, China)

The rotor winding inter-turn short circuit may cause change of magnetic motive force of synchronous generators. Based on phase vector of synchronous generator and using the machine terminal voltage, terminal current and the stator leakage reactance during the operation of generators, this paper builds the mathematical model which is less affected by the operation mode of generator. This model can calculate the real time magnetic motive force, accurately, when the generator is running. Compared with normal magnetic motive force calculated by field current, this method will achieve the monitoring of the rotor winding inter-turn short circuit fault. The fault monitoring device PCS-988B based on this principle is applied to the model machine and experiments with different short circuit position and turn number under different operating conditions are made. The result has verified the correctness of this principle and the effectiveness of this device.

turbo-generator; inter-turn short circuit of rotor; online monitoring; magnetic motive force

TM341

1000-3983(2016)05-0022-04

2016-01-09

任晓骏（1981-），毕业于南京航空航天大学电气工程及其自动化专业，现从事发电厂继电保护工作，工程师。