水轮发电机转子绕组匝间短路故障的新型在线诊断方法

武玉才　马倩倩　蔡波冲　唐劲飞

摘要：针对转子绕组匝间短路故障可引起水轮发电机机组较为强烈的振动，导致计划外停机的问题，以二滩水电站一台550 MW水轮发电机为例，根据磁动势平衡原理，推导匝间短路前后发电机主磁场的变化规律，提出在水轮发电机定子铁心上安装U型检测线圈，用以检测转子绕组匝间短路故障。根据发电机主磁场的运动规律，推导穿过U型检测线圈的磁通表达式，进一步得到检测线圈的感应电动势。二维电磁场仿真证明U型检测线圈的感应电压可以反映水轮发电机的转子绕组匝间短路程度，并能定位故障磁极位置，新型检测方法实现了对水轮发电机转子绕组匝间短路故障的在线诊断。

关键词：水轮发电机；转子绕组匝间短路；U型检测线圈；感应电压差；在线诊断

DOI：10.15938/j.emc.2018.11.000

中图分类号：TM 315

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）11-0000-00

0引言

转子绕组匝间短路故障是大型同步发电机的多发性故障[1-6]，其中水轮发电机的转子绕组匝间短路故障占据了一定的比例[7-12]。一旦水轮发电机出现转子绕组匝间短路故障，故障极磁场被削弱，就会造成转子故障侧单边磁拉力下降，形成不平衡磁拉力，严重的匝间短路可引起水轮发电机的剧烈振动[13-14]。此外，水轮发电机还发生过转子绕组匝间短路引起横差保护动作事件[15]，因此，水轮发电机的转子绕组匝间短路故障应引起足够的重视[16]。

水轮发电机具有极对数多、凸极结构以及定子绕组分支数多等特点。某一磁极的转子绕组匝间短路对局部电磁量影响较大，对发电机整体影响较小，这一特点导致适用于汽轮发电机的转子绕组匝间短路在线诊断方法并不适用于水轮发电机，探测线圈法[17]、励磁电流法[18-20]、虚功率法[21]、期望电势法[22]、轴电压法[23-25]、并联支路环流法[26-27]、励磁电流谐波法[28-32]和端部漏磁[33]等都无法灵敏地检测出水轮发电机的转子绕组匝间短路故障。由于这些技术限制，目前水轮发电机的转子绕组匝间短路诊断还停留在离线水平，常采用的是直流电阻比较法[34-35]，交流阻抗和功率损耗法[36-37]，交直流分压电压法[38-39]等。这些方法均需要对转子各磁极的绕组逐个测试，整个检测过程耗时较长，增加了机组的停运时间。水轮发电机组停运时间增长将损失发电量，造成水资源的巨大浪费，开发水轮发电机转子绕组匝间短路在线诊断方法、降低故障停运时间对于水电厂具有现实意义和经济价值。

本文选择一台550 MW水轮发电机作为研究对象，分析了转子绕组匝间短路故障引起的磁场不平衡问题，提出在发电机内部安装新型检测线圈，实时检测转子绕组匝间短路故障，为水轮发电机的转子绕组匝间短路故障检测提供了新的解决方案。

1磁场不平衡分析

水轮发电机的转子绕组为集中式结构，某磁极绕组发生匝间短路后，被短路绕组内部电流为零，该磁极的绕组有效匝数减少，产生的励磁磁势明显小于正常磁极。短路后的励磁磁场可以看作正常的励磁磁势与被短路的励磁绕组通入反向励磁电流产生的励磁磁势的叠加，如图1所示。

图1转子绕组匝间短路后的励磁磁势示意图

Fig.1Excitation magnetic potential of the rotor winding interturn circuit

转子绕组正常情况下励磁磁势波形是轴对称的，经过傅立叶分解后无直流和偶数次谐波分量，仅含奇数次谐波，用余弦函数可以表示为

Ffnorm（θr）=F1cospθr+F3cos3pθr+

F5cos5pθr+…+Ficosipθr。（1）

式中：Fi表示第i次諧波磁势的幅值，i为奇数；θr表示转子空间机械角度；p表示水轮发电机的极对数。

被短路的励磁绕组通入反向励磁电流产生的励磁磁势具有非对称性质，经过傅立叶分解可以表示为

ΔFf（θr）=-2QIfπ∑

SymboleB@ n=1sin（nα/2）ncosnθr。（2）

式中：Q表示励磁绕组的短路匝数；n为正整数；If表示发电机励磁电流；α表示转子磁极的宽度。

由式（2）可知，转子绕组匝间短路在发电机主磁场中产生了新的谐波。转子绕组正常时励磁磁势中仅含有奇数次谐波，匝间短路后则出现了分数次谐波，该分数次谐波叠加到对称的励磁磁势上，使得发电机磁场不对称。

水轮发电机转子为凸极结构，定子开槽，且铁心存在饱和现象，解析计算是无法准确获取发电机的磁场数据的，应借助计算精度更高的数值仿真工具。以东方电机厂和加拿大GE公司合作生产的水轮发电机为例（运行于中国二滩水电厂），参数见表1，采用Ansoft软件建立发电机二维仿真模型，如图2所示。

将搭建的发电机模型导入到Simplorer软件中，按照定、转子绕组的实际连接方式编辑外电路模型，搭建场路耦合的二维瞬态电磁场仿真模型，如图3所示。

以发电机空载和带额定负载运行为例，分别设置转子某磁极绕组正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，仿真得到发电机气隙主磁场如图4和图5所示。

从图4和图5看出：无论水轮发电机空载运行还是带额定负载运行，转子绕组正常时，各磁极相同位置的磁场基本相同；转子某磁极绕组发生匝间短路后，该极励磁绕组有效匝数减少，其磁场明显弱于正常极的磁场。

2新型检测线圈法

水轮发电机的定子铁心普遍采用空冷方式，定子铁心沿轴向分成若干段，段与段之间流通空气，实现铁心散热。图6为某水轮发电机的定子铁心结构。

水轮发电机的分段式定子铁心为转子绕组匝间短路诊断提供了传感器安装空间，提出一种新型发电机磁场检测线圈，其结构及安装方式如图7所示。

检测线圈为U型结构，沿径向包围水轮发电机定子的一个铁心段，U型底部位于发电机气隙，U型出口处并联一个高阻值电阻（1 000 Ω以上），通过数据采集仪采集该电阻两端电压。

2.1U型检测线圈的诊断机理

水轮发电机空载运行状态下，气隙磁通密度可以表示为

B（θr）=∑

SymboleB@ i=1Bicos（iPθr）。（3）

式中：p表示水轮发电机的极对数；i为奇数，i=1，3，5，…；Bi表示i次谐波磁通密度的幅值；θr表示转子圆周的空间机械角度。

假定初始时刻检测线圈位于转子某N极轴线位置，该时刻穿过检测线圈的磁通为零。转子旋转过程中，穿过检测线圈的磁通周期性改变，经过时间t后，穿过检测线圈的磁通可以表示为

Φ（t）=∫ωrt0B（θr）ld（θrR）=

lR∑

从上式可知：U型检测线圈实质上是一种磁场测量线圈，检测线圈所感应的电动势时域波形（式（5））与发电机气隙磁场空间波形（式（3））具有相似的形状。

转子绕组发生匝间短路后，故障极磁场明显减弱，当故障磁极扫过检测线圈时，检测线圈所感应的电压幅值也将小于正常磁极扫过检测线圈的感应电压，可根据这一特点诊断水轮发电机的转子绕组匝间短路故障。

2.2U型检测线圈有效性验证

以550 MW水轮发电机为例，在发电机空载和额定负载状态下，分别设置转子某磁极绕组正常、短路5%、短路10%、短路15%和短路20%，转子旋转一周检测线圈的感应电压如图8和图9所示。

从图8和图9看出：受故障极磁场削弱的影响，该磁极扫过检测线圈时，检测线圈感应的电压明显低于正常磁极的电压值，短路程度越严重，电压偏差越大，因此，可以将检测线圈在各磁极处的感应电压偏差作为水轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据。

可以在发电机的定子铁心上同时安装2个U型检测线圈，2个检测线圈的间距为发电机极距的整数倍。

当2个U形检测线圈间的距离为发电机极距的奇数倍时，当某一个线圈位于某N极下，则另一个线圈刚好位于某S极下的对应位置，2个线圈任意时刻感应的电压波形反相位，将2个U形检测线圈的输出电压相加，即

ΔU（t）=U1（t）+U2（t）。（6）

理论上，转子绕组正常时相加后结果为零，若转子某磁极绕组存在匝间短路故障，这2个检测线圈的输出电压将出现局部偏差，相加结果不为零。

当2个U形检测线圈间的距离为发电机极距的偶数倍时，将2个U形检测线圈的输出电压相减，即

ΔU（t）=U1（t）-U2（t）。（7）

励磁绕组正常时相减后结果为零；若转子某磁极绕组存在匝间短路故障，这2个检测线圈的输出电压将出现局部偏差，相减结果不为零。

雙线圈法的好处是：发电机运行工况变化时，穿过2个检测线圈处的磁场同时改变，因此，当同步发电机励磁绕组正常时，2个检测线圈的输出电压是完全相同的，诊断的抗干扰能力得到了大幅提升。

以水轮发电机空载运行为例，设置2个检测线圈相距6倍的极距，在转子某磁极绕组短路10%时，2个检测线圈的感应电压之差如图10所示。

可以看到：励磁绕组匝间短路后，在转子1个旋转周期内，2个检测线圈的感应电压差波形中存在1个正向脉冲和1个负向脉冲，这2个脉冲的时间间隔为0.06 s，2个脉冲的产生时刻分别对应故障极磁场扫过这2个检测线圈的时刻。

双线圈法可以有效诊断出水轮发电机的励磁绕组匝间短路故障，随着匝间短路程度的加重，2个检测线圈感应电压的幅值差异也将变大，因此，该方法还可以反映出励磁绕组匝间短路故障的严重程度和发展趋势。

U型检测线圈可以在水轮发电机制造或大修阶段安装，该线圈检测发电机主磁场，线圈底部可以紧贴定子内径，不存在与转子碰撞的风险。新型检测线圈选择高电阻率、高强度且具有一定韧性的合金材料制作而成，可以有效降低运行过程中的涡流损耗和变形风险。检测线圈的输出电压不会超过常规信号采集装置的电压上限，因此，常规的数据采集装置可以直接采集检测线圈的感应电压。经计算机实时运算得到2个线圈感应电压之差ΔU，当ΔU大于设定阈值时，计算机立刻发出报警信号，实现了转子绕组匝间短路故障的在线诊断。结合键相信号还可以进一步确定故障磁极位置，避免停机后进行二次检测，缩短了故障处理时间。

3结论

本文研究了水轮发电机转子绕组匝间短路故障的磁场特征，提出了在定子铁心上安装U型检测线圈诊断转子绕组匝间短路故障，得出以下结论：

1）水轮发电机的转子绕组发生匝间短路后，气隙磁场将变得不对称，故障极磁场明显减弱；

2）在水轮发电机定子铁轭上安装2个U型检测线圈，通过U型检测线圈感应电压差异可以诊断转子绕组匝间短路故障；

3）U型检测线圈法的灵敏度和可靠性较高，可对水轮发电机的转子绕组匝间短路故障进行在线诊断和定位，解决了水轮发电机转子绕组匝间短路故障无法实时监测的问题。

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（编辑：邱赫男）