期望电动势法检测调相运行同步电机转子绕组匝间短路故障的适用性研究

2022-12-04张博武玉才马明晗李永刚

电机与控制学报 2022年11期

张博，武玉才，马明晗，李永刚

(华北电力大学河北省绿色高效电工新材料与设备重点实验室，河北保定 071003)

0 引言

我国电力系统结构转型过程中，高比例新能源、高压直流输电广泛应用是一个显著特征。为了维持系统电压稳定，在直流输电系统受端和弱交流系统送端加装了大量调相机，其中既有50 MVA的分布式调相机群，也有300 MVA的大容量调相机组。与此同时，电力系统中一些退役同步发电机组也已开始尝试调相运行改造，以提高系统电压稳定水平[1]。

对于调相运行的同步机组，励磁电流需要频繁、快速变化，转子绕组在槽内反复伸缩位移，容易造成匝间绝缘破损和绕组端部变形搭接，引发转子绕组匝间短路故障，导致机组振动加剧、大轴磁化等问题，甚至会诱发转子一点或两点接地故障[2]。因此，对转子绕组匝间短路故障的准确检测和及时预警十分必要，可以避免故障进一步恶化造成严重经济损失和事故。

在过去数十年时间里，国内外学者分别研究了转子绕组匝间短路故障的多种特征：文献[3]推导了励磁磁动势表达式，发现多对极电机转子绕组匝间短路后，励磁磁动势中除含有奇数次谐波外，还含有偶数和m/p次谐波；文献[4]通过有限元仿真发现，转子绕组发生匝间短路时，励磁磁通变得不对称，基波密度下降；文献[5-6]建立了同步发电机转子绕组匝间短路故障的多回路数学模型，证明定子相绕组环流为分数次谐波、转子电流为基波及整数次谐波的稳态故障特征；文献[7]发现发电机负载状态下，转子绕组匝间短路引起的不平衡磁拉力并不总是随着励磁电流增大而增大，但空载不平衡磁拉力近似与励磁电流的平方成正比；文献[8]采用气隙磁导法建立了发电机气隙磁场模型，得到了转子绕组匝间短路对转子振动幅值和相位的影响规律；文献[9]证明发电机转子绕组匝间短路时，励磁电流增加且无功功率降低，并采用有限元方法确定了励磁电流和无功功率的上下限；文献[10]发现转子绕组匝间短路故障不仅会引起电磁转矩幅值的变化，还将引起电磁转矩的谐波成分变化；文献[11]得出转子绕组匝间短路后，定子和转子磁场相互作用产生的电磁转矩谐波的阶数始终是3的倍数；文献[12]研究了定子绕组形式对同步发电机转子绕组匝间短路稳态电流特征的影响规律；文献[13]证明了半速汽轮发电机转子绕组匝间短路故障后，气隙磁场出现1/2次、3/2次等谐波磁场，且短路越严重谐波环流幅值越大；文献[14]分析得到了多极隐极发电机转子绕组发生匝间短路时，定子绕组将产生分数次谐波电动势，定子绕组分数次谐波环流随着故障程度及短距比的增加而增大。

为解决转子绕组匝间短路故障的实时预警问题，学者先后提出了多种在线检测方法。目前已经投入应用的是文献[15]提出的微分线圈法，该方法利用了匝间短路对转子槽漏磁通的影响，可实现故障定位，但存在受电枢磁场影响、在发电机重载状态下灵敏度不足的问题，在调相状态机组中的检测效果尚需实践证明；文献[16]提出将固定定子铁心的轴向穿心螺杆用作传感器，基于磁场对称性原理，通过故障极与非故障极在螺杆两端感应的电压波形偏差或电压谐波含量变化判断转子绕组匝间短路故障；文献[17]基于转子绕组匝间短路故障引起的发电机定子同相并联双支路感应电动势的差异，提出通过定子绕组并联支路环流诊断转子绕组匝间短路故障。然而，目前大多数汽轮发电机并未在并联支路安装电流互感器，尚不具备环流测量条件；文献[18]利用了发电机自动励磁的调节特性，通过比较在发电机相同有功、无功和机端电压情况下的励磁电流偏差来判断转子绕组匝间短路故障；文献[19]基于转子绕组匝间短路故障造成的发电机磁场不平衡，提出通过转子基频振动增大判断该故障，但由于转子振动影响因素众多，通常难以通过振动快速确认转子绕组匝间短路故障；文献[20]利用了汽轮发电机内部磁场的畸变效应，形成了交链转轴的交变磁通并在转轴两端感应出2次(2极发电机)或1/2次(4极发电机)谐波，目前大多数汽轮发电机尚不具备轴电压实时测量条件；文献[21]利用了匝间短路故障引起的发电机端部漏磁场畸变效应，提出在端部漏磁回路安装探测线圈，利用其感应电压中的偶数次或分数次谐波判断转子绕组匝间短路故障；文献[22]利用了转子绕组匝间短路故障造成励磁磁势相对下降的特点，基于电磁功率计算表达式，提出通过期望有功功率与实际有功功率的对比判断转子绕组匝间短路故障；文献[23]进一步通过空载电动势偏差判断发电机转子绕组匝间短路故障，但所构建空载电动势函数受到励磁电流和发电机有功功率的影响，需构建空载电动势关于励磁电流和有功功率的二元函数。

调相运行同步机组普遍采用自并励励磁方式，这种励磁方式机组励磁电流可测，因此，一些依赖于励磁电流准确测量的转子绕组匝间短路故障在线检测方法在这些机组上具有适用性。在工作状态方面，调相运行同步电机有功功率近似为0，气隙磁场几乎不存在扭斜现象，这使得相关检测方法的效果与发电机不同，研究特定检测方法在调相运行同步电机上的适用性及诊断效果是当前亟待开展的研究任务。

本文首先介绍调相运行同步机组的基本工作特性，进而研究机端电压波动可能引起的磁场饱和变化及其对机组电磁关系的影响，随后，基于期望电动势法基本原理，提出适用于调相运行同步电机的转子绕组匝间短路故障判据，最后，通过有限元仿真完成验证，证明期望电动势法的适用性和诊断精确度。

1 调相运行同步电机的特性分析

对于调相运行的隐极同步机组，其时空相-矢量图与发电机状态明显不同，在忽略有功损耗前提下，定子电流与相电压之间的夹角为90°，采用电动机惯例，时空相-矢量图如图1所示。

图1 调相运行同步电机时空相-矢量图

在过励状态下满足关系：

(1)

在欠励状态下满足关系：

(2)

采用电动机惯例，调相运行同步电机的电压方程为

(3)

调相运行同步电机经升压变压器并入电网，其等值电路可以表示为图2。

图2 调相运行同步电机等值电路

图中：Xc为调相机组同步电抗；Zs为升压变压器的短路阻抗。

在机组调相运行过程中，以维持主变高压侧电压稳定作为目标，则在不同无功负荷状态下，调相机组的机端电压是波动的。由于电机铁心所用铁磁材料固有的饱和特性，机端电压较低时，铁心饱和度较低，导磁能力较强，这时，励磁电流If产生的励磁磁场在定子侧感应的空载电动势E0相对较大；机端电压较高时，铁心的饱和度较大，导磁能力变弱，这时，励磁电流If产生的励磁磁场在定子侧感应的空载电动势E0相对较小。

2 转子绕组匝间短路故障特征分析

转子绕组匝间短路故障的特征之一是导致了电机的一部分转子绕组无电流流过(纯金属性短路)或流过的电流减小(非金属性匝间短路)，导致该槽所对应的磁势为0或下降，使得转子整体励磁磁势减小，如图3所示。

图3 电机励磁磁动势

(4)

3 有限元仿真

本文以一台QFSN-300-2-20B型汽轮发电机为例(参数如表1所示)，将其改为调相运行状态，通过有限元仿真进行分析和验证期望电势法的性能。

表1 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机主要参数

在ANSYS-Maxwell中搭建机组的二维有限元模型，如图4所示。

图4 调相运行同步电机二维有限元模型

将二维有限元模型导入到ANSYS-Simplorer中，构造外围电路模型，如图5所示。为得到变化的励磁电流与空载电动势之间的关系，模型中机组状态稳定后励磁电流沿斜坡缓慢减小。

图5 调相运行同步电机外围电路

为了展示机组在不同工况(过励、欠励)下的运行特性，并缩短单次仿真时间，仿真分两次进行：

1)仿真前6秒励磁电流保持为2 600 A，机组状态稳定(此时机组为过励状态)，从第6秒开始，线性减少励磁电流，使其从2 600 A缓慢变化到1 300 A，此时定子电流、机端电压变化如图6所示。

图6 定子电流、电压

可以看到，当机组的励磁电流减小时，定子电流(感性无功电流)在逐步降低，这与式(3)吻合，由于机组无功出力减小，机端电压有小幅降低。

2)励磁电流前6秒为1 300 A，从第6秒开始线性减少励磁电流，使其从1 300 A缓慢变化到50 A，机组的定子电流及机端电压变化如图7所示。可以看到，当励磁电流线性减少时，定子电流先减少到0，再逐渐增大，机组由过励磁状态经过正常励磁过渡到欠励磁状态，正常励磁时励磁电流约为1 050 A。机端电压在励磁电流减小时也在逐步降低。