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1、大型发电机转子匝间短路故障的在线监测北京交通大学 郝亮亮 21.转子匝间短路故障的研究现状及评述 转子匝间短路故障的产生原因 设计不合理 加工工艺的不良 运行中各种机 、 电 、 热等作用的共同影响 在线监测 故障危害轻微转子匝间短路对发电机运行不会产生严重影响 。但如果继续发展 励磁电流增大 输出无功减小 机组振动加剧 局部过热 转子接地 烧伤轴颈 、 轴瓦 故障案例仅中国广东省在 2009-2011的三年中 ， 就已经有十余台 400MW1000MW等级的发电机出现了转子匝间短路故障 ， 在 2010年就已确认发生了 5起 。上世纪 90年代我国某火电厂 4台 300MW发电机中就有 3台
2、因转子绕组匝间短路等原因最终导致大轴磁化 ， 其中两台还烧坏护环 。2005年凤滩水电站 6号发电机的转子绕组匝间短路故障还引起了主保护的动作 。2014年四川某大型水电站的水轮发电机发生了多个磁极的短路故障 。31.转子匝间短路故障的研究现状及评述a 、 传统检测方法 开口变压器法 交流阻抗和功率损耗法 直流阻抗法 空载及短路特性试验法 两极电压平衡实验 绕组分布电压测量 已在现场应用多年 ， 积累了很多经验 ， 但这些方法受其它因素的 干扰很大 ， 而且都 不能在实际运行工况下检测 ，应用效果往往很不理想 。41.转子匝间短路故障的研究现状及评述单 导 线微 分 法 由我 国哈 尔 滨 大
3、 电 机 研 究 所 于1972 年提出 ， 并试验成功 。该方法在发电机负载时 会 受 到 电 枢 反 应 的影响 ， 使 检 测 结 果 失 效 。因 此 单 导 线 微 分 法 不 太适 合 负 载 时 对 励 磁 绕 组匝间短路的检测 。5励 磁 绕 组探 测 导 体 感 应电 动 势 波 形感 应 电 动 势的 微 分 波 形NSb、 基于磁场探测的故障检测方法1.转子匝间短路故障的研究现状及评述微 分 线圈 动 测 法由 英国学者 Albright于 1971年首 先 提 出 ， 是近年来国内外广泛采用的方法 。在一定程度上弥补了单 导 线 微 分 法 处 理 发 电机 负 载 情
4、 况 时 的 局 限 性 ，但 大 多 数 发 电 机 均 未 装设 探 测 线 圈 ， 限制了该方法的应用 。6b、 基于磁场探测的故障检测方法励 磁 绕 组探 测 线 圈磁 通 波 形探 测 线 圈感 应 电 压 波 形N包 络 线包 络 线1.转子匝间短路故障的研究现状及评述c、冲击脉冲法（ RSO）7A - B信 号 处 理AB发 射 信 号发 射 信 号接 收 信 号接 收 信 号1.转子匝间短路故障的研究现状及评述c、冲击脉冲法（ RSO）8励磁绕组正常时 励磁绕组故障时 1.转子匝间短路故障的研究现状及评述d、利用机组振动特性机组的振动特性为解决发电机内部故障提供了一种崭新的思路
5、 ， 国外 F.C.Trutt等学者对此进行了大量研究 。万书亭教授在转子匝间短路对发电机定转子振动特性的影响方面进行了大量深入的研究 。但引起发电机振动的原因很多 ， 无法单纯利用振动特性对故障进行检测 。91.转子匝间短路故障的研究现状及评述e、利用电机轴电压也有学者利用电机轴电压进行故障检测 。 有文献以一台 30KVA的两对极汽轮发电机为例 ， 分析了转子匝间短路时发电机转子轴电压特性 ， 得出故障发生后发电机将产生两倍频 、 四倍频 、 六倍频的轴电压 。101.转子匝间短路故障的研究现状及评述f、利用运行中的电气量利用运行中的电气量实现对转子匝间短路故障的在线监测不需对发电机一次侧
6、进行改造 ， 且针对性强 ，能发现运行中的动态短路 ， 是目前的研究热点 。利用励磁电流利用人工神经元网络利用定子并联支路环流 仅有定性的理论分析与实验研究111.转子匝间短路故障的研究现状及评述121. 选题背景及研究现状概述 大型发电机转子匝间短路故障的检测方法 传统检测方法 冲击脉冲法 单导线微分法 微分线圈动测法 利用机组 振动特性 检测 利用 轴电压 检测 利用 定子绕组并联环流 检测 利用 励磁电流 检测 瓶颈 ：无法准确计算故障后的电气量，且对故障特征及机理缺乏深入的认识，不具备设计转子匝间短路监测的理论基础。 无法在线检测 需要对机组进行改造 缺乏针对性 仅有定性的理论分析与实
7、验研究2.报告主体内容I. 大型发电机转子匝间短路故障的数学模型II. 大型发电机转子匝间短路故障的仿真计算与实验验证III. 大型发电机转子匝间短路的故障特征及其机理IV. 大型发电机转子匝间短路故障的快速计算模型V. 大型发电机转子匝间短路故障的在线监测VI . 展望 机电特征融合的故障在线监测I. 大型发电机转子匝间短路故障的数学模型I.故障的数学模型建立数学模型时需考虑的关键点气隙磁场的各种空间谐波拓扑结构的改变故障引起的定子相绕组内环流不同于正常励磁绕组的结构需重新建立基本方程建立与故障励磁绕组有关的电感参数模型故障引起发电机拓扑的改变u C A u A B u B C L TR T
8、a 1a 2i AAL TR Tb 1b 2Bi BL TR Tc 1c 2Ci C12 35( 1 )( 3 ) ( 5 )46( 2 )( 4 )考虑环流的定子回路Rf k Lif k Lifif kufRZ FEZ Fifif k L考虑故障引起的气隙磁场各种谐波采用实际的阻尼回路d , 1 d , 2 d , 3d , N d - 1d , N dd , 1e , 1c , 1e , 2e , 3e , N d - 1 e , N de , 1c , 2 c , 3 c , 4 c , N d - 1 c , N d c , 1 c , 2I.故障的数学模型 基本方程定子支路方程考虑环
9、流的定子回路电压方程S S S Si i i iu p r i磁链方程S , f kS S , S S S , D fkD S , f Lf= 1 1Ndi i j j i j jjiijM i M i M i Mi u C A u A B u B C L TR Ta 1a 2i AAL TR Tb 1b 2Bi BL TR Tc 1c 2Ci C12 35( 1 )( 3 ) ( 5 )46( 2 )( 4 )I.故障的数学模型 基本方程励磁回路方程正常励磁回路电压方程正常励磁回路磁链方程Z F f f Z F kLf f k f() rp r R i iE f S , f S f , D
10、D f f= f , f f1 k1 kLNdi i i iiiM i M i L i Mi 励磁故障附加回路电压方程f k f k f f k f k L f k L0 ( )p r i r R i 励磁故障附加回路磁链方程f k S , f k S f k , D D f , f k f f k f k L= 1 1Ndi i i iiiM i M i M i L i Rf k Lif k Lifif kufRZ FEZ Fifif k L励磁绕组匝间短路时的励磁回路I.故障的数学模型 基本方程阻尼回路方程电压方程磁链方程考虑故障引起气隙磁场空间谐波的阻尼回路D1D2D3D4D5Dd -
11、1DdD7D6D8第 1 极第 2 极第 2 P 极转 子 旋 转 方 向 D D D D ( - 1 ) D ( + 1 ) c0 i i i i ip r i i i r f k , D f k LD S , D S D , D D f , D f= 1 1Ndi j i j i j ijijjM i M i MiMi I.故障的数学模型 基本方程负载方程A T A T A AB T B T B BC T C T C Cu L p i r i uu L p i r i uu L p i r i u 考虑环流的定子回路u C A u A B u B C L TR Ta 1a 2i AAL T
12、R Tb 1b 2Bi BL TR Tc 1c 2Ci C12 35( 1 )( 3 ) ( 5 )46( 2 )( 4 )以回路电流为变量的标准状态方程p I A I B其中：1 ; A L R -1 - 1 B = L U L H BT ;L H L H TpR L H R H时变系数微分方程组I.故障的数学模型 参数计算从凸极电机的极绕组和隐极电机分布式励磁绕组在各极下的单个同心式线圈出发 ， 计算与故障励磁绕组有关的电感参数 第2 P极第1极第2极p2 pbf d hp bf d hpFf d , 1 , hwf d , 1 , h i0xda- gA A bSpq11 a1b1pbf
13、 d hpwdox第2 P极w第1极第2极绕 组 正 绕 绕 组 反 绕 绕 组 正 绕凸极电机的极绕组 隐极电机的单个同心式线圈基本思路：磁动势，磁导 气隙磁场 B 线圈的磁链 电感系数I.故障的数学模型 参数计算以励磁一极绕组与定子单个线圈的电感计算为例dox第2 P极w第1极第2极绕 组 正 绕 绕 组 反 绕 绕 组 正 绕凸极电机的极绕组基本思路： 磁动势，磁导 气隙磁场 B 线圈的磁链 电感系数fd1 2 3( ) c o s ( ) , , ,n k nkF x F k x n k PPP 第 n极下的励磁绕组通电流 i后，会产生矩形波磁动势、分布在整个电机圆周区间内，其表达式为
14、：第 n极励磁绕组产生的磁密为：f d f d ( ) ( ) ( )nnB x F x x其中，气隙磁导系数为：0 21 , 2 , 3 ,( ) c o s 22 llx l x I.故障的数学模型 参数计算以励磁一极绕组与定子单个线圈的电感计算为例基本思路： 磁动势，磁导 气隙磁场 B 线圈的磁链 电感系数k次谐波磁动势在气隙中产生的磁密为：f d , 021 , 2 , 3 ,0( ) ( ) ( )c o s ( ) ( c o s 2 )2c o s ( )2n k k nk n llknB x F x xF k x n lxF k x n 21 , 2 , 3 ,c o s ( 2 ) ( ) c o s ( 2 ) ( )2 lknlF k l x n k l x n I.故障的数学模型 参数计算以励磁一极绕组与定子单个线圈的电感计算为例基本思路： 磁动势，磁导 气隙磁场 B 线圈的磁链 电感系数第 n极励磁绕组的 k次谐波磁动势产生的 j次谐波磁密为：f d ,( ) c o s ( ) c o s ( )22c o s ( )2c o s ( )k j k jn k j k n k nk j k jknk n d k jB x F j x n F j x nF j x n
