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1、摘 要 I 摘 要 发电机转子是发电机的重要组成部分，转子绕组匝间短路是一种常见的汽轮发电机故障。如果电力系统中发电机发生故障，可能会导致局部停电乃至整个系统崩溃。因此进行汽轮发电机转子匝间短路故障的早期预报是十分必要。 本文首先分析了前人应用探测线圈法在线检测汽轮发电机匝间短路故障的理论和实践；然后研究了小波理论在故障诊断中的应用，选择合适的消失矩可以削减电枢反应的影响；针对不同工况下定、转子气隙中感应电势中各种信号的特性与噪声信号的不同特性,提出了小波变换和模极大值去噪方法； 根据故障信号的奇异性与对称性从而实现了对发电机转子绕组故障检测以及故障槽的定位。并在 MATLAB环境下进行了仿真
2、验证。在此基础上利用瑞泰公司的 TMS320VC33 开发板，设计了其外围接口电路，并把现场数据采集，小波变换，模极大值消噪算法烧到开发板FLASH 中。最后研究开发了一套用于在线检测的发电机转子匝间短路探测独立装置。理论与实例表明，该方法适合于发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测。 关键词：探测线圈；匝间短路；消失矩；模极大值消噪；在线检测装置 摘 要 II Abstract Generator Rotor is an important component of the generator, and rotor winding inter-turn short circuit is a c
3、ommon turbo-generator failure. Power system is failure due to the health of generator, which could lead to partial power outage and the whole system crashes. So the early warning of turbo-generator rotor inter-turn short circuit is essential. First the paper analysis of the previous scholars theory
4、and practice of on-line fault diagnosis technique based on search coil method for detecting inter-turn short circuits in turbo-generator rotor winding; after the wavelet theory application in the diagnosis of failure is studied, we can see that it is important to choice the right vanishing moments t
5、o reduce the impact of the armature reaction; aimed at completely different properties of induced electric potential signals in the air gap and noise characteristic of the generator operated in different conditions is analyzed, wavelet transform and modulus maximum noise elimination algorithm is pre
6、sented; according to the singularity and symmetry of signal failures, it is easily to detect shorted turns fault and find the fault position in turbo-generator rotor windings. The concerned theory and example above is verified in MATLAB environment concretely. Based on this, use of Ruitai TMS320VC33
7、 development board, design of its external interface circuit, and to field data acquisition, wavelet transform, modulus maximum noise elimination algorithm burn in the development board FLASH. Finally, a set of online testing for the generator rotor inter-turn short circuit detection independent dev
8、ice is developed. Theoretical analysis and experimental results show that the method is particularly suitable for on-line fault detection of inter-turn short circuit in turbo-generator rotor windings. Keywords: search coil; inter-turn short circuits; vanishing moments; modulus maximum noise eliminat
9、ion; on-line fault detection device 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于气隙线圈探测的发电机转子绕组匝间短路故障识别 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 基于气隙线圈探测的发电机转子绕组匝间短路故障识别系本人在华北电力大学攻读硕士学位期
10、间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“” ） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 引 言 1.1 发电机转子绕组匝间短路故障在线检测研究的意义 随着国
11、民经济的迅速增长，电力系统正朝着超高压大容量多机互联系统的方向发展，200MW、300MW 及以上容量的大型发电机已经成为我国电网的主力机组。到 2004 年底，我国的总装机容量为 4.4 亿千瓦，其中，火电机组 3.25亿 千瓦占 73.4%，水电机组 1.08 亿千瓦占 24.6%。作为电力系统的心脏-发电机，随着单机容量的不断增大，运行的可靠性显得尤为重要和突出1。汽轮发电机是一种高速隐极式电机，发电机转子是发电机的重要组成部分。转子通常由励磁线圈、线圈引线和阻尼绕组等部分组成，这些部件在发电机运行时要承受较大的电流及离心力，当超过部件极限强度时将导致部件的损坏。转子绕组是发电机较易出现
12、故障的部位，除了本体故障外，主要是转子绕组的短路故障，其表现形式主要为匝间短路、一点接地短路、两点接地短路等2。 大型发电机转子由于制造方面：端部绕组固定不牢，加工中的粗糙工艺引起的损伤等；运行时，转子绕组受到巨大离心力而引起移位变形，冷态启动的铜铁温差引起铜线匝间绝缘损伤；转子绕组堵塞造成局部过热的原因都会使绕组匝间短路，转子绕组匝间短路，并不会影响机组的正常运行，所以常常被忽略，但是如果故障继续发展，会使转子电流显著增加，绕组温度升高，无功输出降低，电压波形畸变，会造成转子磁极间的电磁负荷不平衡、热不平衡，使轴系振动，加大机组振动并出现其它机械故障，严重时将会影响发电机的无功出力。如果是不
13、对称的匝间短路会导致发电机组振动加剧，也可能进一步导致转子绕组对地绝缘损坏，进而发展成为接地故障，对发电机组本身的安全稳定运行构成很大的威胁3-5。 如果电力系统中发电机生故障，可能会导致局部停电乃至整个系统崩溃。发电机发生的事故往往是由于对故障的早期征兆缺乏认识或没有引起足够的重视，未能及时处理从而导致故障进一步发展为恶性事故，因此紧密结合实际，深入研究发电机转子匝间短路的机理、发生的原因、故障征兆、发展趋势及其不良后果并提出诊断、正确处理和预防的方法具有重大的意义6，对它们的运行状态不间断地进行故障监视与实时分析是十分必要。 华北电力大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 用于检测发
14、电机转子匝间短路故障的传统方法主要有以下几种： a) 单开口变压器法。 b) 双开口变压器法。 c) 交流阻抗和功率损耗法。 d) 直流电阻法。 e) 发电机空载和短路特性试验法。 f) 重复脉冲法(RSO) 上述这些方法都已应用了很多年，并积累了很多经验。这些方法各有其优点和不足之处： 前两种方法及 RSO 方法不能应用转子转动状态下检测， 仅在停机抽出转子的情况下方能进行；前三种方法检测虽较灵敏，但受转子槽楔的材料及槽楔与槽壁的紧密程度的影响；交流阻抗法简便、实用，且较灵敏，可在静态和动态下测量。然而这一方法除受槽楔的影响外，还受到转动状态下定子附加损耗、转子本体剩磁、试验时施加电压的高低
15、、试验电源频率、波形的谐波分量等多种因素的影响。 对于没有历史数据可比较的发电机而言， 该方法会出现误诊断，当短路故障比较轻微时，有时可能不能获得准确结论；直流阻抗法及发电机空载和短路特性试验法灵敏度低， 只有在短路匝数较多时， 诊断方法才比较有效。 上述方法都难以在实际运行工况下进行检测，其检测的条件与实际运行工况的等价性较差。除了单开口变压器法和 RSO 法之外，其它的检测方法难以实现对故障的定位，仅能作为分析短路故障及其发展趋势的参考7。 随着对转子绕组匝间短路故障的研究，发电机转子绕组发生匝间短路时会引起气隙磁通的畸变、转子绕组交流阻杭的降低、机组的振动加剧、定子绕组中出现各次谐波成分
16、、在转子的轴上感应出轴电压和轴磁通，转子励磁电流增加的故障现象，根据这些故障特征，转子绕组匝间短路的在线检测的诊断方法主要有： a) 气隙微分线圈探测法。 b) 环流检测法。 c) 交流阻抗和功率损耗法。 d) 利用励磁电流与无功功率的变化法。 环流检测法是基于定子线圈探测的发电机转子绕组匝间短路方法是探测线圈法的改进，它是直接用定子线圈作为探测线圈，根据转子绕组发生匝间短路时会导致发电机定子绕组并联支路之间出现电势差和环流这一原理来实现故障华北电力大学硕士学位论文 3 检测，并且其大小和分布与短路的程度有一定的关系89。但此方法依赖发电机绕组的结构，要求每相绕组都是由两个半相绕组并联而成，而对于不满足这种绕组结构的发电机，该方法将会失效，同时也需要在定子绕组上套装一个测量线圈，这就加大了这种方法应用
