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1、1引言11.1研究目的与意义11.2发电机故障诊断技术的发展状况11.3发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究现状21.4本文的内容和主要工作42汽轮发电机转子绕组匝间短路的理论分析62.1汽轮发电机的转子结构62.2转子绕组发生匝间短路的原因62.3匝间短路的磁场分析7发电机发生匝间短路的磁场分析93发电机转子绕组匝间短路故障的探测线圈法123.1 探测线圈法的测试原理123.2 探测线圈的结构及置放143.2.1诊断系统及其功能组成153.2.2 基本参数163.2.3 传感器安装和定位163.3.3 故障判断163.3 大亚湾核电站发电机组的探测线圈法实例分析17参考文献201引言1.1研
2、究目的与意义随着我国国民经济的快速发展，电力工业正处于大电机和大电网的发展阶 段。人们的生活和生产水平迅速提高，使得电能需求量日益增长，进而对电力系 统的供电质量、可靠性及经济性等指标的要求也不断提高。发电机是电能生产的 重要设备，它为整个电力系统提供电能，是整个电网的心脏，因此如果发电机发 生故障，可能会导致局部停电甚至整个系统崩溃。发电机转子作为发电机的重要组成部分，主要由励磁绕组线圈、线圈引线以 及阻尼绕组等部分组成。发电机运行时，由于转子处于高速旋转状态，这些部件 将承受很大的机械应力和热负荷，若超过其极限值时将导致部件的损坏。转子绕 组是发电机经常出现故障的部位，除本体故障外，主要是
3、转子绕组的短路故障， 如匝间短路、一点接地短路、两点接地短路等。发电机正常运行时，转子绕组对 地之间会有一定的分布电容和绝缘电阻，绝缘甩阻的阻值通大于1兆欧。但是因 某种原因导致对地绝缘损坏或绝缘电阻严重下降时，就会发生转子绕组接地事 故。当发电机转子发生一点接地故障时，因为励磁电源的泄漏电阻很大，一般不 会造成多大的伤害，限制了接地泄露电流的数值。但是，发电机转子两点接地故 障将会产生很大的电流，经故障点处流过的故障电流会烧坏转子本体。而部分转 子绕组的短接，励磁绕组中增加的电流可能会导致转子因过热而烧坏，气隙磁通 也会失去平衡，从而引起发电机的振动，还可能使转子大轴磁化，甚至会导致灾 难性
4、的后果，因此两点接地故障的后果是很严重的。目前，在国内运行的大型发电机组中，发电机匝间短路故障占故障总数的 比重较大，大多数发电机都发生过或已经存在转子绕组匝间短路的故障。由于转 子绕组绝缘的损坏，转子绕组匝间短路后会形成短路电流，从而导致局部过热。 发电机长期在这种环境下运行，会进一步引起绝缘的损坏，导致更为严重的匝间 短路，最终形成恶性循环。据统计资料表明，发电机转子匝间短路故障并不会影 响机组的正常运行，所以常常被忽略，但是如果任其发展，转子电流将会显著增 加，绕组温升过高，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动加剧，并且还会引 起其它的机械故障，严重时还会影响发电机的无功出力。如果发生的
5、是不对称的 匝间短路故障，发电机组的振动将会加剧，转子绕组的绝缘也有可能进一步的损 坏，进而发展成为接地故障，对发电机组的安全稳定运行构成了严重的威胁。因 此，对发电机绕组匝间短路故障的诊断与识别是十分必要的。1.2发电机故障诊断技术的发展状况早期的故障诊断主要依靠人工经验，如：看、听、触、摸等方法进行诊断， 具有一定的局限性。随着发电机组容量的不断提高，对机组的状态监测和故障诊 断的要求也越来越高。近些年来，故障诊断技术不断吸收各学科的发展成果，诊 断技术的理论与应用都得到了很大的发展，其涉及控制论、信息论、系统论、检 测与估计理论、计算机科学等多方面的内容，成为集数学、物理、化学、力学、
6、电子技术、信息处理、人工智能等多学科集于一体的新兴的交叉学科。其中人工 智能、计算机网络技术和传感技术是发电机故障诊断技术的重要组成部分。随着科学技术的发展，故障诊断技术己经成为保证发电设备安全稳定运行 的重要手段之一，是国内外相关科研单位研究的一门新技术。发电机状态监测和 故障诊断系统的内容十分广泛，主要包括定子绕组、转子、铁芯、氢油水系统以 及机组轴系等各个方面。世界上已经开发使用的发电机在线监测系统有20多种。 在国外，以美国为主的一些西方发达国家在发电机故障监测和故障诊断方面处于 领先地位，如美国的Bently， IRD，BEI等公司，其先进的信号处理和数据分 析技术为设备的状态监测提
7、供了强有力的支持；日本的三菱电机公司开发了汽轮 发电机在线绝缘诊断系统，利用发电机运行中局部放电现象的检测来进行诊断； 瑞士开发的水电机组运行状态监测系统，其开放式的模块系统具有很强的灵活 性；此外，还有德国的发电机无线电频率监测系统、意大利ENEL公司的定子绕 组端部振动监测系统和韩国的在线局放诊断系统等。我国在故障诊断技术方面研究发展的很快，70年代末至80年代初，通过吸 收国外的先进技术，对一些故障机理和诊断方法进行了研究。其中清华大学、西 安交通大学、哈尔滨工业大学等一些高校做了大量研究，并取得了一定成果，在 国内处于领先地位。如：东南大学开发的125MW汽轮发电机组状态实时监测与 故
8、障诊断系统；哈尔滨工业大学开发的200MW汽轮发电机组集散式状态监测与 故障诊断系统，此系统可进行状态监测和趋势分析。由于发电机故障的复杂性，它往往受到多种因素的影响，而且各因素之间还 存在耦合作用，同一种故障在不同的系统中所表现出来的症状也不尽相同。另外， 诊断软件的诊断依据是通过理论分析计算或实验室模拟得来的，与发电机的实际 情况有较大的差异。一些故障诊断装置在实际的应用中存在诊断结果准确性差的 问题，“漏诊”和“误诊”现象时有发生。因此，确定故障诊断规则和故障征兆 已经成为发电机故障诊断系统研究的“瓶颈”问题。1.3发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究现状在以往多年的实际工作中，全国各发
9、电厂以及一些研究机构提出了许多转 子绕组匝间短路故障的检测方法。目前对发电机转子绕组匝间短路的检测方法 主要分为静态检测和动态检测两种。其中静态检测方法主要有以下几种：1. 直流电阻法当绕组发生匝间短路时，直流电阻的数值将变小。通常大型汽轮发电机转子 绕组的总匝数较多（约在160匝以上），如果只有一二匝短路，即使测量很精确， 直流电阻的降低也不超过1%。根据计算，仅当短路匝数超过转子绕组总匝数的 2%及以上时，直流电阻减小的数值才能超过规定值的2%。因此直流电阻的灵敏 度是比较低的，它不能作为判定匝间短路的主要方法，只能作为综合判断的方法 之一。2. 交流阻抗和功率损耗法此方法是在转子绕组中通
10、入交流电，测量转子绕组的阻抗及功率损耗值，与 原始数据或上次试验的记录进行比较。当绕组中有匝间短路时，在交流电倍，它 有着强烈的去磁作用，并导致交流阻抗大大下降，功率损耗却明显增加。此方法 是判断转子绕组有无匝间短路比较灵敏的方法之一。但是此方法要受到很多因素 的影响，比如槽楔装配工艺和阻抗、转动状态下的定子附加损耗、转子本体剩磁、 实验时施加电压的高低和护环等，有时不能准确判定较为轻微的匝间短路故障。3. 发电机空载、短路特性曲线法当转子绕组中存在匝间短路时，其三相稳定的空载特性曲线与未短路前的比 较将会有所下降，短路特性曲线的斜率也将减小。通过测量发电机空载电压、短 路电流与励磁电流的关系
11、曲线，观察其斜率有无变化，从而判断转子绕组有无匝 间短路故障。但由于测量精度的限制，灵敏度较低，一般在匝数较多（转子绕组 短路的匝数超过总匝数的3%以上）时，才能从曲线上反映出来。4. 单开口变压器法在转子绕组中通入交流电后，转子槽齿上便产生交变磁通。利用一只开口变 压器和槽齿构成闭合磁路，测量转子各槽上漏磁通引起的感应电压。线圈中有无 匝间短路时，在开口变压器线圈上所感应的电势的大小和与电源电压之间的夹角 是不同的，据此将各槽测量结果进行相位比较，即可得到判断。当短路点发生在 线槽上部时，可以得到明显的结果；而短路点靠近槽底或槽的中部时，开口变压 器中所测得的感应电势的数值将明显降低。实验证
12、明，当磁性槽楔下的线圈发生 匝间短路时，此方法反映不灵敏。5. 双开口变压器法双开口变压器法是基于电磁感应的原理，用两个开口变压器置于转子本体 同一线圈的对应槽齿上，对其中一个变压器施加励磁电源，当槽内线圈有匝间短 路时，由于部分磁通要经另一变压器闭合，所以会在此变压器上感应出电势。通 过测量另一个变压器的感应电势，若发现比无匝间短路时成倍增加则说明转子线 圈存在匝间短路故障。6. RSO（Repetitive Surge Oscilloscope）方法RSO重复脉冲检测法应用的是行波理论，用双脉冲信号发生器对发电机转 子两极同时施加前沿陡峭的高频冲击脉冲波，当该脉冲信号沿绕组传播到阻抗突 变
13、点时，会导致反射波和透射波的出现，由此会在检测点测得与正常回路无阻抗 突变时不同的响应曲线，通过与制造厂家提供的标准波形进行比较，可判断转子 绕组是否出现匝间短路以及匝间短路的位置。该方法对匝间短路的反应比较灵 敏，易于发现比较小的匝间短路，但不能实现在线监测，而且需要脉冲信号。文 献5中提到2002年大亚湾2#发电机在历年停机换修期间曾通过ROS方法对绕 组匝间短路的发生、发展以及最后的接地过程进行了分析。发电机转子绕组匝间短路故障的静态检测方法对保证发电机安全运行和检 修质量起到了良好的作用，但对于不稳定的动态匝间短路无法判断。大型发电机 的转子绕组，一旦出现问题，其危害程度较为严重，因此
14、研究发电机转子绕组匝 间短路的在线检测方法具有一定的现实意义。在线检测的方法主要是探测线圈波形法。在一定的运行条件下，如果存在转 子匝间短路，就会引起磁场的不对称，破坏气隙磁场的正常分布，同时故障所在 槽的槽漏磁齿谐波也会相应发生变化。在发电机气隙磁场中加装探测线圈，通过 对探测线圈上的电势采样，其电势波形反映了发电机气隙磁通密度的变化，便可 以可靠地获取转子匝间短路故障的信息和故障点位置信息等。探测线圈法是由阿尔布莱特(Albright)首先提出的，是把一静止探测线圈放 在电机气隙中的在线检测方法。探测线圈的直径比转子的一个齿宽要小，装在定 子空气隙表面，它既可测磁通的径向分量，也可测磁通的
15、切向分量。根据谐波的 峰值和谷值的高度变化来确定短路匝数的多少和短路点的位置，这就是阿尔布莱 特的方法和内容。他测的发电机在开路和短路试验状况下的探测线圈两端的波 形，然后根据示波器上的峰值高度来识别故障。目前，气隙探测线圈法对检测波形的处理和分析国内外还未形成统一的标 准。美国西屋公司是采用将探测线圈的感应电动势积分得出磁通波形，然后再用 于分析和判断；英国原GCE公司是采用电动势波形的谐波分析方法，认为正常 时只存在奇次谐波，若存在偶次谐波则说明发生了匝间短路；日立公司的判断原 则是：如果两极对应点的电压波形幅值的比值SN/在 0.95到1.05之内，认为是 正常的，否则可能存在匝间短路。
16、1.4本文的内容和主要工作根据以上的学习研究，本文对汽轮发电机转子绕组匝间短路故障进行了系统 的分析。首先说明了进行发电机转子绕组匝间短路故障检测的必要性，深入地研 究了发电机发生匝间短路的原因、类型以及转子绕组发生匝间短路时的磁场情 况。为了便于在线检测，采用探测线圈法作为检测故障的主要手段。本文主要做了以下几个方面的研究工作：1. 发电机转子绕组匝间短路是发电机转子较易发生的故障，轻微的匝间短路 故障并不会对发电机产生重大的影响，但发展之后会产生严重的后果，可能造成 很大的损失。针对这一情况，查阅了大量的文献和学术论文，了解国内外学者在 此领域的研究状况，总结了目前的研究成果以及一些方法的不足之处。2. 分析发电机发生匝间短路的原因及类型，对汽轮发电机转子绕组发生短路 的二维数学模型进行了详细地分析，并深入研究了汽轮发电机转子绕
