基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置及方法与流程

本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置及方法。

背景技术：

转子绕组匝间短路是汽轮发电机最常见的电气故障形式之一。轻微的匝间短路故障机组仍可以继续运行，一旦故障恶化，会导致转子一点接地及两点接地故障的发生，使得发电企业被迫停机检修，造成巨大经济损失。因此，对汽轮发电机的转子绕组短路故障实行监测和诊断十分必要，有效的监测和诊断方法可以及时发现轻微短路故障，避免故障恶化和扩大化，快速确认故障部位也可以降低机组停运时间，减小发电量损失。

近些年，汽轮发电机转子绕组短路故障的诊断得到了快速发展，先后出现了一些新的检测方法。这些检测方法主要分为离线检测方法和在线检测方法两类。其中，在线检测方法具有及时发现故障的特点，但由于诊断的灵敏度不高，近些年的普及率并不高。离线检测方法尽管不能保证实时性，但由于在停机状态下完成，可以有效排除各类干扰，检测可靠性较高，多年来一直被运行、检修人员广泛使用。

目前已经提出的离线检测方法包括：空载短路试验法、直流电阻测量法、交流阻抗与损耗试验法、两极电压平衡试验法、转子绕组电压分布试验法、开口变压器法、重复脉冲RSO试验法、内窥镜检测法等。在这些离线检测方法中，部分检测方法的灵敏度较低，如空载试验法、短路试验法、直流电阻测量法，部分方法需要抽出发电机转子才能进行，如转子绕组电压分布试验法、开口变压器法等。相对而言，交流阻抗与损耗试验法以及近些年出现的重复脉冲RSO试验法具有较高的诊断灵敏性和可靠性，在近些年的应用中获得了广泛的认可。

部分离线检测方法已经被写入《电力设备预防性试验规程》(DL/T596-2005)，如直流电阻法、交流阻抗法、转子绕组电压分布试验法等，成为发电机维修必须进行测试验。为了通过离线实验准确定位转子绕组匝间短路故障，降低盲目、大面积拆除转子槽楔的工作量和停机成本，对离线检测方法的灵敏度和有效性的要求远比在线检测方法的要求高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置及方法，能够解决现有技术的不足，提高了汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的离线诊断水平。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置，包括直流恒压源和数据采集分析器，直流恒压源通过第一程控开关连接在励磁绕组上，直流恒压源串联有采样电阻，数据采集分析器并联在采样电阻的两端，数据采集分析器通过采集和计算转子绕组的励磁电流及其上升速度判断电机转子绕组是否发生匝间短路，直流恒压源的两端通过第二程控开关并联有灭磁电阻。

作为优选，数据采集分析器包括，

数据采集模块，用于对实时励磁电流数据进行采集；

历史数据调用模块，用于对励磁电流的历史数据进行调用；

智能分析模块，用于将采集到的实时励磁电流和历史数据进行分析对比；

诊断模块，用于做出诊断结果。

作为优选，在采样电阻的耐受电流值大于实验的最大励磁电流值的前提下，降低采样电阻的阻值。

一种上述基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置，包括以下步骤：

A、通过开关在汽轮发电机的转子绕组两端施加阶跃的励磁电压，在该电压作用下，发电机的励磁电流从零开始上升；

B、记录经过时间段T后励磁电流的上升值i_f；

C、将i_f与发电机过去在相同条件下测得的励磁电流值i_f0比较；

D、计算故障判据值a％：

E、判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；如果否，则判定所述汽轮发电机转子绕组没有出现匝间短路故障。

作为优选，所述故障判据a％的阈值设定为4％。

作为优选，保持施加在励磁绕组上的电压不变，直流恒压源的电源电压小于发电机空载额定电压的20％。

作为优选，切断直流恒压源的时间点通过诊断效果和直流恒压源的容量来确定，将实时的励磁电流值作为跳闸断电的依据，实行自动跳闸。

一种上述的基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于包括以下步骤：

A、通过开关在汽轮发电机的转子绕组两端施加阶跃的励磁电压，在该电压作用下，发电机的励磁电流从零开始上升；

B、记录当励磁电流上升至设定的i_f0时，记录励磁电流的上升时间T；

C、将T与发电机过去在相同条件下测得的时间T₀比较；

D、计算故障判据值a％：

E、判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；如果否，则判定所述汽轮发电机转子绕组没有出现匝间短路故障。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明的诊断方法不需要抽出转子，避免了转子回装后可能出现的振动状态变差情况。本方法的检测成本低且速度快，达到了较高的诊断精度，可广泛应用于汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的离线检测。

现有技术中，发明专利“201510477867.0-基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法”提出了一种发电机的转子绕组匝间短路故障离线诊断方法，与本专利的区别如下：

1、发明专利“201510477867.0-基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法”提出在发电机的定子一相绕组中施加交流电压，利用定子绕组的阻抗值相对于历史值的变化反应转子绕组匝间短路故障。二本专利则提出在转子绕组上施加阶跃的直流电压，通过励磁电流的上升速度反应转子绕组匝间短路故障，两个专利的测量对象、施加的信号类型以及故障判据都是完全不同的。

2、两个专利的诊断灵敏度具有显著区别。发明专利“201510477867.0-基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法”利用了被短路的转子绕组内部的短路电流对主磁场的抵消作用，该作用减小了定子一相绕组的交流阻抗，考虑发电机的阻尼作用，在转子绕组发生匝间短路故障后，定子一相绕组交流阻抗的减小量并不明显，因此，该方法的灵敏度较低。而本专利所提出的励磁阶跃法则是利用了转子绕组匝间短路后励磁绕组有效匝数减少的特点，转子绕组的暂态电抗与其绕组匝数的平方成正比，因此一旦发生转子绕组匝间短路，转子绕组的暂态电抗有明显的下降，转子回路的时间常数也将明显下降，励磁电流的上升速度明显提高，因此本专利的方法诊断转子绕组匝间短路故障的灵敏度更高。

3、两个专利的易实施性具有明显差别。发明专利“201510477867.0-基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法”在实施检测过程中需要旋转发电机转子，使得转子轴线与施加交流电流的定子一相绕组轴线重合，这在已停机的大型汽轮发电机组上实施起来是十分困难的，发电机转子与汽轮机转子整体连在一起，转动惯量大，改变位置不容易实现，此外，为了防止在旋转转子过程中造成轴瓦和轴颈的摩擦损伤，整个机组的润滑系统还需启动，为了防止发电机内部进油，氢冷系统的启动也十分必要。因此，整个检测过程十分繁琐，工作量巨大。本专利提出的励磁阶跃法则不受转子位置的影响，可以在转子处于任何选择方位上进行测试，实现起来极为方便，成本极低。

附图说明

图1是转子绕组匝间短路示意图。

图2是转子绕组短路前的暂态等效电路。

图3是转子绕组短路前的暂态等效电路。

图4是QFSN-300-2型汽轮发电机几何模型。

图5是图4中α位置的局部放大图。

图6是图4中β位置的局部放大图。

图7是1号槽短路时励磁电流上升曲线。

图8是1号槽绕组短路时励磁电流上升速度的相对偏差。

图9是1号槽短路时被短路回路电流。

图10是8号槽短路时励磁电流上升曲线。

图11是8号槽绕组短路时励磁电流上升速度的相对偏差。

图12是转子绕组分布示意图。

图13是8号槽短路时被短路回路电流。

图中：E_f、直流恒压源，K1、第一程控开关，K2、第二程控开关，KA、延时继电器，R1、采样电阻，R2、灭磁电阻，i'_f、流过励磁绕组的暂态励磁电流，i'_Short、流过短路励磁绕组的暂态电流，φ'、瞬态磁场，i'_D、流过阻尼绕组的等效电流，X'_f、转子绕组正常时的暂态电抗，X'_f1、转子绕组发生匝间短路故障后的暂态电抗，Z'_f、转子绕组的暂态阻抗，Z'_D、阻尼绕组的等效暂态阻抗，Z'_f1、剩余未短路转子绕组的暂态阻抗，Z'_Short、被短路励磁绕组的暂态阻抗，L'、转子回路的等值暂态电感，R、转子回路的等值电阻，1、大齿铁芯，2、阻尼铜条，3、小齿铁，4、转子槽楔等效线圈，5、励磁线圈。

具体实施方式

本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。

本实施例包括直流恒压源E_f和数据采集分析器A，直流恒压源E_f通过第一程控开关K1连接在励磁绕组上，直流恒压源串联有采样电阻R1，数据采集分析器A并联在采样电阻R1的两端，数据采集分析器A通过采集和计算转子绕组的励磁电流及其上升速度判断电机转子绕组是否发生匝间短路，直流恒压源的两端通过第二程控开关K2并联有灭磁电阻R2。数据采集分析器A包括，

数据采集模块A1，用于对实时励磁电流数据进行采集；

历史数据调用模块A2，用于对励磁电流的历史数据进行调用；

智能分析模块A3，用于将采集到的实时励磁电流和历史数据进行分析对比；

诊断模块A4，用于做出诊断结果。

在采样电阻R1的耐受电流值大于实验的最大励磁电流值的前提下，降低采样电阻的阻值。

一种上述基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

A、通过开关在汽轮发电机的转子绕组两端施加阶跃的励磁电压，在该电压作用下，发电机的励磁电流从零开始上升；

B、记录经过时间段T后励磁电流的上升值i_f；

C、将i_f与发电机过去在相同条件下测得的励磁电流值i_f0比较；

D、计算故障判据值a％：

E、判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；如果否，则判定所述汽轮发电机转子绕组没有出现匝间短路故障。

所述故障判据a％的阈值设定为4％。

保持施加在励磁绕组上的电压不变，直流恒压源E_f的电源电压小于发电机空载额定电压的20％。

切断直流恒压源E_f的时间点通过诊断效果和直流恒压源E_f的容量来确定，将实时的励磁电流值作为跳闸断电的依据，实行自动跳闸。

另外一种基于励磁阶跃法的发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

A、通过开关在汽轮发电机的转子绕组两端施加阶跃的励磁电压，在该电压作用下，发电机的励磁电流从零开始上升；

B、记录当励磁电流上升至设定的i_f0时，记录励磁电流的上升时间T；

C、将T与发电机过去在相同条件下测得的时间T₀比较；

D、计算故障判据值a％：

E、判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；如果否，则判定所述汽轮发电机转子绕组没有出现匝间短路故障。

该设备的外部有一个启动按钮，开始实验时点击该按钮，发出第一程控开关(K1)闭合命令，在该开关闭合前检测需要第二程控开关(K2)是否在断开位置。若第二程控开关(K2)未断开，则保持第一程控开关(K2)不闭合，实验不能开始，数据采集分析器(A)不启动；若确认第二程控开关(K2)在断开位置，则第一程控开关(K1)迅速闭合，启动数据采集分析器(A)。

励磁电流达到设定的上限时，数据采集分析器(A)发出断开启动按钮的命令，这时首先合上第二程控开关(K2)，接通灭磁电阻回路，然后延时继电器(KA)经过短延时跳开第一程控开关(K1)；经过长延时，使灭磁电阻回路的电流下降至零，跳开第二程控开关(K2)。

汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，转子绕组被分为两部分，即被短路励磁绕组和剩余励磁绕组，见图1。

根据基本电磁原理，励磁绕组的暂态电抗均与绕组匝数的平方成正比，因此，一旦汽轮发电机转子绕组发生匝间短路故障，励磁绕组的稳态电抗和暂态电抗均将出现下降。我们假设初始时刻励磁绕组的总匝数为N，发生短路后，励磁绕组的总匝数为(N-△N)，因此，短路后的暂态电抗可以表示为：

显而易见，转子绕组发生匝间短路后，由于励磁绕组自身匝数的减少，转子回路的等值电抗有明显的下降。

转子绕组短路前的暂态等效电路见图2，转子回路的等值暂态阻抗可以用下式表示：

转子绕组发生匝间短路后，合上图1中开关K1给励磁绕组施加阶跃的直流电压时，励磁绕组电流将会上升，产生瞬态磁场φ'，该磁场将在转子的阻尼绕组、被短路的励磁绕组内部感应电动势并形成电流。这种情况与三绕组变压器的中压侧和低压侧短路，在高压侧施加阶跃电压是十分相似的，转子绕组短路后的暂态等效电路可以表示为图3，转子回路的等值暂态阻抗为：

参照式(3)、式(4)和式(5)可知，当汽轮发电机的转子绕组发生匝间短路故障后，转子绕组的暂态阻抗明显下降，其中下降幅度最大的是暂态电抗，转子回路的等值电阻R下降幅度并不明显。

发电机的暂态阻抗可以表示为：

Z'＝X'+R＝ωL'+R (6)

由此可见，暂态电抗X'的下降意味着转子回路的等值暂态电感L'出现了明显下降。

X'为转子回路的等值暂态电抗，ω为电角速度。

转子回路的时间常数可以表示为：

从式(7)可知，当汽轮发电机的转子绕组发生匝间短路故障后，受发电机暂态电抗显著下降的影响，转子回路的暂态时间常数也将明显下降。因此，在转子绕组上施加阶跃电压时，励磁电流的上升速度相对于正常情况下将明显加快。根据励磁电流的上升速度即可判定转子绕组是否发生了匝间短路故障。

为了验证励磁阶跃法，本发明以一台QFSN-300-2型汽轮发电机作为研究对象，采用Maxwell软件建立该发电机的二维仿真模型，有限元仿真分析。该发电机的基本参数见表1，所建立的发电机2维模型见图4，图中数字代表槽号。

表1

影响仿真结果的关键因素是阻尼系统，汽轮发电机的阻尼系统是由各转子槽内的铝合金槽楔与转子大齿上的阻尼铜条在端部通过梳齿环与护环连接在一起共同构成的。本文依据阻尼的实际情况在Maxwell中建立阻尼模型，如图5、图6所示。图中转子槽楔选用铝合金材料，阻尼铜条材料为铜，材料的电导率设置见表2。

表2

为了方便进行励磁阶跃的设置，需要用开关控制励磁电压的施加。因此，将用Maxwell软件搭建好的发电机模型导入Simplorer软件中，搭建发电机的外围电路及控制部分，进行场路耦合联合仿真。

在联合仿真模型中设置电机机械输入端施加0rpm转速，机械输出端口接地，定子绕组接无穷大负载(相当于开路)。励磁阶跃试验应保证转子绕组的安全性，不能出现过流，当励磁电流上升至稳态时不应使主磁场出现过饱和。因此，阶跃电压不应超出发电机正常运行时的空载额定励磁电压，在转子绕组两端施加100V阶跃电压。

汽轮发电机的轻微转子绕组短路故障的检测难度最大，因此，仿真过程首先设置转子1号槽绕组未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到励磁电流在各种轻微短路程度下的上升曲线，见图7。可见，转子绕组匝间短路故障后，励磁电流上升速度明显快于未短路时的励磁电流上升速度，短路匝数越多，励磁电流上升速度越快。

图8为转子绕组匝间短路状态下在各个时间点励磁电流相对于绕组正常时的偏差情况。可见，汽轮发电机出现转子绕组匝间短路故障后，在相同的时间点，励磁电流相对于正常情况出现了明显的偏差。在励磁阶跃的初始阶段(0-0.2S)，励磁电流的偏差最大，但不能体现短路程度，在后期(0.2-1S)，励磁电流相对于正常值的偏差开始与短路程度趋于一致。以0.5S时刻为例，励磁电流相对于正常值的偏差见表3。

表3

根据汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的这一特征，我们通过实测发电机励磁电流的上升速度，将其与同条件下的历史测试值比较，当励磁电流上升速度明显加快时即可判断发电机的转子绕组发生了匝间短路故障。

图9为被短路转子绕组内部的电流，可以看到，对于轻微的1匝短路故障，被短路绕组内部的电流上升速度是非常快的，随着短路匝数增加，回路内电流的上升速率明显下降。该现象主要是因为被短路绕组的电抗参数与短路匝数的平方正相关，被短路绕组的电阻值则与短路匝数正相关，因此，随着短路匝数的增加，被短路回路的时间常数增大，降低了回路内电流的上升速度。

为了研究短路位置对励磁电流上升速度的影响，设置转子8号槽绕组未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到励磁电流在各种轻微短路程度下的上升曲线，见图10。

图11为8号槽转子绕组短路时在各个时间点励磁电流相对于正常情况下的偏差。通过将图11与图8比较发现：当短路发生在8号槽时，励磁电流在趋于稳定时与正常值的偏差更大，该现象可以通过转子绕组的基本结构来解释，见图12。图12中，转子1号槽绕组靠近大齿，所覆盖的S极面积小于8号槽所覆盖的面积，当两个槽内发生相同匝数的短路故障时，8号槽短路时穿过被短路绕组的总磁通量比1号槽的情况大，短路绕组感应的电动势更大，回路电流随之变大(图13)。因此，8号槽被短路绕组所产生的反向磁场对S极磁场的抵消效果更好，等效电感更小，故8号槽短路时励磁回路的时间常数比1号槽短路的值小，励磁电流的上升速度更快。以0.5S时刻为例，励磁电流相对于正常值的偏差见表4。

表4

本发明结合有限元仿真研究了励磁电流的上升速度与转子绕组匝间短路故障的位置、程度等的关系，提出了一种新型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断装置及方法。本发明的诊断方法不需要抽出转子，避免了转子回装后可能出现的振动状态变差情况。它的检测成本低且速度快，达到了较高的诊断精度，可广泛应用于汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的离线检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。