基于检测线圈的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法与流程

本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种基于检测线圈的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法。

背景技术：

近些年，不少水轮发电机发生了转子绕组匝间短路故障，已见报道的一起匝间短路故障甚至引起了水轮发电机横差保护的动作，因此，水轮发电机的转子绕组匝间短路故障应引起足够的重视。

水轮发电机的转子绕组为集中式，与汽轮发电机的分布式绕组截然不同。一旦水轮发电机出现匝间短路故障，故障极的磁场被削弱，与故障极相邻的两个磁极的磁场也会受其影响被削弱，造成整个发电机故障侧的单边磁拉力下降，转子受到不平衡磁拉力的作用，严重的匝间短路可能导致水轮发电机的剧烈振动，这一现象已经在国内一些水轮发电机上出现了。

近些年，经常使用的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法还处于离线水平，常采用的是直流电阻比较法，交流阻抗和功率损耗法，交直流分压电压法等。这些方法都需要在转子绕组的各个磁极上进行测试，通过对比各磁极的直流电阻、交流阻抗和功率损耗等数据判断水轮发电机是否存在转子绕组匝间短路故障，诊断方法落后，过程耗时较长，造成机组停运时间长，浪费了水资源。因此，提出具有高灵敏度和可靠性的水轮发电机转子绕组匝间短路在线诊断方法是十分迫切的。

在汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障诊断方面，人们已经提出了一些在线检测方法，但这些方法并不适用于水轮发电机，这是因为：水轮发电机多达数十对极，转速低，空间尺寸大，定子绕组的分支较多。某一磁极的转子绕组发生匝间短路故障只影响局部的相关电气量，对整个发电机的影响相对较小，因此，传统的励磁电流法、虚功率法、期望电势法、轴电压法和端部漏磁等很难灵敏地检测出水轮发电机的转子绕组匝间短路故障。水轮发电机的转子为凸极结构，绕组为集中式，汽轮发电机最常采用的传统探测线圈法也不适用于水轮发电机，因为传统探测线圈的实际工作部分是它的探头，探头尺寸较小，从定子铁心间隙伸到转子附近，检测转子各齿槽口处的漏磁通，而水轮发电机的磁极尺寸大，没有像汽轮发电机一样的齿槽结构，也就不存在槽漏磁通，因此，传统探测线圈并不适用于水轮发电机转子绕组匝间短路的检测。也有部分文献分析了水轮发电机转子绕组匝间短路故障后的定子电流和励磁电流的谐波特征，认为通过上述特征可以诊断转子绕组匝间短路故障，该方法的缺点是没有故障定位功能，目前还未见在水轮发电机上获得应用。此外一些文献关注了转子绕组匝间短路引起的定子并联支路环流问题，一些水轮发电机在定子并联支路上安装了电流互感器，但目前只用来对横差保护提供数据，未见其应用于转子绕组匝间短路故障的在线诊断。

总之，尽管目前对水轮发电机的转子绕组匝间短路故障诊断十分重视，但实用且性能优异的在线检测方法严重匮乏，因此，有必要进一步提高此类故障的诊断水平，开发新的水轮发电机转子绕组匝间短路在线检测方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于检测线圈的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，能够解决现有技术的不足，提高此类故障的诊断水平。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种基于检测线圈的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，其特征在于包括以下步骤：

A、在发电机内部横跨定子铁心段安装径向的U形检测线圈，U形检测线圈的输出端口并联高阻值电阻，利用数据在线采集和实时分析系统处理检测线圈输出端的电压信号；

B、在发电机运行过程中，利用在线采集系统实时采集U形检测线圈出口的电压信号，并对采集到的电压信号进行实时的数据处理，比较不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差，当电压差超出设定阈值时，判定该水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

作为优选，不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

作为优选，使用不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差作为故障判据。

作为优选，将采集的实时的电压值与相隔0.02S的整数倍的历史数据进行比较，偏差为：

a＝v(t)-v(t-k×0.02)

当a超过设定阈值时即可判定水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；

其中，v为电压值，t为采集时间，k为正整数。

作为优选，故障判定阈值设定为0.15V。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明的诊断方法能够实现对水轮发电机转子绕组匝间短路故障的在线监测，能够发现较轻微的匝间短路故障。检测线圈在发电机制造或大修阶段安装，可靠性高且不干扰发电机正常运行，这对于防止水轮发电机转子绕组匝间短路故障恶化、降低非计划停运时间造成的经济损失以及提高电力系统稳定性都有着重要意义。

附图说明

图1是转子绕组匝间短路后的励磁磁势示意图；

图2是水轮发电机二维仿真模型；

图3是水轮发电机空载主磁场局部图；

图4是水轮发电机额定负载主磁场局部图；

图5是新型检测线圈结构及安装示意图；

图6是水轮发电机空载转子绕组不同程度短路时检测线圈感应电压局部图；

图7是水轮发电机额定负载转子绕组不同程度短路时检测线圈感应电压局部图；

图8是额定负载转子某磁极绕组短路10％时检测线圈输出电压与前0.04S时刻电压的偏差。

图中：1、故障磁极，2、正常磁极，3、正常极磁通密度，4、故障极磁通密度，5、阻尼条，6、转子磁极铁心，7、定子绕组，8、定子铁心，9、转子绕组，10、高阻值电阻，11、检测线圈。

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。

文中各符号清单为：ω_r、转子旋转的机械角速度；ω、转子旋转的电角速度，ω＝2πf＝314(rad/S)；L、检测线圈的轴向有效长度；R、检测线圈的探头距离转子中心的长度；P、水轮发电机的极对数；i、奇数，即i＝1、3、5……；B_i、i次谐波磁密的幅值；θ_r、沿转子圆周的机械角度；F_f、转子绕组匝间短路故障后的励磁磁势；t、时间；k、正整数，1≤k≤P-1；v、检测线圈输出电压。

本发明一个具体实施方式包括以下步骤：

A、在发电机内部横跨定子铁心段安装径向的U形检测线圈，U形检测线圈的输出端口并联高阻值电阻，利用数据在线采集和实时分析系统处理检测线圈输出端的电压信号；

B、在发电机运行过程中，利用在线采集系统实时采集U形检测线圈出口的电压信号，并对采集到的电压信号进行实时的数据处理，比较不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差，当电压差超出设定阈值时，判定该水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

使用不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差作为故障判据。

使用不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差作为故障判据。

将采集的实时的电压值与相隔0.02S的整数倍的历史数据进行比较，偏差为：

a＝v(t)-v(t-k×0.02)

当a超过设定阈值时即可判定水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；

其中，v为电压值，t为采集时间，k为正整数。

故障判定阈值设定为0.15V。

水轮发电机的转子绕组为集中式结构，当转子某磁极的部分绕组发生匝间短路后，被短路绕组内部电流为零，该磁极的有效匝数减少，所产生的励磁磁势明显小于正常磁极，见图1。

发电机励磁磁势的不平衡将进一步造成主磁场的不平衡，由于水轮发电机为不均匀气隙结构，且存在饱和、开槽现象，因此，磁势波形与主磁场的波形相差较大，为了准确计算水轮发电机主磁场中的各次谐波需要借助有限元等数值分析方法。下面以某550MW水轮发电机作为算例，参数见表1。

表1水轮发电机参数

搭建的水轮发电机2维仿真模型见图2。

仿真分为两种工况进行，即发电机空载额定电压运行和带额定负载运行，分别设置转子某磁极绕组正常、短路5％、短路10％、短路15％和短路20％，所得到的发电机气隙主磁场如图3和图4所示：

从图3和图4可以看到：无论水轮发电机空载还是负载运行，当转子绕组正常时，各磁极的磁场大小基本相同；当某磁极绕组发生匝间短路故障后，该磁极的磁场明显小于正常极的磁场，与该磁极相邻的两个磁极的磁场也有所减弱。

大型发电机一般定子铁心采用氢冷式结构，定子铁心沿轴向分成若干段，段与段之间流通氢气。水轮发电机的上述结构为转子绕组匝间短路故障的诊断提供了传感器安装空间，下面提出一种新型发电机磁场检测线圈，其结构及安装方式如图5所示。

该检测线圈呈现U型，沿径向包围水轮发电机定子的一个铁心段，U型底部位于定、转子间的气隙。在转子旋转过程中，定子铁轭流过主磁通，检测线圈包围定子铁轭，因此，检测线圈的感应电压反映了水轮发电机的主磁场。当水轮发电机某磁极绕组发生匝间短路后，该磁极的磁场明显减弱，检测线圈感应的电压信号能够反映这一现象，进而诊断出水轮发电机的转子绕组匝间短路故障。

以水轮发电机空载运行为例，发电机气隙磁通密度可以表示为：

假定初始时刻检测线圈刚好位于转子某一个N极轴线位置，穿过检测线圈的磁通为零。随着转子旋转，穿过检测线圈的磁通开始增加，经过t时间后，穿过检测线圈的磁通可以表示为：

检测线圈所感应的交流电势可以表示为：

从上式可知：该检测线圈实质上是一种磁场测量线圈，检测线圈所感应的电动势与发电机气隙磁场具有相同的形状。

水轮发电机出现了励磁绕组短路后，转子故障磁极的磁场明显减小，因此，当该故障磁极扫过固定在定子铁心上的检测线圈时，检测线圈所感应的电压幅值也将小于其它磁极扫过检测线圈的情况。

以前述550MW水轮发电机为例，发电机空载额定电压运行，分别设置转子某磁极绕组正常、短路5％、短路10％、短路15％和短路20％，检测线圈感应电压如图6所示。

从图6可以看到：当水轮发电机某磁极的转子绕组发生匝间短路故障后，当该磁极经过检测线圈时，所感应的电压明显低于正常磁极的电压值，短路程度越严重，上述偏差越大。

发电机带额定负载时，检测线圈感应电压如图7所示。从图7可以看到：当水轮发电机某磁极的转子绕组发生匝间短路故障后，当该磁极经过检测线圈时，所感应的电压明显低于正常磁极的电压。

根据上述现象，可以使用不同磁极的相同位置扫过U形检测线圈时在检测线圈上感应电压的偏差作为故障判据，具体可以按以下步骤实施：

采集检测线圈输出电压信号并保存，将采集的实时的电压值与相隔0.02S的整数倍的历史数据进行比较，偏差为：

a＝v(t)-v(t-k×0.02)

当a超过设定阈值时即可判定水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

例如，以发电机额定负载运行且转子某磁极绕组短路10％为例，将检测线圈输出的当前电压值与前0.04S时刻(k＝2)的检测线圈输出电压值进行比较，得到转子一个旋转周期(0.42S)内两组电压的偏差见图8。图8存在一个幅值较大的正向脉冲和一个幅值较大的负向脉冲，其中正向脉冲是故障槽扫过检测线圈的时刻，这时检测线圈感应电压与0.04S前时刻的正常磁极在检测线圈上感应的电压具有明显的偏差；经过0.04S后，正常磁极扫过检测线圈，这时故障磁极在检测线圈上感应的电压是作为历史数据(0.04S前时刻)与当前数据比较的，因此也存在一个明显的偏差。

可见，当水轮发电机转子绕组存在匝间短路故障时，在转子的一个旋转周期(0.42S)内，上述电压差值波形将产生2个幅值较大的脉冲，一个正向脉冲和一个负向脉冲，正、负脉冲的距离等于0.02k，k值越大，正、负脉冲间的距离越大。若转子绕组不存在匝间短路故障，则电压差值波形将不会有幅值较大的脉冲出现。根据上述特征可以诊断水轮发电机是否发生转子绕组匝间短路故障。

利用检测线圈在不同磁极处感应电压的幅值差异可以有效诊断出水轮发电机的转子绕组匝间短路故障，能够发现水轮发电机较轻微的转子绕组匝间短路故障，随着转子绕组匝间短路程度的加重，检测线圈在不同磁极处感应电压的幅值差异变大，因此，本方法还可以反映出转子绕组匝间短路故障的严重程度和发展趋势。

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。