同步发电机定子铁心与穿心螺杆短路故障的监测方法与流程

本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种同步发电机定子铁心与穿心螺杆短路故障的监测方法。

背景技术：

同步发电机的定子铁心采用硅钢冲片叠装而成，为了防止铁心冲片在运行中发生位移和振动切割定子绕组绝缘，需要借助穿心螺杆向铁心冲片施加轴向压力，使铁心冲片紧固。为防止铁心冲片短路引起局部涡流或环流造成过热损坏，在穿心螺杆与冲片之间设置了绝缘材料，见图1。

为了避免穿心螺杆在铁心端部通过压圈等结构短路，穿心螺杆的端部设置了绝缘垫，这样，同步发电机的全部穿心螺杆形成了空间圆柱体分布的全绝缘结构，见图2。

穿心螺杆的上述结构在一定程度上能减少穿心螺杆与定子铁心间发生短路的几率，但发电机运行过程中穿心螺杆的涡流损耗引起的温升可能导致绝缘层的快速老化和性能下降，引发短路故障，此外，铁心松动造成部分冲片切割穿心螺杆与定子铁心间的绝缘层也是短路的重要诱因。在同步发电机的定子铁心短路故障中，穿心螺杆与定子铁心间的短路故障占了比较大的比例。以某汽轮发电机为例，其定子铁心共有5处损坏，其中三处铁心损坏均是穿心螺杆与铁心短路引起的，还有一处大面积损坏的诱因也是穿心螺杆与定子铁心短路。

同步发电机正常运行时，穿心螺杆处于“悬浮”的全绝缘状态，即使定子铁心中的一片与穿心螺杆发生短路，由于未形成回路，也不产生环流，仅使得短路点的涡流略有增加，但若短路点面积较大包含多片铁心，则短路点将产生较大的涡流，促使故障点扩大化，见图3。若多处穿心螺杆与定子铁心间的绝缘失效，则在穿心螺杆、定子铁心、背部定位筋之间形成了闭合回路。穿心螺杆位于主磁场中，发电机运行时有较大的感应电压，将在闭合回路产生较大的环流，造成短路点的快速扩大化，见图4。近年来已经发生了多起穿心螺杆与定子铁心的短路事故，开发穿心螺杆与定子铁心短路故障的在线监测方法是避免铁心发生大面积融化的有效措施，对于降低故障损失具有重要的意义。

同步发电机处于完全封闭的状态，已有技术还无法在线监测穿心螺杆与定子铁心间的短路故障，只能在制造阶段或大修期分别测量穿心螺杆和定子铁心的绝缘状态。其中，穿心螺杆的绝缘状态是通过测量穿心螺杆的绝缘电阻实现的，例如某水轮发电机大修期间进行穿心螺杆的绝缘测量时发现：绝缘值不达标有105根，其中82根绝缘值在0.5MΩ以下，有11根绝缘值已经为零。对定子铁心短路故障的检测方法有两种，即：铁损试验法和ELCID。铁损试验法是一种传统的定子铁心短路故障检测方法，该方法在发电机抽出转子后进行，在定子铁心上缠绕大功率绝缘导线，并向导线中注入交流电流，产生的交变磁场沿整个定子铁心闭合，磁场的周期性交变在铁心上产生发热损耗，当定子铁心存在片间短路故障时，短路处的涡流损耗更大，发热量更高，用红外测温仪观察发电机内部的温度即可找到短路点。该方法只能观测到物体表面的温度分布状况，对定子铁心与穿心螺杆间的短路故障则无法有效反映出来。此外，试验设备电压、电流大，造价昂贵，还可能因试验导致故障进一步恶化。ELCID法利用便携式设备在发电机定子铁心相邻尺槽间产生交变的局部磁场，若定子铁心存在片间短路，将产生局部故障涡流，该电流将被Chattock线圈检测到。此方法已被国际电力行业广泛地采用，然而，该方法也有明显的缺点，即只能发现定子齿槽部位的短路故障，对于穿心螺杆与定子铁心之间的短路故障不能灵敏反应。

综上所述，目前仅有单独诊断穿心螺杆绝缘状态和定子铁心短路故障的检测方法，且均属于离线检测方式，无法及时发现故障，可能导致故障恶化。其中铁损试验法和ELCID法均无法发现位于定子铁心深处的穿心螺杆与定子铁心间的短路故障，而穿心螺杆与定子铁心间的短路故障恰恰是发生率最高、破坏性最强的定子铁心故障类型，因此，开发在线的、高灵敏度的穿心螺杆与定子铁心短路故障的检测方法十分必要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种同步发电机定子铁心与穿心螺杆短路故障的监测方法，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。

一种同步发电机定子铁心与穿心螺杆短路故障的监测方法，将同步发电机定子铁心穿心螺杆经串联的高阻值电阻和采样电阻接地，在线采集采样电阻两端的电压瞬时值，将该电压瞬时值与故障判定阈值相比较，当其超出故障判定阈值时，判定该同步发电机的穿心螺杆与定子铁心发生短路故障。

作为优选，使用采样电阻两端的交流电压最大值或有效值判断短路点的位置；短路点和接地点之间距离的大小变化趋势与上述电压值的大小变化趋势相同。

作为优选，故障判定阈值设定为0.1V。

作为优选，高阻值电阻和采样电阻安装于同步发电机定子铁心背部与同步发电机机壳之间的间隙内。

作为优选，高阻值电阻连接在同步发电机定子铁心穿心螺杆的中部或者端部。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明提出的诊断方法实现了对穿心螺杆与定子铁心短路故障的在线监测，相对于常规的离线检测方法，本方法具有发现故障更及时、灵敏度更高、能避免恶性故障等优点。监测的短路故障位于定子铁心内部，这是常规离线检测方法无法发现的，有效地弥补了常规离线诊断方法的监测盲区，实现了对定子铁心短路故障的全覆盖检测。本方法的实现也十分简单，同步发电机定子铁心采用分段式或整体式结构。对于分段式铁心，接地点可以设置在穿心螺杆的中部，接地线从相邻铁心段间间隙引出；对于整体式铁心，接地点可以设置在穿心螺杆的端部，接地线从穿心螺杆端部直接引向定子铁心背部。本发明对于同步发电机出现定子铁心大面积融化具有重要的预防作用，为发电机的安全、稳定运行提供了保障。

附图说明

图1是发电机定子铁心及穿心螺杆结构示意图；

图2是发电机的穿心螺杆示意图；

图3是穿心螺杆与铁心一点短路示意图；

图4是穿心螺杆与铁心二点短路示意图；

图5是穿心螺杆与铁心短路故障检测方法示意图；

图6是穿心螺杆短路及测量原理图；

图7是TA1100-78型汽轮发电机2维仿真模型；

图8是单旋转周期穿心螺杆处径向磁密；

图9是单旋转周期穿心螺杆感应电压；

图10是采集电压波形。

图中：1、穿心螺杆，2、穿心螺杆感应的分布电压，3、绝缘层，4、定子铁心段间间隙，5、数据采集及分析装置；6、鸽尾槽；7、定子铁心；8、定位筋；9、短路点；10、定子线棒；11、槽楔；12、高阻值电阻；13、采样电阻。

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。

一种同步发电机定子铁心与穿心螺杆短路故障的监测方法，将同步发电机定子铁心的穿心螺杆1经串联的高阻值电阻12和采样电阻13接地，使用数据采集及分析装置5在线采集采样电阻13两端的电压瞬时值，将该电压瞬时值与故障判定阈值相比较，当其超出故障判定阈值时，判定该同步发电机的穿心螺杆1与定子铁心7发生短路故障。使用采样电阻13两端的交流电压最大值或有效值判断短路点的位置；短路点和接地点之间距离的大小变化趋势与上述电压值的大小变化趋势相同。故障判定阈值设定为0.1V。高阻值电阻12和采样电阻13安装于同步发电机的定子铁心7背部与同步发电机机壳之间的间隙内。高阻值电阻12连接在穿心螺杆1的中部或者端部。

同步发电机定子铁心有整体式和分段式两种结构。以分段式铁心结构的同步发电机为例，相邻铁心段间为气隙(图1)，在气隙处可见穿心螺杆部分，这为从穿心螺杆向外引出连接线提供了条件。本发明提出的穿心螺杆1与定子铁心7短路故障在线检测方法原理如图5所示。图5中，在每个穿心螺杆1的中间部位经过一个10000Ω+100Ω的电阻接地。当穿心螺杆1与定子铁心7无短路点时，无法形成闭合回路，接地电阻支路的电流为零；一旦穿心螺杆1与定子铁心7间出现短路点，构成了闭合回路，回路内有交变电势，则形成环流。由此可见，电阻回路是否有电流可以作为判断穿心螺杆1与定子铁心7有无短路点的依据。

同步发电机正常运行时，单根穿心螺杆1感应的电压最大不会超过1000V，即使短路形成了闭合回路，由于回路内串入了10000Ω的高阻值电阻12，回路电流将限制在0.1A以内，不会对定子铁心7构成威胁。100Ω电阻为采样电阻13，其两端直接连接数据采集及分析装置5(量程为±10V)，实时采集其电压值，见图6。一旦该电压超过设定阈值，即可判定该穿心螺杆1与定子铁心7发生短路故障。

为了验证新型监测方法的有效性，选择某核电厂一台TA1100-78型汽轮发电机(2对极)作为研究对象，完成空载和额定负载工况下的仿真验证，该机组的参数见表1。

表1 TA1100-78型汽轮发电机参数

建立的TA1100-78型汽轮发电机2维电磁场仿真模型如图7所示。

为了检验新型诊断方法在各种工况下的有效性，仿真分为两种工况进行，即发电机空载运行和带额定负载运行。发电机运行过程中，切割穿心螺杆的磁场是穿心螺杆处磁通密度的径向分量，因此，仿真获取发电机某穿心螺杆位置的径向磁场随时间变化规律，见图8。

从图8中可以看到：受转子绕组匝间短路故障的影响，发电机各磁极的磁场出现了明显的不对称，因此，穿心螺杆位置的磁场也呈现出不对称特点。故障极磁场扫过穿心螺杆式时，其径向磁密小于转子绕组正常时的数值。

发电机主磁场的径向分量以同步速切割穿心螺杆，根据电磁感应定律可知，整个穿心螺杆的输出电压与穿心螺杆处的径向磁通密度具有相同的波形，见图9。

假定发电机穿心螺杆的1/4处在0.2S时刻与定子铁心间发生金属性短路故障，数据采集设备采集到的电压波形见图10：

从图10可以看到：当穿心螺杆与定子铁心间未发生短路时，并未形成闭合回路，采样电阻两端电压为零；一旦穿心螺杆与定子铁心间发生短路，采样电阻两端电压立即上升，有显著的交流分量出现，因此，可以将该电压作为穿心螺杆与定子铁心短路故障的判据。

该交流电压的幅值与发电机运行工况、短路点位置等因素有关，特别是短路点位置，短路点越靠近接地点，采集到的电压值越低，短路点越靠近穿心螺杆的中部，采集到的电压值越低，为了保证诊断的灵敏度，应合理设置故障阈值，以发现靠近穿心螺杆接地点的短路故障，针对本例，故障阈值设定为0.1V。

通过上述仿真结果可知：通过在同步发电机穿心螺杆上引出接地线，就可以实现对穿心螺杆与铁心短路故障的在线监测，当采集电压超出设定阈值，就可以判断穿心螺杆与定子铁心间发生了短路故障，根据采集电压的大小还可以判定短路的大致位置。接地线可以在发电机制造或大修阶段安装，具有简单、安全的特点。本方法能够发现同步发电机铁心内部短路故障，有效弥补了常规离线检测方法仅能发现铁心表面短路故障的缺点。此外，本方法还具有诊断成本低，灵敏度高等优点。

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。