汽轮发电机转子绕组匝间短路故障检测的分析研究

汽轮发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究

摘要：本文对汽轮发电机转子绕组中常出现的匝间短路故障进行了研究。分析了探测线圈法检测发电机转子匝间短路的检测机理。针对在较小故障情况下，波形的变化不是很明显，提出采用小波分析的方法，对线圈中的感应波形进行进一步处理，从而准确及时地检测到故障信息。并基于虚拟仪器技术开发了发电机转子绕组动态匝间短路故障检测软件，动模实验证明开发的软件适合转子绕组动态匝间短路的故障检测。

关键词：汽轮发电机，匝间短路故障，探测线圈，小波分析，虚拟仪器

Abstract：In this paper the inter-turn shorted-circuit1fault occurred in rotor windings is studied. The diagnosis mechanism of detecting coil method wereanalyzed. In the small fault conditions,the wave of change is not obvious, the wavelet analysis method, the coil in the inductive waveform for further processing, thus accurately detects the fault information. And based on the virtual instrument technology development of the generator rotor winding dynamic turn-to-turn short circuit fault detection software, dynamic simulation experiments prove that the developed software for rotor winding inter-turn short circuit fault detection for dynamic.

Key Words：turbo-generator, inter-turn shorted-circuit fault, detection coil, wavelet analysis, virtual instrument

0 引言

发电机作为电力系统中的发电环节，对整个电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。尤其是目前我国己经进入大电网和大机组阶段，发电机单机容量不断增大，发电机故障诊断更是一个迫切需要解决的问题。汽轮发电机是一种高速隐极式电机，当其运行时，转子受到强大的离心力作用，很容易发生匝间短路故障。轻微的匝间短路并不会对发电机产生很大的影响，但如发生严重的匝间短路时，会引起机组的振动增大，造成大轴磁化、烧毁发电机转子乃至被迫停机。因此对发电机转子绕组进行状态监测和故障检测是十分必要的，有助于提高系统安全运行水平。

本文主要对汽轮发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法进行了研究。分析了发电机转子绕组匝间短路的故障机理和探测线圈法检测发电机转子匝间短路的检测机理，引进小波分析法。并基于虚拟仪器技术开发了发电机转子绕组动态匝间短路故障检测软件

1 汽轮发电机转子绕组匝间短路的理论分析

1.1 汽轮发电机转子总体结构

汽轮发电机容量的不同，转子采取的冷却方式也有所不同。小容量机组采用空冷方式，空冷冷却方式以其高可靠性和低维护量，深受运行部门的欢迎。然而随着单机容量的增大，考虑机组体积、重量、材料利用率等原因，空冷不再适用。目前，国内 300MW、

600MW 主力发电机组则主要采用水-氢-氢冷却和双水内冷形式。双水内冷曾在 70 年代盛行，但由于可靠性的原因，现在已很少使用。大型发电机都采用水-氢-氢冷却。即发电机定子绕组采用水内冷，定子铁芯表面氢外冷和转子绕组氢内冷。

采用不同冷却方式的转子绕组，绝缘结构有很大区别。水内冷的转子绕组由空心铜线制成，其绝缘结构为单匝绕包，极少出现匝间绝缘故障，而空冷和氢冷式转子绕组则由实心铜带或铜管制成，其绝缘为组合结构，即有槽衬垫条、槽衬、层间绝缘、槽口垫块、层间绝缘、槽楔上加工成对孔组成风道。这种结构的转子，由于风道的存在，金属异物容易掉进转子内部，直接形成短路故障或者造成转子通风堵塞，转子绕组过热而发展成绕组匝间短路或接地。转子总体上包括转轴<包含转子本体）、励磁绕组、槽绝缘、槽楔、护环、中心环、阻尼绕组、转子绕组引线、风扇、滑环等。励磁绕组绕在转子轴的轴向槽内，端部用护环固定，用中心环轴向固定，且在励磁绕组和转子本体开有径向通风槽，使冷却用氢气流过。

图1.1 汽轮发电机转子结构图

1.2 转子绕组的结构

目前国内外的大型汽轮发电机转子绕组冷却一般采用氢冷方式。转子槽形都做成开口槽，以固定励磁绕组。氢冷方式的发电机沿转子铁心表面全长铣有凹槽，在槽里安放励磁绕组，槽的排列形状如图 2-2

图1.2 转子槽的形状

图1.3 转子线圈接线图

转子励磁绕组的引线部分固定是个很重要的问题。在槽里的导体用槽楔来压紧；端部的导体之间不仅需要通过垫块相互隔离，还要用护环来固定。励磁绕组通过装在转子上的集电环与电刷装置才能和外面的直流电源构成回路。转子端部的连接及端部导体之间垫块的嵌放可见图1.4。

图1.4 发电机转子绕组端部接线和垫块

从转子绕组的结构和装设方法看，转子绕组匝间短路最易出现在端部的地方。这一部位的固定系统和转子绕组本身由于承受强大的离心力，因而容易造成绕组的固定不牢，垫块松动，从而直接导致端部匝间的短路。

1.3 汽轮发电机发生匝间短路的磁场分析

根据全电流定律，可以得到正常情况下励磁电流所产生的磁势为一阶梯波。它是由各槽内线圈所产生的磁势叠加而成的，中间的大齿部分没有励磁绕组，所以磁势保持不变。阶梯波磁动势的最大值为，其中是转子线圈每极的匝数，为励磁电流。由于空气的导磁率比铁芯的导磁率小得多，所以空气隙磁路的磁阻比铁芯磁路的磁阻要大得多。如果把铁芯磁路的磁阻都忽略不计，可以认为整个磁回路的磁动势都消耗在空气隙上了。阶梯波磁势可以分解为一个梯形波和一个由分布绕组引起的齿谐波。