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 instrument0 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<a）和 2-2<b）所示。

从图中可以看出，转子槽的形状有两种，一种为辐射形排列，一种是平行排列，我国生产的电机都采用辐射形槽。

沿着转子外圈，占 2/3 的表面上均匀开的下线槽较多，那里槽与槽之间的部分较窄，叫小齿。

在另外的占转子 1/3 的部分没有开下线槽，形成了大齿。

转子大齿的中心线实际上就是磁极的中心。

<a）辐射形排列<b）平行排列图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。

图1.5转子展开图及磁势波形分解图发电机气隙主磁场和漏磁场，在靠近转子表面为一个梯形波叠加齿槽纹波，该纹波分量主要是由于转子开槽和齿漏磁所引起的，其纹波的交变情况与转子齿槽相对应。

转子齿槽分量幅值与槽内安匝数成正比，因此我们只要检测出电机齿顶漏磁的变化，就可以获得发电机转子槽内的安匝变化，从而可以判断匝间短路是否存在。

2 发电机转子绕组匝间短路故障的探测线圈法发电机在运行时，转子绕组通入的直流励磁电流所产生的磁通可由下式表示：<2-1）式中，：磁势，：磁导，：励磁电流，：转子绕组匝数。

磁通通过转子大齿，经气隙和定子绕组相交链形成回路，称为主磁通中，经气隙或经定子槽而没有和定子绕组交链的磁通称为漏磁通护。

如果在气隙中置放一段与转子轴向平行的导线，导线两端产生的电势为，<2-2）又，<2-3）得，<2-4）由式<2-4）可知，气隙磁密的感应电势和转子的安匝数成正比。

如果转子绕组内出现匝间短路，气隙磁密的感应电势相应地会减少。

由于齿槽波峰不太明显，而且如果是短路匝数比较小时更不易分辨，所以常常在测量回路中接入微分电路，从而较明显地反应气隙中齿槽磁密变化率的波形。

在大型发电机的转子绕组中，即使短路一匝也可明显地反应出来。

微分电路是一个高旁路RC简单回路，如图2.1所示图 2.1 微分电路基于上面的原理，可在气隙中放一探测线圈，直接达到微分目的，也可突出反应磁槽中匝间短路的情况。

因转子表面以速度v在运动，故相当于探测线圈对转子表面一速度v在运动。

可得，<2-5）从上式可以看出，探测线圈的原理和导线的感应电动势的原理是一样的，不同的是，探测线圈切割磁通的面积小，但匝数较多，这样可以较明显地表现出齿槽磁密的变化率。

3 基于小波变换的发电机转子绕组匝间短路故障检测小波分析是傅立叶分析深入发展过程中的一个新的里程碑，它发扬了傅立叶分析的优点，克服了傅立叶分析的某些缺点，在时域和频域同时具有良好的局部化性质，可以对高频成分采用逐渐精细的时域或空间域步长，从而可以聚焦到对象的任意细节。

因此，小波变换被誉为分析信号的显微镜。

基于小波变换的发电机转子绕组匝间短路的故障检测主要是利用小波变换模极大值原理。

当发生匝间短路时，探测线圈的感应电势在短路槽对应处出现幅值的减小，从波形来看是波形的外包络线变得不平滑，出现拐点。

这样的特征信号通过小波变换，可以很好地得到检测，以及很好地实现定位。

在后面的内容将通过对模拟信号及现场信号的仿真分析，来证实该方法的可行性。

由于发电机转子磁极是的对称性，旋转状态下单纯从探测线圈感应电势输出波形图还不能确定故障磁极、故障槽，需引入一转子位置定位信号。

以确定故障槽到大齿的相对位置。

因而需加装一定位传感器。

定位方法有光电定位法、机电定位法和磁电定位法。

经过选择，采用光电定位法，在伸出机壳的转子大轴，确定一位置，沿轴向涂一窄条反光白漆，同一圆周的其他部分涂上无光黑漆，如果光电传感器灵敏度高的话，可以只贴一反光白条。

发电机运转时，旋转到白条位置，光电传感器输出一脉冲信号，即可判断转子磁极位置，从而判断故障转子槽。

下图3.1即为探测线圈感应电势信号和同步定位信号<下面浅绿色窄脉冲信号）的输出波形。

图3.1 带有轴定位信号的正常时感应电势信号波形图4基于虚拟仪器的动态检测为了使技术人员能更好地实时观察电机的运行情况，在探测线圈法检测发电机转子匝间短路的基础上，利用现代数字信号处理技术和飞速发展的计算机技术，研制一套发电机转子匝间短路故障检测仪，来实现发电机转匝间绝缘状态的在线检测。

4.1 检测系统软件设计软件设计流程图如图4-1所示。

虚拟仪器前面板是人机交互的接口，主要有控制量和显示量构成。

当程序运行时，用户通过控制量<用户输入数据的文本框以及一些按钮、开关等）输入数据控制程序运行，而显示量<例如显示波形的示波器控件等），则主要用于程序运行的结果。

检测系统主面板如图4-2所示，有“检测”和“回放”两个选项卡，采样频率、采样时间可以调整，即可选取多个周波分析。