基于穿心螺桿的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法與流程

本發(fā)明涉及發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于穿心螺桿的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法。

背景技術(shù)：

近些年，不少水輪發(fā)電機發(fā)生了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，已見報道的一起匝間短路故障甚至引起了水輪發(fā)電機橫差保護的動作，因此，水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障應(yīng)引起足夠的重視。

水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組為集中式，與汽輪發(fā)電機的分布式繞組截然不同。一旦水輪發(fā)電機出現(xiàn)匝間短路故障，故障極的磁場被削弱，與故障極相鄰的兩個磁極的磁場也會受其影響被削弱，造成整個發(fā)電機故障側(cè)的單邊磁拉力下降，轉(zhuǎn)子受到不平衡磁拉力的作用，嚴(yán)重的匝間短路可能導(dǎo)致水輪發(fā)電機的劇烈振動，這一現(xiàn)象已經(jīng)在國內(nèi)一些水輪發(fā)電機上出現(xiàn)了。

近些年，經(jīng)常使用的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法還處于離線水平，常采用的是直流電阻比較法，交流阻抗和功率損耗法，交直流分壓電壓法等。這些方法都需要在轉(zhuǎn)子繞組的各個磁極上進行測試，通過對比各磁極的直流電阻、交流阻抗和功率損耗等數(shù)據(jù)判斷水輪發(fā)電機是否存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，診斷方法落后，過程耗時較長，造成機組停運時間長，浪費了水資源。因此，提出具有高靈敏度和可靠性的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線診斷方法是十分迫切的。

在汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷方面，人們已經(jīng)提出了一些在線檢測方法，但這些方法并不適用于水輪發(fā)電機，這是因為：水輪發(fā)電機多達數(shù)十對極，轉(zhuǎn)速低，空間尺寸大，定子繞組的分支較多。某一磁極的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障只影響局部的相關(guān)電氣量，對整個發(fā)電機的影響相對較小，因此，傳統(tǒng)的勵磁電流法、虛功率法、期望電勢法、軸電壓法和端部漏磁等很難靈敏地檢測出水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，繞組為集中式，汽輪發(fā)電機最常采用的傳統(tǒng)探測線圈法也不適用于水輪發(fā)電機，因為傳統(tǒng)探測線圈的實際工作部分是它的探頭，探頭尺寸較小，從定子鐵心間隙伸到轉(zhuǎn)子附近，檢測轉(zhuǎn)子各齒槽口處的漏磁通，而水輪發(fā)電機的磁極尺寸大，沒有像汽輪發(fā)電機一樣的齒槽結(jié)構(gòu)，也就不存在槽漏磁通，因此，傳統(tǒng)探測線圈并不適用于水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的檢測。也有部分文獻分析了水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后的定子電流和勵磁電流的諧波特征，認(rèn)為通過上述特征可以診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，該方法的缺點是沒有故障定位功能，目前還未見在水輪發(fā)電機上獲得應(yīng)用。此外一些文獻關(guān)注了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路引起的定子并聯(lián)支路環(huán)流問題，一些水輪發(fā)電機在定子并聯(lián)支路上安裝了電流互感器，但目前只用來對橫差保護提供數(shù)據(jù)，未見其應(yīng)用于轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線診斷。

總之，盡管目前對水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷十分重視，但實用且性能優(yōu)異的在線檢測方法嚴(yán)重匱乏，因此，有必要進一步提高此類故障的診斷水平，開發(fā)新的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線檢測方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于穿心螺桿的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高此類故障的診斷水平。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。

一種基于穿心螺桿的水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法，取發(fā)電機定子鐵心穿心螺桿的一段，在其兩端通過定子鐵心段間間隙向外引出測量線，通過引出線采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓；利用在線采集系統(tǒng)實時采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓，并對采集到的感應(yīng)電壓進行實時的數(shù)據(jù)處理，比較不同磁極的相同位置掃過穿心螺桿時在穿心螺桿上感應(yīng)電壓的偏差，當(dāng)電壓差超出設(shè)定閾值時，判定該水輪發(fā)電機存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

作為優(yōu)選，不同磁極的相同位置掃過穿心螺桿時在穿心螺桿上感應(yīng)電壓的偏差與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度成正比。

作為優(yōu)選，將采集的穿心螺桿輸出的實時電壓值與相隔0.02S的整數(shù)倍的歷史電壓數(shù)據(jù)進行比較，偏差為：

ΔU＝U(t)-U(t-k×0.02)

當(dāng)ΔU超過設(shè)定閾值時即判定水輪發(fā)電機存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障；其中，U為電壓值，t為采集時間，k為正整數(shù)。

作為優(yōu)選，故障判定閾值設(shè)定為0.5V。

采用上述技術(shù)方案所帶來的有益效果在于：本發(fā)明的診斷方法不需要在水輪發(fā)電機內(nèi)部安裝傳感器，將水輪發(fā)電機的定子穿心螺桿作為磁場測量傳感器，只需在穿心螺桿上引出測量引線即可完成磁場測量，實施起來十分安全、方便。該方法能夠發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子較輕微的匝間短路故障，可以對水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組絕緣狀態(tài)進行在線監(jiān)測，這對于防止水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障惡化、降低非計劃停運時間造成的經(jīng)濟損失以及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性都有著重要意義。

附圖說明

圖1是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后的勵磁磁勢示意圖；

圖2是水輪發(fā)電機局部的穿心螺桿及測量原理示意圖；

圖3是水輪發(fā)電機2維仿真模型；

圖4是水輪發(fā)電機2維仿真模型局部圖；

圖5是圖3中A部位的局部放大圖；

圖6是水輪發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路10％和短路20％時某穿心螺桿處的徑向磁密；

圖7是水輪發(fā)電機額定負(fù)載轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路10％和短路20％時某穿心螺桿處的徑向磁密；

圖8是水輪發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路10％和短路20％時某穿心螺桿感應(yīng)電壓；

圖9是水輪發(fā)電機額定負(fù)載轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路10％和短路20％時某穿心螺桿感應(yīng)電壓；

圖10是水輪發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子某磁極繞組短路10％時檢測線圈輸出電壓與前0.06S時刻電壓的偏差。

圖中：1、故障磁極，2、正常磁極，3、定子鐵心，4、轉(zhuǎn)子磁極，5、轉(zhuǎn)子繞組，6、定子繞組，7、穿心螺桿，8、穿心螺桿與鐵心間的絕緣層，9、阻尼條，10、數(shù)據(jù)采集及分析裝置，11、定子鐵心段間間隙。

具體實施方式

本發(fā)明中使用到的標(biāo)準(zhǔn)零件均可以從市場上購買，異形件根據(jù)說明書的和附圖的記載均可以進行訂制，各個零件的具體連接方式均采用現(xiàn)有技術(shù)中成熟的螺栓、鉚釘、焊接、粘貼等常規(guī)手段，在此不再詳述。

文中各符號清單為：ω_r、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角速度；B_r、磁通密度的徑向分量；L、穿心螺桿的有效長度；R、穿心螺桿與轉(zhuǎn)子中心的距離；v、穿心螺桿相對于徑向磁場的運動速度；F_f、勵磁磁勢；θ_r、沿轉(zhuǎn)子圓周的機械角度；P、水輪發(fā)電機的極對數(shù)；t、時間；k、正整數(shù)，1≤k≤P-1；U、穿心螺桿感應(yīng)電壓。

本發(fā)明一個具體實施方式包括以下步驟：

取發(fā)電機定子鐵心穿心螺桿的一段，在其兩端通過定子鐵心段間間隙向外引出測量線，通過引出線采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓；利用在線采集系統(tǒng)實時采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓，并對采集到的感應(yīng)電壓進行實時的數(shù)據(jù)處理，比較不同磁極的相同位置掃過穿心螺桿時在穿心螺桿上感應(yīng)電壓的偏差，當(dāng)電壓差超出設(shè)定閾值時，判定該水輪發(fā)電機存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

不同磁極的相同位置掃過穿心螺桿時在穿心螺桿上感應(yīng)電壓的偏差與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度成正比。

故障判定閾值設(shè)定為0.5V。

水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組為集中式結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)子某磁極的部分繞組發(fā)生匝間短路后，被短路繞組內(nèi)部電流為零，該磁極的有效匝數(shù)減少，所產(chǎn)生的勵磁磁勢明顯小于正常磁極，見圖1。

為了防止水輪發(fā)電機的定子鐵心松動，需要借助穿心螺桿進行固定。穿心螺桿與定子鐵心的長度相當(dāng)，穿過沖片上的孔，穿心螺桿與沖片上的孔之間的間隙用絕緣進行填充，防止因短路引起鐵心過熱而導(dǎo)致鐵心燒壞。穿心螺桿的端部通過絕緣墊塊與鐵心絕緣，防止各個螺桿通過鐵心短接。

水輪發(fā)電機的穿心螺桿與定子鐵心保持了良好的絕緣，是貫穿整個發(fā)電機定子鐵心的絕緣導(dǎo)體，這為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的檢測提供了天然的傳感器。此外，發(fā)電機定子鐵心沿軸向采用分段式結(jié)構(gòu)，段與段之間為氫氣流通路徑，這為測量穿心螺桿電壓提供了引線的安裝空間。本文提出在發(fā)電機一段穿心螺桿的兩端向定子鐵心背部引線，測量穿心螺桿的感應(yīng)電壓，見圖2。

在發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，徑向磁場切割穿心螺桿，在穿心螺桿上感應(yīng)電壓，穿心螺桿的感應(yīng)電壓可以用下式表示：

U＝B_rLv＝B_rLω_rR

通過上式可知：由于L、ω_r、R均為常數(shù)，因此，穿心螺桿的感應(yīng)電壓波形與穿心螺桿處的氣隙磁密的徑向分量波形完全相同。水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組正常情況下，磁場是完全對稱的，各磁極在穿心螺桿上感應(yīng)的電壓幅值也相等；發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，發(fā)電機磁場變得不對稱，故障極在穿心螺桿上感應(yīng)的電壓低于正常磁極，可以根據(jù)這一特征診斷水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

下面以某550MW水輪發(fā)電機作為算例進行有限元仿真計算，該機組的參數(shù)見表1。

表1水輪發(fā)電機參數(shù)

搭建的水輪發(fā)電機2維仿真模型見圖3，其局部圖見圖4和圖5。

仿真分為兩種工況進行，即發(fā)電機空載額定電壓運行和帶額定負(fù)載運行，穿心螺桿與發(fā)電機圓心的距離R＝6.22m，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角速度氣隙磁密的徑向分量相對于穿心螺桿的運動速度v＝ω_rR＝14.96×6.22＝93.0512m/s。在發(fā)電機穿心螺桿上截取0.1m長度，在其兩端向外引出電壓測量線，發(fā)電機主磁場的徑向分量以同步速切割穿心螺桿，根據(jù)勢e＝B_rLv可知該段穿心螺桿的輸出電壓與穿心螺桿處的徑向磁通密度具有相同的波形。

分別設(shè)置轉(zhuǎn)子某磁極繞組正常、短路10％和短路20％，得到的發(fā)電機主磁場徑向分量如圖6和圖7所示：

從圖6和圖7可以看到：無論水輪發(fā)電機空載還是負(fù)載運行，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組正常時，各磁極磁場的徑向分量大小基本相同；當(dāng)某磁極繞組發(fā)生匝間短路故障后，該磁極磁場的徑向分量明顯小于磁極正常的情況(橢圓區(qū)域)，受該極磁場削弱的影響，與該磁極相鄰的兩個磁極磁場的徑向分量也有所減弱(矩形區(qū)域)。

圖8和圖9為發(fā)電機不同短路程度時穿心螺桿的感應(yīng)電壓情況，可以看到：受轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的影響，故障磁極在穿心螺桿上的感應(yīng)電壓明顯低于正常磁極的感應(yīng)電壓值。因此，可以用不同磁極的相同位置掃過穿心螺桿時在穿心螺桿上感應(yīng)電壓的偏差作為故障判據(jù)，具體可以按以下步驟實施：

將采集的穿心螺桿輸出的實時電壓值與相隔0.02S的整數(shù)倍的歷史電壓數(shù)據(jù)進行比較，偏差為：

ΔU＝U(t)-U(t-k×0.02)

當(dāng)ΔU超過設(shè)定閾值時即可判定水輪發(fā)電機存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

例如，以發(fā)電機空載運行且轉(zhuǎn)子某磁極繞組短路10％為例，將穿心螺桿輸出的當(dāng)前電壓值與前0.06S時刻(k＝2)的穿心螺桿輸出電壓值進行比較，得到轉(zhuǎn)子一個旋轉(zhuǎn)周期(0.42S)內(nèi)兩組電壓的偏差見圖10。圖10存在一個幅值較大的正向脈沖和一個幅值較大的負(fù)向脈沖，其中正向脈沖是故障磁極掃過穿心螺桿的時刻，這時穿心螺桿感應(yīng)電壓與0.06S前時刻的正常磁極在穿心螺桿上感應(yīng)的電壓具有明顯的偏差；經(jīng)過0.06S后，正常磁極掃過穿心螺桿，這時故障磁極在穿心螺桿上感應(yīng)的電壓是作為歷史數(shù)據(jù)(0.06S前時刻)與當(dāng)前數(shù)據(jù)比較的，因此也存在一個明顯的偏差。

可見，當(dāng)水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路故障時，在轉(zhuǎn)子的一個旋轉(zhuǎn)周期(0.42S)內(nèi)，上述電壓差值波形將產(chǎn)生2個幅值較大的脈沖，一個正向脈沖和一個負(fù)向脈沖，正、負(fù)脈沖的距離與k相關(guān)，k值越大，正、負(fù)脈沖間的距離越大。若轉(zhuǎn)子繞組不存在匝間短路故障，則電壓差值波形將不會有幅值較大的脈沖出現(xiàn)。根據(jù)上述特征可以診斷水輪發(fā)電機是否發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

利用穿心螺桿在不同磁極處感應(yīng)電壓的幅值差異可以有效診斷出汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，能夠發(fā)現(xiàn)水輪發(fā)電機較輕微的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，隨著轉(zhuǎn)子繞組匝間短路程度的加重，穿心螺桿在不同磁極處感應(yīng)電壓的幅值差異變大，因此，本方法還可以反映出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。