發(fā)電機匝間短路故障診斷

..目錄TOC\o"1-3"\h\u189111引言 1226951.1研究目的與意義 1231961.2發(fā)電機故障診斷技術的發(fā)展狀況 1211861.3發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障檢測的研究現狀 254821.4本文的內容和主要工作 473192汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路的理論分析 6267092.1汽輪發(fā)電機的轉子結構 6136302.2轉子繞組發(fā)生匝間短路的原因 65862.3匝間短路的磁場分析 7295072.3.1發(fā)電機發(fā)生匝間短路的磁場分析 9321753發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障的探測線圈法 12218463.1探測線圈法的測試原理 12319503.2探測線圈的結構及置放 143943.2.1診斷系統(tǒng)及其功能組成 1511931基本參數 1612167傳感器安裝和定位 1698793.3.3故障判斷 16239003.3大亞灣核電站發(fā)電機組的探測線圈法實例分析 172271參考文獻 20..1引言1.1研究目的與意義隨著我國國民經濟的快速發(fā)展,電力工業(yè)正處于大電機和大電網的發(fā)展階段。人們的生活和生產水平迅速提高,使得電能需求量日益增長,進而對電力系統(tǒng)的供電質量、可靠性及經濟性等指標的要求也不斷提高。發(fā)電機是電能生產的重要設備,它為整個電力系統(tǒng)提供電能,是整個電網的心臟,因此如果發(fā)電機發(fā)生故障,可能會導致局部停電甚至整個系統(tǒng)崩潰。發(fā)電機轉子作為發(fā)電機的重要組成部分,主要由勵磁繞組線圈、線圈引線以及阻尼繞組等部分組成。發(fā)電機運行時,由于轉子處于高速旋轉狀態(tài),這些部件將承受很大的機械應力和熱負荷,若超過其極限值時將導致部件的損壞。轉子繞組是發(fā)電機經常出現故障的部位,除本體故障外,主要是轉子繞組的短路故障,如匝間短路、一點接地短路、兩點接地短路等。發(fā)電機正常運行時,轉子繞組對地之間會有一定的分布電容和絕緣電阻,絕緣甩阻的阻值通大于1兆歐。但是因某種原因導致對地絕緣損壞或絕緣電阻嚴重下降時,就會發(fā)生轉子繞組接地事故。當發(fā)電機轉子發(fā)生一點接地故障時,因為勵磁電源的泄漏電阻很大,一般不會造成多大的傷害,限制了接地泄露電流的數值。但是,發(fā)電機轉子兩點接地故障將會產生很大的電流,經故障點處流過的故障電流會燒壞轉子本體。而部分轉子繞組的短接,勵磁繞組中增加的電流可能會導致轉子因過熱而燒壞,氣隙磁通也會失去平衡,從而引起發(fā)電機的振動,還可能使轉子大軸磁化,甚至會導致災難性的后果,因此兩點接地故障的后果是很嚴重的。目前,在國內運行的大型發(fā)電機組中,發(fā)電機匝間短路故障占故障總數的比重較大,大多數發(fā)電機都發(fā)生過或已經存在轉子繞組匝間短路的故障。由于轉子繞組絕緣的損壞,轉子繞組匝間短路后會形成短路電流,從而導致局部過熱。發(fā)電機長期在這種環(huán)境下運行,會進一步引起絕緣的損壞,導致更為嚴重的匝間短路,最終形成惡性循環(huán)。據統(tǒng)計資料表明,發(fā)電機轉子匝間短路故障并不會影響機組的正常運行,所以常常被忽略,但是如果任其發(fā)展,轉子電流將會顯著增加,繞組溫升過高,無功輸出降低,電壓波形畸變,機組振動加劇,并且還會引起其它的機械故障,嚴重時還會影響發(fā)電機的無功出力。如果發(fā)生的是不對稱的匝間短路故障,發(fā)電機組的振動將會加劇,轉子繞組的絕緣也有可能進一步的損壞,進而發(fā)展成為接地故障,對發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行構成了嚴重的威脅。因此,對發(fā)電機繞組匝間短路故障的診斷與識別是十分必要的。1.2發(fā)電機故障診斷技術的發(fā)展狀況早期的故障診斷主要依靠人工經驗,如：看、聽、觸、摸等方法進行診斷,具有一定的局限性。隨著發(fā)電機組容量的不斷提高,對機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的要求也越來越高。近些年來,故障診斷技術不斷吸收各學科的發(fā)展成果,診斷技術的理論與應用都得到了很大的發(fā)展,其涉及控制論、信息論、系統(tǒng)論、檢測與估計理論、計算機科學等多方面的內容,成為集數學、物理、化學、力學、電子技術、信息處理、人工智能等多學科集于一體的新興的交叉學科。其中人工智能、計算機網絡技術和傳感技術是發(fā)電機故障診斷技術的重要組成部分。隨著科學技術的發(fā)展,故障診斷技術己經成為保證發(fā)電設備安全穩(wěn)定運行的重要手段之一,是國內外相關科研單位研究的一門新技術。發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的內容十分廣泛,主要包括定子繞組、轉子、鐵芯、氫油水系統(tǒng)以及機組軸系等各個方面。世界上已經開發(fā)使用的發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)有20多種。在國外,以美國為主的一些西方發(fā)達國家在發(fā)電機故障監(jiān)測和故障診斷方面處于領先地位,如美國的Bently,IRD,BEI等公司,其先進的信號處理和數據分析技術為設備的狀態(tài)監(jiān)測提供了強有力的支持；日本的三菱電機公司開發(fā)了汽輪發(fā)電機在線絕緣診斷系統(tǒng),利用發(fā)電機運行中局部放電現象的檢測來進行診斷；瑞士開發(fā)的水電機組運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),其開放式的模塊系統(tǒng)具有很強的靈活性；此外,還有德國的發(fā)電機無線電頻率監(jiān)測系統(tǒng)、意大利ENEL公司的定子繞組端部振動監(jiān)測系統(tǒng)和韓國的在線局放診斷系統(tǒng)等。我國在故障診斷技術方面研究發(fā)展的很快,70年代末至80年代初,通過吸收國外的先進技術,對一些故障機理和診斷方法進行了研究。其中清華大學、XX交通大學、XX工業(yè)大學等一些高校做了大量研究,并取得了一定成果,在國內處于領先地位。如：東南大學開發(fā)的125MW汽輪發(fā)電機組狀態(tài)實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)；XX工業(yè)大學開發(fā)的200MW汽輪發(fā)電機組集散式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng),此系統(tǒng)可進行狀態(tài)監(jiān)測和趨勢分析。由于發(fā)電機故障的復雜性,它往往受到多種因素的影響,而且各因素之間還存在耦合作用,同一種故障在不同的系統(tǒng)中所表現出來的癥狀也不盡相同。另外,診斷軟件的診斷依據是通過理論分析計算或實驗室模擬得來的,與發(fā)電機的實際情況有較大的差異。一些故障診斷裝置在實際的應用中存在診斷結果準確性差的問題,"漏診"和"誤診"現象時有發(fā)生。因此,確定故障診斷規(guī)則和故障征兆已經成為發(fā)電機故障診斷系統(tǒng)研究的"瓶頸"問題。1.3發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障檢測的研究現狀在以往多年的實際工作中,全國各發(fā)電廠以及一些研究機構提出了許多轉子繞組匝間短路故障的檢測方法。目前對發(fā)電機轉子繞組匝間短路的檢測方法主要分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩種[]。其中靜態(tài)檢測方法主要有以下幾種：1.直流電阻法當繞組發(fā)生匝間短路時,直流電阻的數值將變小。通常大型汽輪發(fā)電機轉子繞組的總匝數較多<約在160匝以上>,如果只有一二匝短路,即使測量很精確,直流電阻的降低也不超過1%。根據計算,僅當短路匝數超過轉子繞組總匝數的2%及以上時,直流電阻減小的數值才能超過規(guī)定值的2%。因此直流電阻的靈敏度是比較低的,它不能作為判定匝間短路的主要方法,只能作為綜合判斷的方法之一。交流阻抗和功率損耗法此方法是在轉子繞組中通入交流電,測量轉子繞組的阻抗及功率損耗值,與原始數據或上次試驗的記錄進行比較。當繞組中有匝間短路時,在交流電倍,它有著強烈的去磁作用,并導致交流阻抗大大下降,功率損耗卻明顯增加。此方法是判斷轉子繞組有無匝間短路比較靈敏的方法之一。但是此方法要受到很多因素的影響,比如槽楔裝配工藝和阻抗、轉動狀態(tài)下的定子附加損耗、轉子本體剩磁、實驗時施加電壓的高低和護環(huán)等,有時不能準確判定較為輕微的匝間短路故障。發(fā)電機空載、短路特性曲線法當轉子繞組中存在匝間短路時,其三相穩(wěn)定的空載特性曲線與未短路前的比較將會有所下降,短路特性曲線的斜率也將減小。通過測量發(fā)電機空載電壓、短路電流與勵磁電流的關系曲線,觀察其斜率有無變化,從而判斷轉子繞組有無匝間短路故障。但由于測量精度的限制,靈敏度較低,一般在匝數較多<轉子繞組短路的匝數超過總匝數的3%以上>時,才能從曲線上反映出來。單開口變壓器法在轉子繞組中通入交流電后,轉子槽齒上便產生交變磁通。利用一只開口變壓器和槽齒構成閉合磁路,測量轉子各槽上漏磁通引起的感應電壓。線圈中有無匝間短路時,在開口變壓器線圈上所感應的電勢的大小和與電源電壓之間的夾角是不同的,據此將各槽測量結果進行相位比較,即可得到判斷。當短路點發(fā)生在線槽上部時,可以得到明顯的結果；而短路點靠近槽底或槽的中部時,開口變壓器中所測得的感應電勢的數值將明顯降低。實驗證明,當磁性槽楔下的線圈發(fā)生匝間短路時,此方法反映不靈敏。雙開口變壓器法雙開口變壓器法是基于電磁感應的原理,用兩個開口變壓器置于轉子本體同一線圈的對應槽齒上,對其中一個變壓器施加勵磁電源,當槽內線圈有匝間短路時,由于部分磁通要經另一變壓器閉合,所以會在此變壓器上感應出電勢。通過測量另一個變壓器的感應電勢,若發(fā)現比無匝間短路時成倍增加則說明轉子線圈存在匝間短路故障。6.RSO<RepetitiveSurgeOscilloscope>方法RSO重復脈沖檢測法應用的是行波理論,用雙脈沖信號發(fā)生器對發(fā)電機轉子兩極同時施加前沿陡峭的高頻沖擊脈沖波,當該脈沖信號沿繞組傳播到阻抗突變點時,會導致反射波和透射波的出現,由此會在檢測點測得與正?；芈窡o阻抗突變時不同的響應曲線,通過與制造廠家提供的標準波形進行比較,可判斷轉子繞組是否出現匝間短路以及匝間短路的位置。該方法對匝間短路的反應比較靈敏,易于發(fā)現比較小的匝間短路,但不能實現在線監(jiān)測,而且需要脈沖信號。文獻[5]中提到20XX大亞灣2#發(fā)電機在歷年停機換修期間曾通過ROS方法對繞組匝間短路的發(fā)生、發(fā)展以及最后的接地過程進行了分析。發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障的靜態(tài)檢測方法對保證發(fā)電機安全運行和檢修質量起到了良好的作用,但對于不穩(wěn)定的動態(tài)匝間短路無法判斷。大型發(fā)電機的轉子繞組,一旦出現問題,其危害程度較為嚴重,因此研究發(fā)電機轉子繞組匝間短路的在線檢測方法具有一定的現實意義。在線檢測的方法主要是探測線圈波形法。在一定的運行條件下,如果存在轉子匝間短路,就會引起磁場的不對稱,破壞氣隙磁場的正常分布,同時故障所在槽的槽漏磁齒諧波也會相應發(fā)生變化。在發(fā)電機氣隙磁場中加裝探測線圈,通過對探測線圈上的電勢采樣,其電勢波形反映了發(fā)電機氣隙磁通密度的變化,便可以可靠地獲取轉子匝間短路故障的信息和故障點位置信息等[]。探測線圈法是由阿爾布萊特<Albright>[]首先提出的,是把一靜止探測線圈放在電機氣隙中的在線檢測方法。探測線圈的直徑比轉子的一個齒寬要小,裝在定子空氣隙表面,它既可測磁通的徑向分量,也可測磁通的切向分量。根據諧波的峰值和谷值的高度變化來確定短路匝數的多少和短路點的位置,這就是阿爾布萊特的方法和內容。他測的發(fā)電機在開路和短路試驗狀況下的探測線圈兩端的波形,然后根據示波器上的峰值高度來識別故障。目前,氣隙探測線圈法對檢測波形的處理和分析國內外還未形成統(tǒng)一的標準。美國西屋公司是采用將探測線圈的感應電動勢積分得出磁通波形,然后再用于分析和判斷；英國原GCE公司是采用電動勢波形的諧波分析方法,認為正常時只存在奇次諧波,若存在偶次諧波則說明發(fā)生了匝間短路；日立公司的判斷原則是：如果兩極對應點的電壓波形幅值的比值SN/在0.95到1.05之內,認為是正常的,否則可能存在匝間短路。1.4本文的內容和主要工作根據以上的學習研究,本文對汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障進行了系統(tǒng)的分析。首先說明了進行發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障檢測的必要性,深入地研究了發(fā)電機發(fā)生匝間短路的原因、類型以及轉子繞組發(fā)生匝間短路時的磁場情況。為了便于在線檢測,采用探測線圈法作為檢測故障的主要手段。本文主要做了以下幾個方面的研究工作：1.發(fā)電機轉子繞組匝間短路是發(fā)電機轉子較易發(fā)生的故障,輕微的匝間短路故障并不會對發(fā)電機產生重大的影響,但發(fā)展之后會產生嚴重的后果,可能造成很大的損失。針對這一情況,查閱了大量的文獻和學術論文,了解國內外學者在此領域的研究狀況,總結了目前的研究成果以及一些方法的不足之處。2.分析發(fā)電機發(fā)生匝間短路的原因及類型,對汽輪發(fā)電機轉子繞組發(fā)生短路的二維數學模型進行了詳細地分析,并深入研究了汽輪發(fā)電機轉子繞組發(fā)生匝間短路的磁場情況。3.根據分析的情況以及發(fā)電機的氣隙磁場分析,了解探測線圈法的優(yōu)越性。詳細對其檢測原理進行了分析,對探測線圈作了大概的介紹,并以大亞灣核電站進行故障檢測時所錄制的微分探測線圈波形對此方法進行了仔細分析。

2汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路的理論分析本章首先介紹了汽輪發(fā)電機的轉子結構,然后對發(fā)電機轉子繞組發(fā)生匝間短路的原因以及故障類型進行了說明,并詳細分析了發(fā)電機轉子繞組短路的二維模型及發(fā)生匝間短路故障時的磁場分布。2.1汽輪發(fā)電機的轉子結構為了減少高速旋轉引起的離心力,汽輪發(fā)電機一般采用隱極式轉子,轉子直徑一般不超過一米。為了提高單機容量,只能增加轉子的長度,因此汽輪發(fā)電機的轉子外形是一個細長的圓柱體?？紤]到轉子冷卻和強度方面的要求,隱極式轉子的結構和加工工藝較為復雜。其結構如下圖；1軸連器2外風扇3軸4內風扇坐環(huán)5護環(huán)6轉子本體圖2-1汽輪發(fā)電機轉子實物圖Fig.2.1Steamturbinegeneratorrotorrealfigure2.2轉子繞組發(fā)生匝間短路的原因發(fā)電機轉子繞組發(fā)生匝間短路的原因比較復雜,包括制造和運行兩個方面的原因?，F場運行經驗表明,發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障多發(fā)生在繞組端部,尤其是在有過橋連線的一端居多。具體來說轉子繞組匝間短路的原因有以下幾個：〔1設計不合理有的轉子結構不夠合理,如端部弧線轉彎處的曲率半徑過小,致使外弧翹起,運行中在離心力的作用下,匝間絕緣被壓斷,造成了匝間短路。有的轉子端部繞組固定不牢,墊塊松動。發(fā)電機運行中由于銅鐵溫差引起的繞組相對位移,設計上未采取相應的有效措施等?！?制造質量不良有的轉子繞組在制造時所應用的匝間絕緣材料材質不良,含有金屬性硬刺,運行中在離心力的作用下刺穿了匝間絕緣,造成匝間短路。有的轉子在制造過程中,因下線、整形等工藝不當,損傷了繞組的匝間絕緣,運行不久就發(fā)生了匝間短路。還有的轉子線匝局部未銑風孔或風量不合格造成嚴重過熱引起匝間短路。繞組銅導線加工成形后,其倒角與去毛刺工藝不合格,或其端部拐角整形不好和局部遺留褶皺和凸凹不平等。〔3金屬異物引起匝間短路近幾年有數臺國產QFQS-200-2型發(fā)電機轉子繞組接地事故皆由初始匝間短路所引起的。如某廠一臺型發(fā)電機因制造廠在轉子下線完畢并裝好槽楔,熱套護環(huán)之前,加工轉子本體兩端的固定卡環(huán)槽時,車削下的金屬屑殘留在端部繞組的縫隙中,未被認真清理。發(fā)電機運行后有兩套線圈上層面匝間發(fā)生嚴重金屬短路,導致運行中發(fā)生陣發(fā)性劇烈振動,煙霧從勵磁端向外泄出。〔4發(fā)電機在運行中產生匝間短路有的發(fā)電機在運行中長期受電、熱和機械應力的作用,繞組端部發(fā)生殘余變形、致使轉彎處線匝沿徑向參差不齊,匝間絕緣磨損、脫落,發(fā)生匝間短路。冷態(tài)起動機組,轉子電流突增,由于鋼鐵溫差使繞組銅線蠕變留下的殘余塑性變形和積累,導致匝間絕緣和對地絕緣的損傷。運行中高速旋轉的轉子繞組承受著離心力等多種使其移位變形的動態(tài)應力,從而發(fā)生匝間短路?！?氫氣濕度過大引起線圈短路氫氣濕度過大有時對端部線圈之間絕緣造成極嚴重的后果。例如某臺國外的200WM氫冷發(fā)電機,由于油污、灰塵和氣體的影響,使其端部線圈短路。發(fā)電機轉子系統(tǒng)故障按發(fā)生故障的部件主要分為轉子繞組故障、轉子鐵芯故障、轉子軸系統(tǒng)故障和集電環(huán)電刷故障等。轉子繞組電氣故障類型主要有轉子繞組接地、匝間短路等；機械故障類型主要有轉子繞組熱變形、通風道局部堵塞、漏水以及水路局部堵塞故障等。轉子鐵芯電氣故障有負序電流引起的轉子過熱燒損故障；其機械故障主要有轉子護環(huán)開裂事故等。轉子軸電氣故障包括轉軸磁化以及產生危險軸電壓。集電環(huán)電刷在剛投入運行時及正常運行中容易發(fā)生火花放電。2.3匝間短路的磁場分析本小節(jié)首先對發(fā)電機轉子繞組匝間短路的二維模型進行了分析；其次分析了發(fā)電機匝間短路時的氣隙磁場分布,用圖解法對匝間短路時的磁場分布進行了形象地說明。2.3.1匝間短路的二維分析模型轉子發(fā)生匝間短路故障時,會使磁勢局部損失,故障部分的磁勢峰值和平均值均會減小,此時可認為是等效的磁勢反作用于故障磁極主磁場的磁勢上。根據Ward理論分析發(fā)電機轉子繞組短路的磁場,等效為在短路匝上增加一反向電流,把它在氣隙中產生的磁場加到原有均勻磁場中去,合成后的磁場即為有短路匝狀態(tài)的電機磁場。本小節(jié)采用二維分析模型的方法[],此方法主要的假設是分析模型的線性化。其假設條件為：定、轉子鐵芯的相對導磁率有恒定的值；定、轉子槽忽略不計,可用Carter系數來增加氣隙的長度；轉子繞組僅在轉子本體表面形成面電流；不計端部效應。以下為發(fā)電機轉子空間位置示意圖：圖2-2發(fā)電機轉子空間位置示意圖Fig.2.2Thegeneratorrotorspacepositiondiagram由于轉子表面上的勵磁電流僅僅沿軸向流動,根據磁矢量位分量Az可以描述二維磁場。其中curl,<2-1>Az或A滿足r-系中的拉普拉斯方程,其解為<2-2>下標i表示轉子槽中的區(qū)域。因為區(qū)域I包含坐標原點,滿足了Mln=0。如果忽略定子鐵芯的漏磁,則r=R3,A=0時<2-3>另外的邊界條件是在r=R2時,<2-4>在r=R1時,因為氣隙系數為<2-5><2-6>在上面的式中<2-7><2-8><2-9>Zn是含有氣隙磁場對定子鐵芯深度影響的系數,當深度到一定程度后。Zn趨于一致。參數Yn不但含有鐵芯深度的影響,也包含了相對導磁率的影響。當相對導磁率增加時Y。趨于一致。根據上面的式子可以得到氣隙磁場分量。在轉子表面即r=R1時<2-10><2-11>在定子內表面即r=R2時<2-12>2.3.2發(fā)電機發(fā)生匝間短路的磁場分析大型汽輪發(fā)電機均為兩極隱極式同步電機,轉子為圓柱體,轉子表面開有一部分槽,槽內放有分布式勵磁繞組。根據全電流定律,可以得到正常情況下勵磁電流所產生的磁勢為一階梯波。它是由各槽內線圈所產生的磁勢疊加而成的,中間的大齒部分沒有勵磁繞組,所以磁勢保持不變。階梯波磁動勢的最大值為,其是轉子線圈每極的匝數,為勵磁電流。由于空氣的導磁率比鐵芯的導磁率小得多,所以空氣隙磁路的磁阻比鐵芯磁路的磁阻要大得多。如果把鐵芯磁路的磁阻都忽略不計,可以認為整個磁回路的磁動勢都消耗在空氣隙上了。階梯波磁勢可以分解為一個梯形波和一個由分布繞組引起的齒諧波。若把轉子展開并進行磁勢分解,可得到如圖2-3中所示的轉子展開圖、轉子磁勢波形圖、轉子主磁勢波形圖和轉子齒諧波波形圖。在小齒區(qū)齒諧波為周期性規(guī)律的鋸齒波,其周期正好與小齒的開槽數目相等,周期間隔為一個齒距。每個鋸齒波的幅值與相應槽內安匝數成正比,如果將這個鋸齒波在小齒區(qū)域內分解,可以得到一個基本齒諧波和一系列高階齒諧波,其中一階齒諧波周期與小齒槽數相同。選任一周期的鋸齒波,一個周期設為2：個電弧度<實際上為一個齒距>,則該磁勢可用下面的函數式表示為<2-12>圖2-3轉子展開圖及磁勢波形分解圖Fig.2.3Expansionplanandrotormagneticpotentialwaveformdiagram根據傅立葉分解,在[]即一個齒距內可分解為：<2-13>其中x為用一階齒諧波下電角度。這一結果說明每一個鋸齒波可以分解為一系列正弦波,其各階諧波的幅值均與相應槽內的安匝數成正比。當勵磁繞組中通入電流時,產生兩種磁場,其一為主磁場,即通過氣隙和定子鐵芯交鏈的磁場；其次為轉子漏磁場,其表現形式主要為轉子的齒頂漏磁,這種漏磁主要分布在轉子表面附近,它不通過定子鐵芯,僅與轉子繞組本身相交鏈[5]。在均勻氣隙中,若不計轉子開槽以及主磁路飽和的影響,在以上磁勢的作用下,轉子勵磁電流建立的空載氣隙磁場沿轉子表面分布的波形與磁勢相同,只是幅值是磁勢的倍。所以轉子勵磁電流建立的氣隙磁場也呈階梯形分布,包含鋸齒波磁場,每個鋸齒波的幅度與對應的槽中安匝數成正比。實際中發(fā)電機轉子表面總是開槽的,有齒部和槽部,而且轉子齒部和槽部的磁導不同,這也將影響磁場的分布。發(fā)電機氣隙磁場波形為梯形波上疊加由鋸齒波磁勢引起的齒槽波磁場和開槽引起的磁導諧波磁場,即齒頂漏磁場。轉子的齒頂漏磁,它也是由槽內導體的電流所產生的,它不與定子鐵芯相交鏈,僅在氣隙中通過齒頂與轉子相交鏈。在不計磁場飽和時,這種齒頂漏磁的磁通密度與槽內安匝數成正比；在勵磁電流不變時,它與槽內有效導體數成正比。因此,某槽內一旦發(fā)生匝間短路,槽內安匝數目發(fā)生變化,齒頂漏磁將隨之發(fā)生變化。發(fā)電機氣隙主磁場和漏磁場,在靠近轉子表面為一個梯形波疊加齒槽紋波,該紋波分量主要是由于轉子開槽和齒漏磁所引起的,其紋波的交情況與轉子齒槽相對應。同時如前所述,轉子齒槽分量幅值與槽內安匝數成正比,因此我們只要檢測出電機齒頂漏磁的變化,就可以獲得發(fā)電機轉子槽內的安匝變化,從而可以判斷匝間短路是否存在。在實際情況中,大型汽輪發(fā)電機由于加工誤差及安裝等引起的N、S極下磁場的不對稱程度是很小的。在不考慮電機內部加工誤差和安裝等引起的氣隙不均勻等因素的前提下,正常運行時汽輪發(fā)電機兩個磁極的各個槽上的磁通密度絕對值應基本相等。如果轉子繞組某槽內線圈出現匝間短路,該槽的有效導體數目減少了相應的數目,在勵磁電流變化不大的情況下,該槽對應的氣隙磁場的齒槽分量將相應地減少。因此可以將齒諧波幅值的變化作為槽內是否發(fā)生匝間短路的一個判據。我們在氣隙適當位置安置探測線圈來測定轉子齒頂漏磁場的變化,根據在探測線圈上感應的電勢來判定被測轉子是否存在匝間短路故障。3發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障的探測線圈法本章描述探測線圈法的測試原理及探測線圈的特點；然后對探測線圈法進行了研究,并通過對大亞灣核電站的探測波形的分析,驗證了探測線圈法的實用性；最后對探測線圈的改進即把定子線圈作為探測線圈的方法進行了研究,對兩種線圈法進行了比較分析。3.1探測線圈法的測試原理發(fā)電機在運行時,轉子繞組通入的直流勵磁電流所產生的磁通可由下式表示：〔3-1式中F一磁勢;一磁導；I1一勵磁電流；W一轉子繞組匝數。磁通通過轉子大齒,經氣隙和定子繞組相交鏈形成回路,稱為主磁通,經氣隙或經定子槽而沒有和定子繞組交鏈的磁通稱為漏磁通。如果在氣隙中置放一段與轉子軸向平行的導線,導線兩端產生的電勢為〔3-2因為〔3-3所以〔3-4式中,L為氣隙中置放導線的有效長度<米>；v為轉子的旋轉速度<米/秒>；B為氣隙中的磁通密度<韋伯/米>；W為氣隙磁通,包括和,S為磁通通過的面積。氣隙磁密的感應電勢和轉子的安匝數成正比。如果轉子繞組內出現匝間短路,氣隙磁密的感應電勢相應地會減少。由于齒槽波峰不太明顯,而且如果是短路匝數比較小時更不易分辨,所以常常在測量回路中接入微分電路<圖3-1>,從而較明顯地反應氣隙中齒槽磁密變化率的波形。圖3-1微分電路Fig.3.1Differentialcircuit輸出電勢的大小和時間常數CR及輸入電勢。對時間的變化率成正比,即<3-5>換算后可得<3-6>式中,e為自然對數底。當t=0時,eR=el：t=RC時,eR=0.37e1；t=10RC時,er=0。所以當t為零時,微分電路的輸入電勢e1,等于輸出電勢eR；當t為時間常的10倍時,一個正半波放電基本到零值,然后反向充電到負的最大值,仍按指數衰減,如此反復形成圖3一2中的波形,因此輸出電勢eR的半波從最大值衰減為零所經歷的時間取10RC為好。那末一個波峰到另一個波峰之間的時間應為t=20RC,時間常數為<3-7>其中<3-8>z為轉子的槽數；f為發(fā)電機的額定頻率。圖3-2輸出波形與時間常數RCFig.3.2theOutputwavesandTimeconstantRC基于上面的原理,可在氣隙中放一探測線圈,直接達到微分目的,也可突出反應齒槽中匝間短路的情況。根據法拉第定律可得探測線圈的感應電勢為：<3-9>上式中,n為探測線圈的匝數。因轉子表面以速度v在運動,故相當于探測線圈對轉子表面以速度v在運動。設探測線圈移動距離為dx,探測線圈的有效邊長為L,則在某一瞬間切割的磁通面積為<3-10>某一瞬間切割磁通<3-11>因為<3-12>所以式<3-9>可以寫成<3-13>若探測線圈只有一匝,則<3-14>從上式可以看出,探測線圈的原理和導線的感應電勢的原理是一樣的,不同的是,探測線圈切割磁通的面積小,但匝數較多,這樣可以較明顯地表現出齒槽磁的變化率；而導線所取得的感應電勢波形需要借助于微分電路才易于辨認。3.2探測線圈的結構及置放探測線圈一般裝設在發(fā)電機的氣隙中,將探測線圈裝在探測管上,并從發(fā)電機外殼打孔經定子鐵芯通風溝插入氣隙,并適當地調節(jié)探測線圈靠近轉子的距離。文獻[8]中指出探測線圈的首選位置應該是距離轉子表面38mm處,但技術的發(fā)展使得在距離轉子表面10-75mm范圍內的線圈均可用于提取波形并進行分析。引線可利用發(fā)電機測溫度裝置接線板上的備用接頭引至機外。探測線圈一般是將絕緣棒的一端車一個小槽,并用高強度的漆包線纏繞。絕緣棒的有效長度L相當于定子線槽的高度；另一端車至探測管的內徑,使其接在探測管上,并用粘結劑固成一整體,稱做探測桿,引線從管內導出。其結構如圖3-3所示：1探測線圈2絕緣棒3探測桿4法蘭圖3-3探測線圈與探測桿結構Fig.3.3Thestructureofdetectioncoilandrod一般發(fā)電機定子的通風溝為8-10mm,所以探測管的外徑要小于通風溝,以便插入通風溝。探測桿的長度是根據發(fā)電機的大小而定的。探測桿前端采用絕緣棒制成,是考慮到金屬管經過線棒時,可能會觸及發(fā)電機定子線圈,發(fā)生意外事故。在實際應用中,為提高檢測的靈敏度,往往不能直接測量磁密波,而是采用對氣隙磁密波微分的方法,即氣隙磁密微分法。測量中使用探測線圈,該線圈是用直徑為0.06-10mm高強度漆包線繞在有機玻璃框架上制成的,其匝數選在50-300范圍內。診斷系統(tǒng)及其功能組成汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路測試系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機為核心,并采用現代電力電子技術及數字網絡技術研制而成。系統(tǒng)的基本組成如下圖圖3-4診斷系統(tǒng)Fig.3.4Diagnosticsystem圖3-5測試系統(tǒng)主界面Fig.3.5theTestsystemmaininterface基本參數傳感器<探測線圈>直流電阻：1#8.2歐姆,2#8.3歐姆,3#8.3歐姆,4#8.0歐姆；采樣頻率:10~5M<Sps>;系統(tǒng)直流精度：-0.2%~+0.2%<FSR>；輸入通道：并行2通道：輸入電壓范圍：lV~10V；輸入輸入阻抗：lM/25PF；A/D分辨率:12bit;輸入信號帶寬：0~1.SMHz；工作溫度：0~50℃；存儲溫度：-25℃~70℃；相對濕度：0~80%。3.2.3傳感器安裝和定位傳感器由探測線圈、信號線及探桿三部分組成。傳感器的安裝和定位遵照安全可靠、使用方便的原則。通常情況下,傳感器從發(fā)電機機殼外側中心水平線以下穿入氣隙,謹防在運行中由于傳感器安裝不牢掉進氣隙,碰觸到高速旋轉的轉子釀成事故;軸向位置應距定子鐵心端部200~30Onun以上,以避開端部磁場的影響;距轉子表面距離應大于l/2氣隙<20mm>。故障判斷由于運行中轉子繞組匝間短路點的短接電阻分散性較大,其分流程度不同,整槽安匝的變化,不僅與短路匝數有關,而且與短路點的接觸電阻大小有關。還由于槽底,槽面的漏磁在氣隙中分布不同<面槽多,底槽少>,以及電樞反應,剩磁、磁回路固有的不均勻性的影響,使氣隙磁密波形的幅值和轉子槽內的安匝數不完全成正比。只能從示波圖上定性的判斷有無匝間短路和嚴重程度,還不能準確的判定短路匝數。通?？砂匆韵虑闆r進行判斷。<l>觀察示波圖與槽對應的各波峰的包絡線是否連續(xù)平滑,凡在兩個半周<指基波而言>的包絡線對應各槽的波峰出現凹縮者,即認為對應的槽中存在短路匝。<2>短路槽波峰凹縮時,同時與其相鄰槽的波峰反而有所升高,凹縮的越深相鄰槽的波峰越高,這是判斷嚴重短路匝的一個特征。<3>如果波峰凹縮只出現一個半周,可改變探測位置,以判斷是否因局部材質的不均勻所造成的。<4>供分析判斷的最佳波形,是發(fā)電機定子三相穩(wěn)定短路工況下所得到的波形。定子電流在額定電流的50~100%時,所得的波形較為清晰。<5>空載時的波形圖,應在定子額定電壓的25~75%時取得,其可辨清晰程度較定子短路時的波形差。3.3大亞灣核電站發(fā)電機組的探測線圈法實例分析圖3-5至圖3-9是大亞灣核電站汽輪發(fā)電機組發(fā)生匝間短路故障時的探測線圈波形圖,文中根據從第一次發(fā)現汽輪發(fā)電機轉子繞組存在匝間短路故障到匝間短路故障逐步發(fā)展的各個階段波形圖的比較,以及相應的計算結果,對匝間短路的情況進行了分析。在分析短路故障的過程中,探測線圈法實現了對發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障的確定及定位。圖3-6是大亞灣核電站2#發(fā)電機轉子發(fā)生匝間短路后第一次