基于勵(lì)磁階躍法的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷

武玉才，王逸仙，徐乾杰，徐劍

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

基于勵(lì)磁階躍法的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷

武玉才1，王逸仙1，徐乾杰1，徐劍2

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)可以縮短故障處理時(shí)間，降低停機(jī)成本。首先分析了匝間短路對(duì)勵(lì)磁回路暫態(tài)阻抗參數(shù)的影響，預(yù)測(cè)當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，在階躍電壓作用下，勵(lì)磁電流的上升速度將變快。為了驗(yàn)證該設(shè)想，利用有限元分析軟件建立了一臺(tái) 300 WM汽輪發(fā)電機(jī)的仿真模型，對(duì)比了短路程度、短路位置對(duì)階躍勵(lì)磁電壓作用下的勵(lì)磁電流上升速度的影響，同時(shí)研究了被短路回路電流、阻尼電流以及定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流的變化規(guī)律。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，最終提出了一種新型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障檢測(cè)方法。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路；Ansoft；階躍電壓；勵(lì)磁電流；上升速度；離線檢測(cè)

0 引 言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路(rotor windings inter-turn short circuit，RWISC)是汽輪發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的電氣故障形式之一。輕微的匝間短路故障機(jī)組仍可以繼續(xù)運(yùn)行，一旦故障惡化，可能引發(fā)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地及兩點(diǎn)接地故障，使得發(fā)電企業(yè)被迫停機(jī)檢修。造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的RWISC故障的準(zhǔn)確診斷十分必要，有效的監(jiān)測(cè)和診斷方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)輕微短路故障，避免故障惡化和擴(kuò)大化，快速確認(rèn)故障位置可以降低機(jī)組停運(yùn)時(shí)間，減小發(fā)電量損失[1-2]。

近些年，汽輪發(fā)電機(jī)RWISC故障的診斷得到了快速發(fā)展，先后出現(xiàn)了一些新的檢測(cè)方法。這些檢測(cè)方法主要分為離線檢測(cè)方法和在線檢測(cè)方法兩類。其中，在線檢測(cè)方法具有及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的特點(diǎn)[3-4]；但由于靈敏度較差，近些年的普及率并不高[5]。離線檢測(cè)方法雖然不能保證實(shí)時(shí)性；但在停機(jī)狀態(tài)下可以有效排除各類干擾，檢測(cè)可靠性較高，多年來(lái)一直被運(yùn)行、檢修人員廣泛使用。

目前已經(jīng)提出的離線檢測(cè)方法包括；空載短路試驗(yàn)法[6-7]、直流電阻測(cè)量法[8]、交流阻抗與損耗試驗(yàn)法[9]、兩極電壓平衡試驗(yàn)法[10]、轉(zhuǎn)子繞組電壓分布試驗(yàn)法[11]、開(kāi)口變壓器法[12]、重復(fù)脈沖RSO試驗(yàn)法[13]等。在這些離線檢測(cè)方法中，部分檢測(cè)方法的靈敏度較低，如空載試驗(yàn)法、短路試驗(yàn)法、直流電阻測(cè)量法，部分方法需要抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子才能進(jìn)行，如轉(zhuǎn)子繞組電壓分布試驗(yàn)法、開(kāi)口變壓器法等。相對(duì)而言，交流阻抗與損耗試驗(yàn)法以及近些年出現(xiàn)的重復(fù)脈沖RSO試驗(yàn)法具有較高的診斷靈敏性和可靠性，在近些年的應(yīng)用中獲得了廣泛的認(rèn)可。

其中一部分離線檢測(cè)方法已經(jīng)被寫入《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T596-2005)，如直流電阻法、交流阻抗法、轉(zhuǎn)子繞組電壓分布試驗(yàn)法等，成為發(fā)電機(jī)維修必須進(jìn)行的試驗(yàn)。為了通過(guò)離線實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確定位RWISC故障，降低盲目、大面積拆除轉(zhuǎn)子槽楔的工作量和停機(jī)成本，對(duì)離線檢測(cè)方法的靈敏度和有效性的要求遠(yuǎn)比在線檢測(cè)方法的要求高。為了提高汽輪發(fā)電機(jī)RWISC故障的離線診斷水平，為現(xiàn)場(chǎng)提供新的檢測(cè)技術(shù)和手段，本文提出了一種基于勵(lì)磁階躍法的汽輪發(fā)電機(jī)RWISC故障診斷方法。

汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生RWISC故障后，受電磁暫態(tài)電抗減小的影響，勵(lì)磁回路的時(shí)間常數(shù)下降。在勵(lì)磁回路施加階躍電壓時(shí)，勵(lì)磁電流的上升速度將下降。本文結(jié)合有限元仿真，研究了勵(lì)磁電流的上升速度與RWISC故障的位置、程度等的關(guān)系，提出了一種新型汽輪發(fā)電機(jī)RWISC故障診斷方法。

1 勵(lì)磁階躍法的基本原理

圖1 RWISC示意圖Fig.1 Schematic diagram of RWISC

根據(jù)基本電磁原理[14]，勵(lì)磁繞組的暫態(tài)電抗均與繞組匝數(shù)的平方成正比;因此，一旦汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障，勵(lì)磁繞組的穩(wěn)態(tài)電抗和暫態(tài)電抗均將出現(xiàn)下降。本文假設(shè)初始時(shí)刻勵(lì)磁繞組的總匝數(shù)為N，發(fā)生短路后，勵(lì)磁繞組的總匝數(shù)為(N-△N)，因此，短路后的暫態(tài)電抗可以表示為

(1)

顯而易見(jiàn)，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，由于勵(lì)磁繞組自身匝數(shù)的減少，轉(zhuǎn)子回路的等值電抗有明顯的下降。

RWISC前的暫態(tài)等效電路見(jiàn)圖2，轉(zhuǎn)子回路的等值暫態(tài)阻抗為

(2)

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，合上圖1中開(kāi)關(guān)K給勵(lì)磁繞組施加階躍的直流電壓時(shí)，勵(lì)磁繞組電流將會(huì)上升，產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng)φ′，該磁場(chǎng)將在轉(zhuǎn)子的阻尼繞組、被短路的勵(lì)磁繞組內(nèi)部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并形成電流。這種情況與三繞組變壓器的中壓側(cè)和低壓側(cè)短路，在高壓側(cè)施加階躍電壓是十分相似的，RWISC后的暫態(tài)等效電路可以表示為圖3，轉(zhuǎn)子回路的等值暫態(tài)阻抗為

(3)

圖2 RWISC前的暫態(tài)等效電路Fig.2 Transient equivalent circuit before RWISC

圖3 RWISC后的暫態(tài)等效電路Fig.3 Transient equivalent circuit after RWISC

參照式(1)—式(3)可知，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后，轉(zhuǎn)子繞組的暫態(tài)阻抗明顯下降，其中下降幅度最大的是暫態(tài)電抗，轉(zhuǎn)子回路的等值電阻略有下降。

轉(zhuǎn)子回路的時(shí)間常數(shù)可以表示為

(4)

式中：L′為轉(zhuǎn)子回路的等值暫態(tài)電感；R為轉(zhuǎn)子回路的等值電阻。

從式(4)可知，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后，受發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗和等值電阻改變的影響，轉(zhuǎn)子回路的暫態(tài)時(shí)間常數(shù)也將明顯下降；因此，在轉(zhuǎn)子繞組上施加階躍電壓時(shí)，勵(lì)磁電流的上升速度相對(duì)于正常情況下將明顯加快。根據(jù)勵(lì)磁電流的上升速度即可判定轉(zhuǎn)子繞組是否發(fā)生了匝間短路故障。

2 數(shù)值仿真

2.1 仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，本文以一臺(tái)QFSN-300-2型汽輪發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，采用Maxwell軟件建立該發(fā)電機(jī)的二維仿真模型，通過(guò)有限元工具計(jì)算勵(lì)磁電流上述速度與RWISC程度間的關(guān)系。該發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表1，所建立的發(fā)電機(jī)2維模型見(jiàn)圖4。

圖4 QFSN-300-2型汽輪發(fā)電機(jī)幾何模型Fig.4 Geometry model of QFSN-300-2 type turbine generator

表1 QFSN-300-2型汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of QFSN-300-2 type turbine generator

影響仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素是轉(zhuǎn)子的阻尼系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)的阻尼系統(tǒng)是由各轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的鋁合金槽楔與轉(zhuǎn)子大齒上的阻尼銅條在端部通過(guò)梳齒環(huán)短接共同構(gòu)成的。本文依據(jù)實(shí)際情況在Maxwell中建立轉(zhuǎn)子阻尼模型，如圖5所示。圖中轉(zhuǎn)子槽楔選用鋁合金材料，阻尼材料的電導(dǎo)率設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)子阻尼材料的電導(dǎo)率Table 2 Electrical conductivity of rotor damping materials

為了完成勵(lì)磁階躍，需要用開(kāi)關(guān)控制勵(lì)磁電壓的施加。因此，將用Maxwell軟件搭建好的發(fā)電機(jī)模型導(dǎo)入Simplorer軟件中，搭建發(fā)電機(jī)的外圍電路及控制部分，進(jìn)行場(chǎng)路耦合聯(lián)合仿真，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖5 阻尼系統(tǒng)基本構(gòu)成圖Fig.5 Basic structure of damped system

圖6 Simplorer電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of simplorer circuit

在聯(lián)合仿真模型中設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)械輸入端施加0 r/min轉(zhuǎn)速，機(jī)械輸出端口接地，定子繞組接無(wú)窮大負(fù)載(相當(dāng)于開(kāi)路)。勵(lì)磁階躍試驗(yàn)應(yīng)保證轉(zhuǎn)子繞組的安全性，不能出現(xiàn)過(guò)流，勵(lì)磁電流上升至穩(wěn)態(tài)時(shí)不應(yīng)使主磁場(chǎng)出現(xiàn)過(guò)飽和。本文在轉(zhuǎn)子繞組兩端施加100 V階躍電壓。

2.2 變因素下勵(lì)磁階躍法的有效性仿真

1)短路程度的影響。

汽輪發(fā)電機(jī)輕微RWISC故障的檢測(cè)難度最大，因此，仿真首先設(shè)置了轉(zhuǎn)子1號(hào)槽繞組未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到勵(lì)磁電流在各種輕微短路程度下的上升曲線，如圖5所示。

由圖7可知，在RWISC故障后，勵(lì)磁電流上升速度明顯快于未短路時(shí)的勵(lì)磁電流上升速度，短路匝數(shù)越多，勵(lì)磁電流上升速度越快。圖8為各短路狀態(tài)下勵(lì)磁電流相對(duì)于繞組正常時(shí)的偏差情況。

圖7 1號(hào)槽短路時(shí)勵(lì)磁電流上升曲線Fig.7 Excitation current rising curve when a short circuit exists in No.1 slot

由圖8可知：當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)RWISC故障后，在相同的時(shí)間點(diǎn)，勵(lì)磁電流相對(duì)于正常情況出現(xiàn)了明顯的偏差。在勵(lì)磁階躍的初始階段(0～0.2 s)，勵(lì)磁電流的偏差最大，但不能體現(xiàn)短路程度，在后期(0.2～1 s)，勵(lì)磁電流相對(duì)于正常值的偏差開(kāi)始與短路程度趨于一致。這樣，通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的上升速度，將其與同條件下的歷史測(cè)試值比較，當(dāng)勵(lì)磁電流上升速度明顯變快時(shí)即可判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生了匝間短路故障。

圖9為轉(zhuǎn)子大齒附近位置的阻尼銅條電流隨短路程度的變化規(guī)律?？梢钥吹?，阻尼電流在短路發(fā)生后略有增大，但增大幅度并不十分顯著。

圖8 1號(hào)槽繞組短路時(shí)勵(lì)磁電流上升速度的相對(duì)偏差Fig.8 Relative deviation of the rising speed of the exciting current when a short circuit exists in No.1 slot

圖9 1號(hào)槽短路時(shí)阻尼電流Fig.9 Damping current when a short circuit exists in No.1 slot

圖10為被短路轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部的電流，可以看到，對(duì)于輕微的1匝短路故障，被短路繞組內(nèi)部的電流上升速度是非?？斓?，隨著短路匝數(shù)增加，回路內(nèi)電流的上升速率明顯下降。該現(xiàn)象主要是因?yàn)楸欢搪防@組的電抗參數(shù)與其匝數(shù)的平方正相關(guān)，被短路繞組的電阻值則與短路匝數(shù)正相關(guān)；因此，隨著短路匝數(shù)的增加，其短路阻抗增大、時(shí)間常數(shù)增大，降低了回路內(nèi)電流的上升速度。

在仿真結(jié)束時(shí)刻(1 s時(shí))，發(fā)電機(jī)氣隙主磁場(chǎng)的分布見(jiàn)圖11。此時(shí)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流接近150 A，但氣隙磁通密度值較小，最大值僅為0.12 T左右，這是因?yàn)樽枘崂@組電流(圖9)產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)起到抵消作用，使得主磁場(chǎng)偏弱。此外，同樣是受阻尼磁場(chǎng)的影響，圖11中正常極磁場(chǎng)的幅值與仿真1 s時(shí)刻的勵(lì)磁電流(圖9)并非成正比關(guān)系。從圖11還可以看到，受匝間短路的影響，左側(cè)磁極較繞組正常時(shí)明顯偏弱，短路越嚴(yán)重，故障極磁場(chǎng)下降量越大。

圖10 1號(hào)槽短路時(shí)被短路回路電流Fig.10 Current in short circuit loop when a short circuit exists in No.1 slot

圖11 1 s時(shí)刻發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)Fig.11 Generator air-gap magnetic field at 1 second

2)短路位置的影響。

為了研究短路位置對(duì)勵(lì)磁電流上升速度的影響，設(shè)置轉(zhuǎn)子8號(hào)槽繞組未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到勵(lì)磁電流在各種輕微短路程度下的上升曲線，見(jiàn)圖12。

圖12 8號(hào)槽短路時(shí)勵(lì)磁電流上升曲線Fig.12 Excitation current rising curve when a short circuit exists in No.8 slot

圖13為8號(hào)槽RWISC時(shí)的勵(lì)磁電流相對(duì)于正常情況下的偏差。

圖13 8號(hào)槽繞組短路時(shí)勵(lì)磁電流上升速度的相對(duì)偏差Fig.13 Relative deviation of the rising speed of the exciting current when a short circuit exists in No.8 slot

通過(guò)將圖13與圖8比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)短路發(fā)生在8號(hào)槽時(shí)，勵(lì)磁電流在趨于穩(wěn)定時(shí)與正常值的偏差更大，該現(xiàn)象可以通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的基本結(jié)構(gòu)來(lái)解釋，見(jiàn)圖14。

圖14中，轉(zhuǎn)子1號(hào)槽繞組靠近大齒(參照?qǐng)D4)，所覆蓋的磁極面積小于8號(hào)槽所覆蓋的面積，當(dāng)兩個(gè)槽發(fā)生同匝數(shù)的短路故障時(shí)，8號(hào)槽短路時(shí)穿過(guò)被短路繞組的總磁通量比1號(hào)槽的大，短路繞組感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)更大，回路電流隨之變大，見(jiàn)圖15。因此，8號(hào)槽被短路繞組所產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的抵消效果更好，等效電感更小，故8號(hào)槽短路時(shí)勵(lì)磁回路的時(shí)間常數(shù)比1號(hào)槽短路的值小，勵(lì)磁電流的上升速度更快。

圖14 轉(zhuǎn)子繞組分布示意圖Fig.14 Schematic diagram of rotor winding distribution

圖15 8號(hào)槽短路時(shí)被短路回路電流Fig.15 Current in short circuit loop when a short circuit exists in No.8 slot

圖16為轉(zhuǎn)子大齒位置的阻尼銅條電流曲線，與圖9類似，阻尼電流受短路程度影響仍然不顯著，且與1號(hào)槽短路相比，阻尼電流的大小十分接近，對(duì)短路位置并不敏感。

3)定子繞組并聯(lián)支路的影響。

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后，氣隙磁場(chǎng)將不對(duì)稱，出現(xiàn)幅值增大的偶數(shù)(1對(duì)極)或分?jǐn)?shù)次諧波(2對(duì)極)磁場(chǎng)。由于定子繞組普遍采用短距結(jié)構(gòu)，每相繞組通常由并聯(lián)的2條支路構(gòu)成，如圖17所示。兩條支路間錯(cuò)開(kāi)一定的角度，在勵(lì)磁階躍過(guò)程中，幅值漸增的偶數(shù)(1對(duì)極)或分?jǐn)?shù)次諧波(2對(duì)極)磁場(chǎng)將在定子一相繞組的兩條支路的感應(yīng)不平衡電勢(shì)，受此影響，并聯(lián)回路內(nèi)部將出現(xiàn)幅值漸增的環(huán)流。

圖16 8號(hào)槽短路時(shí)阻尼電流曲線Fig.16 Damping current when a short circuit exists in No.8 slot

圖17 定子繞組回路Fig.17 Stator winding circuit

圖中：實(shí)線箭頭表示定子支路電流的正方向；虛線箭頭表示定子回路電流的正方向；①—③表示回路序號(hào)。

RWISC后，盡管定子繞組開(kāi)路狀態(tài)，對(duì)外無(wú)電流，但定子一相繞組的2條支路內(nèi)部將出現(xiàn)環(huán)流，該環(huán)流可能對(duì)勵(lì)磁電流的上升速度產(chǎn)生一定的影響。

圖18和圖19分別為轉(zhuǎn)子1號(hào)槽短路和8號(hào)槽短路時(shí)定子一相繞組內(nèi)部環(huán)流。轉(zhuǎn)子繞組未短路時(shí)定子電流接近于零，短路發(fā)生后，定子電流在勵(lì)磁階躍階段有明顯的上升，并且隨著短路匝數(shù)的增多，環(huán)流的增大幅度也變大，原因是短路程度越嚴(yán)重，主磁場(chǎng)中的偶次諧波(以2次為主)幅值越大，則定子一相繞組中兩條支路中的環(huán)流也越大。圖18的2次諧波環(huán)流明顯大于圖19的情況，這是因?yàn)?號(hào)槽繞組短路產(chǎn)生的空間偶次諧波磁場(chǎng)幅值更大?？傮w來(lái)看，該環(huán)流幅值較小，對(duì)勵(lì)磁電流的上述速度基本不構(gòu)成影響。

圖18 1號(hào)槽短路定子一相繞組環(huán)流Fig.18 Circulation in a stator phase winding when a short circuit exists in No.1 slot

圖19 8號(hào)槽短路定子一相繞組內(nèi)部環(huán)流Fig.19 Circulation in a stator phase winding when a short circuit exists in No.8 slot

在仿真結(jié)束時(shí)刻(1 s時(shí))，發(fā)電機(jī)氣隙主磁場(chǎng)的分布見(jiàn)圖20，該圖與圖11具有相似的特點(diǎn)，但8號(hào)槽繞組短路造成故障極磁場(chǎng)的下降量小于1號(hào)槽相同匝數(shù)的繞組情況，這表明：對(duì)于本仿真所用汽輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)短路匝數(shù)相同時(shí)，短路位置越靠近大齒，造成的磁場(chǎng)不對(duì)稱程度越嚴(yán)重。

通過(guò)以上分析及仿真結(jié)果可知：在汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組上施加階躍電壓，根據(jù)勵(lì)磁電流的上升速度就可以確定汽輪發(fā)電機(jī)是否發(fā)生了RWISC故障。

圖20 1 s時(shí)刻發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)Fig.20 Generator air-gap magnetic field at 1second

3 可行性分析

通過(guò)以上分析及仿真結(jié)果可知：在汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組上施加階躍電壓，根據(jù)勵(lì)磁電流的上升速度就可以確定汽輪發(fā)電機(jī)是否發(fā)生了RWISC故障。然而，本方法應(yīng)用過(guò)程中有些問(wèn)題需要注意：

1)階躍電源選擇以及階躍電壓的確定問(wèn)題。勵(lì)磁階躍法需要保持施加在勵(lì)磁繞組上的電壓不變；因此，需要選擇恒壓源，應(yīng)選擇內(nèi)阻很小的蓄電池或高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)電源。階躍電壓的選擇應(yīng)參照發(fā)電機(jī)的空載額定電壓，一般確定電源電壓為發(fā)電機(jī)空載額定電壓的1/5以下即可。這樣，可以避免升勵(lì)磁過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)流和鐵心飽和等問(wèn)題，同時(shí)也降低了恒壓源的電壓等級(jí)和功率，更便于選擇設(shè)備，縮減體積。

2)施加階躍時(shí)長(zhǎng)及勵(lì)磁電流上限的確定。勵(lì)磁繞組的等效電感遠(yuǎn)大于其等效電阻值；因此，當(dāng)給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組施加階躍電壓的時(shí)候，勵(lì)磁電流的上升速度較慢。鑒于RWISC故障在施加階躍初期已經(jīng)可以通過(guò)勵(lì)磁電流上升速度進(jìn)行判斷，因此不需要等到勵(lì)磁電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)即可切斷階躍電源。切斷電源的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)綜合考慮診斷效果和階躍電源的容量來(lái)確定?？梢詫?shí)時(shí)的勵(lì)磁電流值作為跳閘斷電的依據(jù)，實(shí)行自動(dòng)跳閘。

3)跳閘瞬間操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}的解決。在施加階躍電壓后，勵(lì)磁電流開(kāi)始增加，這是發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)開(kāi)始儲(chǔ)能，斷開(kāi)電源瞬間勵(lì)磁回路將產(chǎn)生操作過(guò)電壓。為避免這一問(wèn)題，可以在斷開(kāi)電源前瞬間在勵(lì)磁回路端口并聯(lián)一個(gè)電阻(類似發(fā)電機(jī)的滅磁電阻)，將使得磁場(chǎng)儲(chǔ)能通過(guò)該電阻逐漸消耗。

4)勵(lì)磁電流采集。給勵(lì)磁繞組施加階躍性質(zhì)的電源時(shí)，勵(lì)磁電流是緩慢上升的，傳統(tǒng)的電流互感器無(wú)法準(zhǔn)確采集該勵(lì)磁電流；因此，應(yīng)將采樣電阻串入回路中，采樣電阻的阻值應(yīng)盡量小，以降低對(duì)勵(lì)磁回路阻抗參數(shù)的影響，采樣電阻的耐受電流值應(yīng)大于實(shí)驗(yàn)的最大勵(lì)磁電流值。

5)診斷方法的產(chǎn)品化。開(kāi)發(fā)基于勵(lì)磁階躍法的RWISC故障自動(dòng)診斷裝置，設(shè)備內(nèi)部包含恒壓源、自動(dòng)投切開(kāi)關(guān)、滅磁電阻、采樣電阻以及數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，具有數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)調(diào)用、智能分析和診斷等功能，則該方法的應(yīng)用將較為方便，具有測(cè)試速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，與同類方法對(duì)比具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于勵(lì)磁階躍的新型離線檢測(cè)方法，通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生RWISC故障后，在轉(zhuǎn)子繞組兩端施加階躍電壓時(shí)，勵(lì)磁電流的上升速度明顯快于未短路時(shí)的上升速度，短路匝數(shù)越多，勵(lì)磁電流上升速度越快。

2)勵(lì)磁電流的上升速度還與短路位置有關(guān)。相同的短路匝數(shù)情況下，短路位置越靠近大齒，勵(lì)磁電流的上升速度越慢，反之，勵(lì)磁電流的上升速度越快。

3)勵(lì)磁電流的上升速度對(duì)RWISC故障有靈敏的反映；因此可將勵(lì)磁階躍法作為RWISC故障的常規(guī)檢測(cè)方法使用，通過(guò)開(kāi)發(fā)智能診斷設(shè)備將提升該方法應(yīng)用的便利性。

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(編輯：張 楠)

Diagnosisofinter-turnshortcircuitfaultinrotorwindingofturbogeneratorusingexcitationstepmethod

WU Yu-cai1，WANG Yi-xian1，XU Qian-jie1，XU Jian2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2.Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou 350003,China)

Fast and accurate detection of rotor winding inter turn short circuit fault can shorten the processing time and reduce the cost.Influence of inter-turn short circuit in excitation circuit on transient impedance parameter was analyzed,and it was predicted that,under the action of step voltage,the rise speed of the excitation current will become faster when inter turn short circuit occurs in generator rotor winding.In order to verify the assumption,a simulation model of a 300 WM turbine generator was established using a finite element analysis software,the excitation current rising speeds under the step excitation voltage were compared considering the variation of short circuit level and position,at the same time,the variation of the currents in the short-circuit loop,the damping loop and the stator winding parallel branches were studied.The simulation results verified the correctness of the theoretical analysis.A new detection method was proposed for rotor winding inter-turn short circuit fault in turbo generator.

short circuit of field windings; Ansoft; step voltage; exciting current; rising speed; off-line detection

10.15938/j.emc.2017.09.004

TM 311

:A

:1007-449X(2017)09-0022-09

2016-09-29

河北省自然科學(xué)基金(E2016502031)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2017MS106)

武玉才(1982—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榇笮桶l(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷；王逸仙(1990—)，女，碩士，研究方向?yàn)榇笮桶l(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷；徐乾杰(1992—)，男，碩士，研究方向?yàn)榇笮桶l(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷；徐 劍(1980—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)和分析診斷。

武玉才