基于開口變壓器法的交流電機(jī)定子鐵心短路故障檢測(cè)

武玉才, 張龍, 白雨卉, 馬明晗, 趙海森, 許國(guó)瑞

(1.華北電力大學(xué) 河北省綠色高效電工新材料與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003; 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

0 引 言

定子鐵心是交流電機(jī)的重要組成部分,為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換提供低磁阻磁路,同時(shí)也對(duì)定子繞組有固定作用[1]。交流電機(jī)運(yùn)行一定年限后定子鐵心性能趨于退化,故障隨之而來(lái),其中最常見的是定子鐵心片間短路?；陔姍C(jī)內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)的特點(diǎn),片間短路處的局部渦流遠(yuǎn)高于正常的片內(nèi)渦流,使得故障點(diǎn)溫度迅速升高[2-3],進(jìn)一步破壞片間絕緣,形成惡性循環(huán),可能使短路疊片數(shù)量、短路點(diǎn)體積不斷增大,造成鐵心燒熔、繞組接地等災(zāi)難性事件[4-6]。大面積更換交流電機(jī)定子鐵心代價(jià)巨大,因此準(zhǔn)確檢測(cè)出定子鐵心片間的早期短路故障十分必要,對(duì)降低故障經(jīng)濟(jì)損失,提高機(jī)組運(yùn)行安全性具有重要意義[7]。

工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)定子鐵心片間短路故障極為重視[8-9]。最初人們主要通過觀察鐵心疊片絕緣和油漆的顏色來(lái)判別是否存在短路故障[10]。隨后出現(xiàn)了全磁通檢測(cè)法,將多股電纜纏繞于定子鐵軛,通過大功率交流電源對(duì)定子鐵心進(jìn)行全磁通勵(lì)磁,利用磁場(chǎng)在故障點(diǎn)的渦流效應(yīng),通過紅外成像設(shè)備檢測(cè)鐵心溫度升高狀態(tài),進(jìn)而判斷定子鐵心是否發(fā)生短路故障[11]。全蘇電力研究所首次使用低勵(lì)磁法檢測(cè)大型發(fā)電機(jī)的定子疊片片間短路,該方法同樣使用交流電源和電纜對(duì)定子鐵軛進(jìn)行勵(lì)磁,在定子鐵軛內(nèi)產(chǎn)生2%～4%的額定磁通,使用磁位計(jì)獲取檢測(cè)區(qū)域的磁壓降來(lái)確定故障點(diǎn)位置[12-13]。文獻(xiàn)[14]基于定子故障檢測(cè)儀(electro-magnetic core imperfection detector,ELCID),將Chattock磁位計(jì)獲取的電信號(hào)進(jìn)行pq分解,通過交軸分量電流的大小和位置判斷故障程度和位置。文獻(xiàn)[15]改進(jìn)了ELCID法,提出一種雙Chattock線圈探頭,提高了對(duì)深層故障的靈敏性。文獻(xiàn)[16]基于低勵(lì)磁法,提出使用特斯拉計(jì)檢測(cè)定子鐵心齒部磁場(chǎng)變化來(lái)判斷是否發(fā)生片間短路故障。文獻(xiàn)[17]提出通過安裝在定子鐵心外部的傳感器檢測(cè)定子鐵心故障。文獻(xiàn)[18]研制開發(fā)了一種Core Tester工作臺(tái),通過放置于定子齒中的線圈反映定子鐵心的故障情況。文獻(xiàn)[19]提出通過檢測(cè)片間短路故障區(qū)域的感應(yīng)電流進(jìn)行故障判別。文獻(xiàn)[20]提出在定子鐵心槽中用一個(gè)小型的實(shí)心探頭取代現(xiàn)有的空心探頭,沿槽軸向掃描檢測(cè)片間短路故障。文獻(xiàn)[21]同樣采用一種新型探頭,區(qū)別在于檢測(cè)部位在定子齒部。文獻(xiàn)[22]基于低勵(lì)磁原理設(shè)計(jì)了一種注入性勵(lì)磁U型傳感器,可以獲取鐵心故障區(qū)域微弱的電氣參量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障位置的鎖定和程度的識(shí)別。文獻(xiàn)[23]提出通過自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)儀獲取鐵心疊片區(qū)域的損耗值,根據(jù)損耗值的波動(dòng)來(lái)鎖定故障位置。

以上檢測(cè)方法一般針對(duì)大型同步發(fā)電機(jī),實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中小容量的交流電機(jī)特別是異步電機(jī)占比較大。這些電機(jī)的工作磁通密度普遍在1.0 T以上,而且同樣存在定子片間短路故障問題。例如:2006年12月,吉林省某開采單位鉆井中的交流電機(jī)定子鐵心溫度過高,出現(xiàn)了部分定子疊片短路,使得定子繞組完全破壞[24];2011～2012年,我國(guó)西部某風(fēng)力發(fā)電企業(yè)出現(xiàn)多次風(fēng)電機(jī)組的定子鐵心片間短路故障,造成數(shù)臺(tái)電機(jī)損壞[25]。

針對(duì)以上現(xiàn)實(shí)情況,我們對(duì)定子鐵心疊片片間短路故障的研究不應(yīng)局限于大型同步發(fā)電機(jī),而應(yīng)泛化到存在鐵心疊片的所有交流電機(jī)領(lǐng)域,針對(duì)各種型號(hào)的交流電機(jī)定子鐵心疊片片間短路故障開展檢測(cè)研究。

本文基于低勵(lì)磁法,以典型交流電機(jī)的定子鐵心疊片短路故障作為研究對(duì)象,提出將檢測(cè)大型同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的開口變壓器法移植到交流電機(jī)定子鐵心片間短路故障檢測(cè)。首先推導(dǎo)定子鐵心故障前后開口變壓器鐵心中磁通的表達(dá)式,進(jìn)一步得到開口變壓器繞組感應(yīng)電壓的表達(dá)式,獲得感應(yīng)電壓在故障前后的變化規(guī)律;然后以一臺(tái)300 MW汽輪發(fā)電機(jī)為例開展有限元仿真驗(yàn)證;最后,在一臺(tái)小型異步電機(jī)定子鐵心上驗(yàn)證了方法的有效性,擴(kuò)展開口變壓器法的應(yīng)用領(lǐng)域,為交流電機(jī)定子鐵心片間短路故障的離線檢測(cè)提供了新思路。

1 交流電機(jī)定子鐵心片間短路故障檢測(cè)原理

定子鐵心大多由0.5 mm的硅鋼片疊壓而成,片與片之間有絕緣漆確保不會(huì)出現(xiàn)短路故障,定位筋焊接在定子鐵心背部。定子鐵心片間短路故障理論上可以發(fā)生在鐵心的任意位置,根據(jù)實(shí)際工況,大多數(shù)是鐵心槽底、槽壁、槽頂會(huì)發(fā)生極窄的線狀片間短路故障,這時(shí)短路故障需要借助鐵心背部定位筋形成如圖1所示短路回路,軛部交變磁通不同在故障點(diǎn)處形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生短路回路電流。

圖1 槽底絕緣破壞與定位筋產(chǎn)生的短路電流示意圖Fig.1 Fault current diagram caused by damaged tooth bottom insulation and locating rib

開口變壓器法的檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。勵(lì)磁線圈通入交流電源,將鐵心中磁通控制在額定的5%以下,通過調(diào)壓器將電壓源調(diào)節(jié)到所需數(shù)值。鐵心沿圓周方向產(chǎn)生磁位梯度,使得相鄰槽之間存在閉合磁路。在檢測(cè)時(shí),開口變壓器的兩個(gè)斷面能夠與定子鐵心相鄰兩齒齒面貼合,部分槽漏磁通經(jīng)開口變壓器鐵心形成閉合回路,并在其繞組上感應(yīng)電壓。開口變壓器貼合定子齒面沿內(nèi)膛軸向方向從一端移動(dòng)到另一端,當(dāng)移動(dòng)到故障點(diǎn)區(qū)域時(shí),交變磁通在短路點(diǎn)、疊片和鐵心背部定位筋間感應(yīng)出短路環(huán)流,該電流產(chǎn)生的磁通部分進(jìn)入開口變壓器鐵心,使開口變壓器繞組感應(yīng)電壓發(fā)生變化,如圖3所示,基于感應(yīng)電壓的變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)定子片間短路故障的定位和程度判斷。

圖2 開口變壓器檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of open transformer detection system

圖3 開口變壓器測(cè)量原理Fig.3 Measurement principle of open transformer

在定子鐵心中心的勵(lì)磁線圈上施加交流電壓源,產(chǎn)生的磁通以該線圈為中心閉合,將磁通路徑按介質(zhì)不同分為4部分:定子鐵心腔內(nèi)磁通Φ空氣1、齒槽處磁通Φ齒槽、鐵軛處磁通Φ鐵軛、鐵心外部磁通Φ空氣2,如圖4所示。

圖4 勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁通示意圖Fig.4 Magnetic flux diagram generated by the excitation coil

勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的總磁通表達(dá)式為

ΦΣ總=Φ空氣1+Φ齒槽+Φ鐵軛+Φ空氣2。

(1)

使用開口變壓器進(jìn)行故障檢測(cè),在正常情況下,開口變壓器繞組內(nèi)部流通的磁通Φ由3部分組成:

1)沿著內(nèi)部空氣路徑閉合的磁通Φ空氣1的一少部分穿過開口變壓器繞組,這部分可以表示為Φ1,這部分磁通可以表示為

(2)

式中:N為勵(lì)磁線圈匝數(shù);i為勵(lì)磁電流;l1為空氣1中磁路長(zhǎng)度;μ0為空氣磁導(dǎo)率;S1為磁路截面積。

2)齒槽區(qū)域的磁通Φ齒槽一部分進(jìn)入開口變壓器鐵心,這部分可以表示為Φ2。齒槽區(qū)域的齒區(qū)為鐵磁材料,磁阻小,而槽區(qū)空氣的磁阻大,可以認(rèn)為磁壓降全部損耗在槽區(qū),定子有n槽,則相鄰2個(gè)齒的磁壓降可以表示為

(3)

根據(jù)磁路歐姆定律,不計(jì)開口變壓器與電機(jī)齒之間的間隙,則進(jìn)入開口變壓器鐵心的磁通可以表示為

(4)

式中:l2為齒槽處磁路的長(zhǎng)度;μFe為定子齒及開口變壓器鐵心的磁導(dǎo)率;S2為磁路的等效面積。

3)電機(jī)鐵心及傳感器硅鋼片渦流效應(yīng)所形成的磁通Φ3,這部分磁通由開口變壓器區(qū)域內(nèi)硅鋼片的片內(nèi)渦流引起,認(rèn)為各片的片內(nèi)渦流大小等相位,用ie表示。

根據(jù)磁路歐姆定律,該磁通表達(dá)式為

(5)

式中k為開口變壓器區(qū)域硅鋼片的片數(shù)。

正常情況下,不考慮飽和及渦流效應(yīng),按磁通疊加原理分析,流過開口變壓器繞組的磁通相量表達(dá)式為

(6)

該磁通在開口變壓器繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(7)

式中N1為開口變壓器的繞組匝數(shù)。

由上式可知,開口變壓器的感應(yīng)電壓主要受勵(lì)磁線圈的電流、匝數(shù)、鐵心兩齒之間的磁壓降影響,這些因素在檢測(cè)過程中不會(huì)發(fā)生太大變化,因此正常狀態(tài)下開口變壓器檢測(cè)各槽的感應(yīng)電壓不會(huì)有顯著差別。

當(dāng)定子鐵心發(fā)生故障,疊片間產(chǎn)生較大的短路循環(huán)電流ig,該短路電流產(chǎn)生的磁通表示為Φ4,該表達(dá)式為

(8)

式中:λ為短路程度系數(shù);l3為短路電流產(chǎn)生磁路的長(zhǎng)度;S3為磁路的等效面積。

根據(jù)磁通的疊加原理,故障狀態(tài)下不考慮飽和及渦流效應(yīng),流過開口變壓器鐵心的磁通相量表達(dá)式為

(9)

根據(jù)以上公式,定子鐵心正常和故障時(shí)的磁場(chǎng)變化如圖5所示。

圖5 正常和故障定子鐵心磁場(chǎng)變化圖Fig.5 Magnetic field variation of normal and fault stator core

圖5中,Φ1、Φ鐵軛是勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通,定子齒B的磁勢(shì)要大于定子齒A,開口變壓器連接兩齒,磁通Φ2從B到A。鐵心故障時(shí),故障點(diǎn)會(huì)通過鐵心背部的定位筋感應(yīng)出短路電流,相當(dāng)于一個(gè)纏繞鐵心的矩形線圈,該短路電流產(chǎn)生與Φ鐵軛相反的磁通,與Φ1方向相同的磁通Φ4,因此正常和故障狀態(tài)下的開口變壓器繞組的感應(yīng)電壓相位相同,故障狀態(tài)下幅值增加。

2 有限元仿真

本文以一臺(tái)QFSN-300-2型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心作為研究對(duì)象,基本參數(shù)如表1所示,建立仿真模型如圖6所示。發(fā)電機(jī)定子鐵心外圍均勻排布18個(gè)定位筋,定位筋與鐵心之間緊密連接。電氣上,定位筋將全部沿軸向排布的鐵心硅鋼片短接。勵(lì)磁線圈設(shè)置在定子鐵心中心,使鐵軛內(nèi)的磁通沿半徑方向均勻分布,勵(lì)磁線圈匝數(shù)設(shè)置為20匝。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)定子基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of turbine generator stator

圖6 定子有限元仿真模型Fig.6 Stator finite element simulation model

仿真模型所使用的汽輪發(fā)電機(jī)工作磁密在1.4～1.7 T(特斯拉)范圍內(nèi),施加的交流勵(lì)磁電壓為27.89 V,勵(lì)磁電流10 A,得到的磁通密度云圖如圖7所示,鐵軛部分的磁通密度在0.059 4～0.072 6 T之間,約為額定磁通的4.2%,磁力線在定子鐵心內(nèi)部均勻分布,如圖8所示。

圖7 磁通密度云圖Fig.7 Magnetic flux density cloud

圖8 磁力線分布圖Fig.8 Distribution of magnetic field lines

2.1 故障位置仿真

選取定子鐵心的1號(hào)槽、14號(hào)槽、28號(hào)槽和42號(hào)槽作為待測(cè)槽,用開口變壓器進(jìn)行檢測(cè),仿真獲取開口變壓器繞組的感應(yīng)電壓波形,如圖9所示。

圖9 開口變壓器繞組的感應(yīng)電壓Fig.9 Induced voltage of open transformer

圖9中,4個(gè)定子槽在開口變壓器繞組上感應(yīng)的電壓波形吻合,表明定子槽空間排布的差異性不影響開口變壓器的檢測(cè)效果,因此,可以僅以某一槽為例開展故障模擬仿真。

選取定子鐵心的14號(hào)槽,在該槽槽底、槽壁中部和槽壁頂部分別設(shè)置金屬性短路故障點(diǎn),如圖10所示,其故障點(diǎn)的短路電流仿真波形如圖11所示?？梢钥闯?短路電流幅值遠(yuǎn)大于正常渦流,且故障點(diǎn)位置不同導(dǎo)致短路電流的幅值存在差別,表明短路電流受故障點(diǎn)位置的影響。

圖10 故障點(diǎn)位置示意圖Fig.10 Fault location diagram

圖11 故障點(diǎn)短路電流Fig.11 Short circuit current at fault point

定子鐵心故障引起的短路電流進(jìn)一步影響定子的氣隙磁密,設(shè)置貼近定子齒端處的圓形路徑,如圖12所示,從起始點(diǎn)到終點(diǎn)逆時(shí)針獲取在1 s時(shí)刻該圓形路徑上的磁密波形圖,如圖13所示。

圖12 圓形路徑示意圖Fig.12 Circular path diagram

圖13中,正常和故障狀態(tài)下磁密波形在非故障區(qū)域極為接近,幅值大致相同接近為0。從正常區(qū)域過渡到故障區(qū)域的磁通密度發(fā)生突變,幅值顯著增加,且隨著故障位置的不同,磁通密度有所變化,以故障點(diǎn)在槽壁頂部為例,故障區(qū)磁通密度幅值相對(duì)于底部下降接近75%。

在開口變壓器檢測(cè)時(shí),變化的磁通穿過開口變壓器繞組,在繞組上感應(yīng)的電壓如圖14所示。

圖14 不同故障位置的開口變壓器繞組感應(yīng)電壓Fig.14 Induced voltage of open transformer winding with different fault locations

由圖14可知,鐵心正常情況下開口變壓器繞組感應(yīng)電壓幅值很小,發(fā)生故障后繞組的感應(yīng)電壓幅值顯著增加。

2.2 故障程度仿真

設(shè)置14槽槽底、槽壁發(fā)生1/6、1/3、1/2、2/3面積的短路,如圖15所示,14槽槽底和槽壁處的短路電流如圖16所示。

圖15 故障點(diǎn)故障程度示意圖Fig.15 Fault point fault degree diagram

圖16 槽底和槽壁故障點(diǎn)短路電流Fig.16 Short-circuit current at fault point of slot bottom and slot wall

圖16中,14槽不同短路程度處的短路電流相位相同,幅值隨短路程度的加深而逐漸變大,短路電流遠(yuǎn)大于片內(nèi)渦流,由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)遠(yuǎn)高于渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),在定子模型內(nèi)設(shè)置圓形路徑(見圖11),獲取不同短路程度下1 s時(shí)刻該圓形路徑上的磁密波形,如圖17所示。

圖17 槽底和槽壁不同程度短路的磁密波形圖Fig.17 Magnetic density waveforms with different short circuit levels at solt bottom and solt wall

對(duì)比圖17(a)和圖17(b),故障區(qū)域的磁通密度幅值突增,槽底故障的磁通幅值大于槽壁處故障,隨著故障程度加深,磁通密度變化更為明顯。

氣隙磁密的變化進(jìn)一步影響了開口變壓器感應(yīng)電壓,如圖18所示。

圖18 槽底和槽壁不同短路程度的開口變壓器繞組感應(yīng)電壓Fig.18 Induced voltage of open transformer winding with different short-circuit levels at slot bottom and slot wall

對(duì)比圖18(a)和圖18(b),槽底故障在開口變壓器繞組的感應(yīng)電壓高于槽壁,以1/6短路為例,槽底故障的感應(yīng)電壓為槽壁故障的2.12倍,感應(yīng)電壓隨短路程度的加深而增加。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建交流電機(jī)定子鐵心短路檢測(cè)平臺(tái)如圖19所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,定子鐵心主要參數(shù)如表2所示,鐵軛上部纏繞150匝線圈,電氣回路中串入1 Ω電阻用于電流采樣,單相調(diào)壓器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓分別為20、30、40和50 V,勵(lì)磁電流分別為0.35、0.42、0.5和0.56 A,采集儀采集電源電壓、電路電流和開口變壓器感應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)。

表2 交流電機(jī)定子參數(shù)Table 2 Stator parameters of AC electric machine

圖19 交流電機(jī)定子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.19 AC electric machine stator subsystem experimental platform

在定子的檢測(cè)線圈加壓20、30、40、50 V下,開口變壓器測(cè)得的1～5號(hào)槽(見圖20)的感應(yīng)電壓如圖21所示。

圖20 定子槽標(biāo)號(hào)圖Fig.20 Stator slot labeling diagram

圖21 不同勵(lì)磁電壓時(shí)的開口變壓器感應(yīng)電壓Fig.21 Induced voltage of open transformer under different excitation voltages

對(duì)比圖21(a)～圖21(d)可以看出,在相同的勵(lì)磁電壓下,1～5號(hào)槽在開口變壓器繞組的感應(yīng)電壓幅值大致相等,相位相同。開口變壓器繞組的感應(yīng)電壓隨著勵(lì)磁電壓的增大而增大,但增速較勵(lì)磁電壓慢。

在3號(hào)槽底和槽壁滴入焊錫模擬短路故障(保證焊錫故障點(diǎn)長(zhǎng)度相同),如圖22所示。在勵(lì)磁電壓為20～50 V下,開口變壓器繞組在故障槽的感應(yīng)電壓如圖23所示。

圖22 不同部位故障Fig.22 Different parts of the fault

圖23 正常和故障狀態(tài)的開口變壓器感應(yīng)電壓Fig.23 Induced voltage of open transformer in normal and fault state

對(duì)比圖23(a)～圖23(d)可以看出,鐵心正常狀態(tài)下開口變壓器感應(yīng)電壓波形大致相同,故障和正常狀態(tài)的感應(yīng)電壓波形相位相同,但感應(yīng)電壓明顯增大,且底部故障感應(yīng)電壓幅值大于槽壁故障,可以作為判斷故障是否發(fā)生及發(fā)生位置的依據(jù),同時(shí)證明了開口變壓器法檢測(cè)交流電機(jī)定子鐵心短路的有效性。

4 結(jié) 論

本文理論分析了開口變壓器檢測(cè)交流電機(jī)定子鐵心片間短路故障的原理,結(jié)合數(shù)值仿真和模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:

1)定子鐵心片內(nèi)渦流遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電流,齒頂處的開口變壓器繞組感應(yīng)電壓主要受勵(lì)磁電流和磁壓降產(chǎn)生磁通的影響,正常情況下的開口變壓器檢測(cè)各槽的感應(yīng)電壓很小且不會(huì)存在較大差別。

2)定子鐵心故障槽發(fā)生片間短路,該處的磁通相較于正常狀態(tài)發(fā)生突變,幅值顯著增加,且隨著短路程度的加深而增大。

3)故障狀態(tài)下故障點(diǎn)的短路電流和開口變壓器感應(yīng)電壓均會(huì)發(fā)生變化,幅值有顯著提高,因此開口變壓器法可以有效診斷交流電機(jī)定子鐵心片間短路故障。