匝间短路的分析判断

匝间短路的分析判断（精选8篇）

匝间短路的分析判断 篇1

转子绕组发生匝间短路, 不外乎制造和运行两方面的原因。

制造方面:如制造工艺不良, 在转子绕组嵌线、整形等工艺过程中损伤了匝间绝缘;活绝缘材料中存在有金属硬粒, 刺穿了匝间绝缘造成短路。

运行方面:在电、热、和机械等的综合应力作用下, 绕组产生变形、位移, 致使匝间绝缘断裂、磨损、脱落或脏污等造成匝间短路。

当转子绕组发生匝间短路时, 严重者使转子电流增大, 绕组温度升高, 限制电机的无功功率, 甚至引起绕组的振动增加, 导致被迫停机。因此, 必须通过试验找出匝间短路点, 并予以消除, 使发电机能够正常运行。

200 1年3月1 5日, 松江河发电厂型号为SF-J 80-28/6 95 0的1号发电机发生故障, 经检查发现有1个切向磁轭键松动掉落在发电机下导风板上, 将发电机下导风板三个导风板连板刮掉, 其中一块连板进入定转子气隙中, 进一步检查发现发电机定子线圈下部喇叭口区域多处定子线棒绝缘被击伤, 并有定子线棒击穿及熔铜, 发电机转子的28个磁极下部都有共有78处不同程度的击伤而造成匝间短路, 这样, 在整个转子的检修中, 匝间短路的处理就变成了最重要的问题, 而对于匝间短路的分析判断就变成了首要的问题, 通常检测转子绕组匝间短路的方法有以下几种。

(1) 测量转子绕组的直流电阻。

(2) 比较短路和空载特性曲线。

(3) 测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗。

(4) 感应电势法和直流压降计算法。

在这几种方法中, 最常用的是测试转子直流电阻和测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗这两种方法, 下面对这两种方法进行一下介绍。

1 测量转子的直流电阻

1.1 试验目的

检查磁极绕组有无匝间短路现象。

1.2 接线

把单个磁极或整体转子当作一个电阻R x (图1) 。

1.3 试验仪器

(1) QJ31直阻电桥:量程1×10-5~10Ω, 电流2A以下。

(2) 3391直阻电桥:量程1×10-3~10Ω, 电流10A。

(3) 接触电阻测试仪:量程0~9999μΩ, 电流100A。

说明:QJ31直阻电桥为最普通 (老式) 的直流电阻测试仪, 其性能稳定, 较为直观;339 1直阻电桥相对自动化程度较高, 充电电流较大, 速度快, 是较为理想试验仪器;接触电阻测试仪是微欧计, 其主要测试阻值很小且无电感的设备, 有一定局限性。

1.4 试验方法

(1) 用Q J3 1直阻电桥测试时, 先调节检流计零位, 给定电源后手动调节电阻档位, 使检流计归零, 为电桥平衡。读取电阻档上的数值即为测量电阻值。

(2) 用33 91直阻电桥测试时, 给定电源, 启动即可显示阻值, 复测2次, 计算平均值。

1.5 测试结果分析如表1

单个磁极交接时, 约5mΩ以上, 修前4mΩ以上, 修后5 mΩ以上。先说明一下:修前测试数据不应作为永久数据, 因当时使用QJ44直阻电桥有问题 (后来发现的) , 数据偏低。那么, 只有修后与交接比较。规程规定, 只有整体转子要求, 又没有单个磁极规定, 因此我们同样用单个磁极与修前比较, 找差距作为参考。发现23号磁极数据与修前比较差距较大, 但不影响整体结果。这种比较也有其不足, 因为不知道交接时所用的何种测试仪, 以及测试条件, 同时, 由于规程的描述有点模糊, 也对这一规定存在不同的看法, 有的人认为:只要整体结果不超标即可;也有的人认为:即使整体不超标, 如果单个或几个超标较多, 该如何处理?希望规程能再明确一下。测得的数据如何比较?先把不同温度的交接与修后测试值换算成75℃电阻值, 进行计算比较。例如:23号磁极, 交接时直流电阻为5.03mΩ, 温度5℃, 修后直流电阻为5.36mΩ, 温度15℃。根据预防性试验规程换算公式:

其中:T为铜导线的计算常数, 为235;R1、R2分别为温度t1 t2时的电阻值。

计算如下:

根据计算, 在测量直流电阻较准确的条件下, 当绕组短路匝数的数量超过总匝数的2%及以上时, 直流电阻减小的数值才能大于2%, 并且在实际测量时还会有些测量误差。因此, 直流电阻的灵敏度是很低的, 不能作为诊断匝间短路的主要方法, 只能作为综合诊断时的参考。这项试验不能作为一种判据来使用。

2 测量转子绕组的交流阻抗与功率损耗

2.1 试验目的

测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗, 与原始 (或前次) 的测量值比较, 是判断转子绕组有无匝间短路比较灵敏的一种方法。这是因为当转子绕组中发生匝间短路时, 在交流电压下流经短路线匝中的短路电流约比正常线匝中的电流大n倍 (n为线圈总匝数) , 它有强烈的去磁作用, 并导致交流阻抗大大下降, 功率损耗却明显增加。

2.2 接线 (图2)

2.3 方法

电压表要用短而粗的导线直接接于被测转子绕组ZQ的滑环1、1`上。由调压器T分级升压, 同时测量电压U、电流I和功率P然后按下式计算交流阻抗Z, 即

式中

Z为转子交流阻抗, Ω;

U为测量电压, V;

I为测量电流, A。

将测量的Z和P值与原始测量值比较, 分析判断转子绕组有无匝间短路。

2.4 使用仪器

ZX-5 3k VA调压器 (单个磁极用) ;Z X-3 0 2 4 k V A调压器 (整体用) ;0.5级电流表 (0~2.5~5A) ;0.5级电压表 (0~10 0V) ;0.5级瓦特表。

2.5 测试结果分析

由试验记录 (表1) 可知, 修后1、修后2及交接试验记录结果差别较大, 可以解释为修后1是指在磁极拆下之后没有剩磁的干扰情况下测试的, 较小;修后2是指磁极挂装之后, 受转子磁轭剩磁的影响, 较大;至于交接记录, 因不了解当时的试验条件, 无法比较。试验规程要求在相同的试验条件下与历年数值比较, 不应有显著变化。上次大修没有吊转子, 所以单个磁极无法比较, 只能相互间比较没有明显变化即可。本次单个磁极记录只能作为下次大修试验的比较依据, 那么只有转子整体交流阻抗的比较了 (如表2) , 阻抗、损耗及电流没有明显变化, 故认为合格。

注意事项:为了避免相电压中含有谐波分量的影响, 宜采用线电压测量, 并同时测量电源频率;试验电压峰值不能超过转子的额定电压, 并断开励磁回路 (膛内试验) 。

3 新仪器及方法的使用

本次大修前, 新购进了1台日本HIOKI352 0型数字电桥, 它的测试范围较广, 可测直流电阻、交流阻抗、电感、电容、相角、功率因数 (说明书所载) 。这是其他仪器所不具备的, 而且它即可串接又可并接于被试品, 它的频率也是可调的, 调整范围在40Hz~100k Hz之间, 试验接线也较为简单, 只要将其通入220V交流电源, 即可测试。可以取缔以往的复杂接线, 大大减少了中间环节, 也将试验中的人为误差降到最低, 可以大大提高试验结果的准确性, 并且测试速度快, 较为直观, 易于掌握。正是由于它的这些优点, 在本次处理转子匝间短路的过程中, 我们将其引入, 经过实验, 我们发现了它的有条件优点。由于水轮发电机是显极式转子, 处理时可将转子摘下, 而火电厂的气轮发电机转子为隐极式, 所以这种方法是否适用于火厂, 还有待于研究。由于是将转子从磁轭上摘下, 所以采用它的效果较好。在试验时, 以2号线圈为例, 选择170Hz的测试频率, 先测得整体的电感为2.08m H, 这时用一小段铜线我们发现在线圈相邻两匝短路时, 电感变化要比阻抗变化明显, 故对各个磁极均做了测试, 结果 (表2) 基本稳定。

但也有一定的差别, 28个磁极电感在2.08 m H~2.2 6 m H之间, 为什么差异这么大呢?分析产生差异的原因主要是和线圈的尺寸以及铁心的尺寸有关, 原因是由于这次大修中更换了6组线圈, 换线圈时发现, 新线圈与旧线圈尺寸不同, 旧线圈尺寸为1 9 2 3×4 4 0 m m, 而新线圈尺寸为1 9 2 6×400mm, 这样, 线圈的长度发生变化, 电感数值就不同了, 同时也造成了气隙的变化, 引起磁通的变化, 最终影响了电感的数值。总的看来, 这种电桥测试单个磁极的匝间短路, 还是有比其他仪器设备先进的地方。同时在使用中, 也发现了这个电桥有两个缺点:一是做转子整体交流阻抗及电感, 数值单位较大不易比较 (短路一两匝发现不了) , 这就限制了它这一功能在日常试验中的使用;二是抗干扰能力较差, 受工作现场电磁场影响较大。针对这一个缺点, 可以考虑测试时现场另1台发电机停机状态, 又没有人使用电动工具的情况下, 提高测试频率, 选几个不同的频率档位 (电桥自身功能) , 躲开50Hz工频极其整数倍频率的干扰, 测试单个磁极结果作为下次大修的依据, 更适用于新安装机组, 可以为发电机积累原始数据, 便于以后的检修和事故分析。从这点看还是一个较好的新的试验方法。但这种方法只在转子磁极及线圈离开磁轭的情况下, 进行了实验, 未在磁极挂装后实验, 不知效果如何。这个仪器的其他功能, 比如:测试电容、相角、功率因数等还有待于进一步的实验检验。

4 结语

先进的仪器设备, 不仅会带来精确的试验结果, 同时, 也会大大的减少试验人员的劳动强度, 并且节省时间, 提高劳动效率, 同时, 新的试验方法也会随之而来, 引进新设备的同时, 也是新技术的引进, 只要将新技术、新设备与各自的具体实际相结合, 就一定会使设备更加安全、稳定的运行。

参考文献

[1]陈化钢.电气设备预防性试验方法[M].水利电力出版社, 1996.

匝间短路的分析判断 篇2

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

0 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。

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。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。

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。

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。

2 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。在后面的内容将通過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。

3 结论

在充分认识发电机转子结构的基础上，分析了发电机气隙磁场，对发电机气隙磁场构成进行了解析，重点对气隙磁场中槽漏磁场进行了分析，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的检测机理。将小波多分辨率分析与小波分解频带能量分析方法运用到发电机定、转子气隙微型探测线圈感应的产生的电势信号分析处理中。并用实验证明了该方法的准确性与有效性。在总结虚拟仪器技术运行机理，选择广泛应用LabView图形化编程语言，采用常规虚拟仪器的组成架构，利用探测线圈磁通传感器、信号调理模块、LDI320数据采集卡、工控机搭建了检测系统，充分利用软硬件结合的优势，开发了一套发电机转子绕组动态匝间短路故障检测系统软件，动模实验表明无论从灵敏度还是准确性上，该系统适合检测发电机转子匝间短路故障。

参考文献

[1] 张志猛.汽轮发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究[D].北京：华北电力大学学位论文，2012.

[2] 冯复生. 大型汽轮发电机近年来事故原因及防范对策[J].电网技术，2012，23（1）： 74-78.

匝间短路的分析判断 篇3

“转子”存在于任何旋转式的发电机中。对于大型发电机转子电气状态是否良好, 我国有一整套完善的测试方法和标准, 如GB/T 1029-2005《三相同步电机试验方法》、GB 50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》等。但对遍布全国各地不计其数的中小型发电机转子而言, 由于测试条件的限制, 有时可能无法严格按照规程实施。然而, 因制造瑕疵、运行中系统冲击、使用日久绝缘老化等原因, 发电机转子匝间短路故障经常发生。轻微的匝间短路对运行没有太大影响, 但若不及时发现和处理, 故障将进一步扩大, 会造成转子因磁场畸变而使机组振动加剧, 励磁电流增大、发热、无功出力受限, 也可能造成两点接地产生很大电流而损坏转子, 甚至引起线圈烧毁而酿成事故。

1 常规试验方法

常用的试验方法有下述两种: (1) 测量转子的直流电阻, 将测量数值与产品出厂数值换算至同温度下的数值进行比较, 其差值不超过2%为正常[1,2]。此方法对大范围匝间短路检测可靠, 但对环境温度和转子温度要求苛刻, 且国家规定的2%差值实际不能灵敏检测仅发生于一、二匝间的短路, 因而需配合其他方式使用。 (2) 测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗。此法测量转子各个磁极的交流阻抗, 将结果相互对比, 如果没有明显差别, 即判断为没有匝间短路。这两种方法对于检查大型发电机 (励磁电压高、线圈电阻大, 交流阻抗大) 反应比较灵敏, 但由于影响交流阻抗的因素较多, 如转子的物理结构等, 且由于机组容量不同, 有时难以在现场找到量程合适的功率表。因此, 上述两种方法不适用于中小型发电机。而其他测量方法如微机在线检测等先进技术, 由于结构及成本原因也不适用于中小机组。

实践证明, 对于中小型发电机使用电压分布法更简单有效, 因此本厂20多年来一直采用此法, 在3台机组中多次发现问题并迅速修复。

2 电压分布法试验实例

广东汕尾市南告电厂的1#至3#机组是韶关水轮机厂1982年生产的, 出力15MW, 额定电压6.3kV, 8磁极显极式转子, 转子额定励磁电压Un=172V, 属中型发电机。在历年预防性试验中, 由于转子单个磁极的试验电压较低 (约15V) , 一直未能找到量程合适的标准功率表, 采用常见功率表测试因量程较大 (75V×5A以上) , 存在指针偏转过小而误差很大的情况, 因此一直未能准确测试出单个磁极的功率损耗。针对这种情况, 在检查是否存在匝间短路时, 我们采用了电压分布法, 即在相同电流下测量各磁极线圈的电压降。实践证明, 该方法可以快速找出故障点。

在最近一次大修时, 将机组转子吊出膛外, 按图1接线进行匝间短路试验, 所测得数据见表1。

(1) 解体检查和故障分析

由表1得知, 第3极电压明显降低。排除其他可能的因素外, 判断该极存在匝间短路。拆下磁极撑块, 用探针测量每4匝之间的电压 (每极共80.5匝) , 发现最内面的4匝电压特别低, 再每匝测电压, 准确测出第2、3匝之间的电压为零, 确定了故障的具体位置, 示意图见图2。

(2) 故障排除

这种发电机的修理材料是由原制造厂提供的, 厂家为了证实我们的试验结果, 给单个磁极施加15A的交流电流, 监视磁极温度。由于短路的线圈会产生短路电流而迅速发热, 用手触摸绕组各部, 确定短路点在第2、3匝处无误, 并找出最热点在图2所示处。采用这种方法施加在磁极上的电压高达64V, 远高于规定的最高试验电压 (见下式) , 但其方法可以参考。

除去外绝缘, 看见匝间的云母绝缘层已破损, 2、3匝粘连在一起, 厂家对绝缘层进行修补后, 再次用电压分布法试验, 已恢复正常。

(3) 故障原因分析

该机组至今已运行了20多年, 因地处山区, 输电线路漫长且翻山越岭, 机组经受了无数次系统冲击, 转子在经常受到机械应力、离心力、热应力和电磁力的综合作用下, 层间绝缘被磨损而造成匝间短路。从该实例分析可知, 对于运行年久的机组, 除停产大规模更换部件外, 加强电气试验, 及时发现故障是降低成本、保证安全生产的关键。

3 结束语

在不具备常规试验条件时, 仅检查电压分布就可以间接反映阻抗分布。因为只需测量相对的电压值, 所以不一定要高精度的表计。只要操作得当, 确实是一种简单易行、迅速高效的方法。由于遍布全国山区的中小型水电站多采用显极式转子, 作为应急试验, 应为首选。

参考文献

[1]中华人民共和国电力工业部.DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].

匝间短路的分析判断 篇4

变压器作为电网中的重要设备, 一旦出现故障, 将会严重影响企业的正常生产, 造成重大经济损失。随着国网公司及社会对供电可靠性要求的不断提高, 对变压器的质量要求也越来越高, 及时分析变压器故障原因及其防范措施显得十分必要。据统计, 变压器匝间短路故障达到大中型变压器故障的50%~60%。

1 故障简介

某变电站#2主变型号为SSZ9-50000/110, 联结组标号为YNyn0d11, 于2008年7月投运。2011年5月27日, 该变压器本体油样检测到微量乙炔, 用特征气体法分析为低能放电不涉及固体绝缘, 跟踪数据稳定。2013年6月28日, 该站2台主变分列运行, #1主变供10kV系统, #2主变供35kV系统;下午35kV线路遭雷击引起其A相及主变开关间隔相隔板C相对地击穿, 然后发展成三相短路, #2主变差动保护动作。经检查, #2主变油色谱和短路阻抗检测数据正常。2013年7月3日19时05分, #2主变第一次空载冲击合闸时差动保护启动, #2主变本体轻、重瓦斯非电量保护动作, 110kV桥开关及#2主变10kV开关跳开。

2 试验分析

2013年7月4日, #2主变本体油、气样数据见表1, 用“三比值”法分析, 根据IEC规则, 油样为低能或高能放电, 气样高能放电;根据国标, 气、油样均为低能放电;由“大卫三角法”分析气样为高能放电, 油样为过热或放电。

主变三侧及铁芯绝缘电阻的检测结果见表2, 主变高压线圈、铁芯绝缘正常, 中、低压线圈绝缘损坏, 中压线圈对地较之低压对地 (包括铁芯) 绝缘损坏更严重。

μL/L

MΩ

由主变绕阻直流电阻 (见表3) 可知, 主变本体35kV侧绕组直流电阻相间互差为5.65%, BmO相绕组直流电阻较之交接值纵比减小5.02%, B相中压线圈存在匝间短路等故障可能。10kV侧ab相绕组直流电阻现场检测数据不稳定, 较之交接值纵比减小94.22%, ca、bc相绕组直流电阻测试数据正常;对于D型接线方式, ab相线圈首尾引出线之间可能存在与电压有关的短路故障, 如放电、杂质小桥等。

mΩ

由主变短路阻抗测试值及计算值 (见表4、表5) 可知, 中对低、中对高及低对高短路阻抗相间互差均超规程2.5%的标准, B相中对低及中对高短路阻抗与铭牌值比均减少10%左右, 说明B相中压线圈存在匝间短路或线圈轴向升高变形。根据变压器短路阻抗计算公式可知, 其大小和加压侧线圈匝数平方成正比, 与测试线圈 (如中、高线圈) 的平均高度成反比。当短路阻抗减少10%时, 如果是匝间短路故障则约有5%线匝短路, 如果是轴向升高故障则中压线圈需升高约20%, 由变压器结构和运行经验可判断后者是不可能的, 因此B相中压线圈存在匝间短路的可能性较大。三相低对高短路阻抗均接近零, 说明各线圈引出线在电压作用下形成短路, 由于短路阻抗测试电压比直流电阻测试电压高, 因此cz、ax相线圈引出线也出现了短路现象。

Ω

Ω

2013年7月3日, #2主变空载冲击合闸时的故障录波图显示, 仅B相励磁涌流没有直流分量。由励磁涌流形成特性可判断, 合闸瞬间加在B相高压线圈上的电压是运行电压的峰值, 在B相各线圈上形成的合闸过电压最高, 各线圈首端匝间承受的电位梯度最大, 最易发生匝间短路故障。结合上述分析, 故障点在中压线圈上部的可能性极大。

3 解体情况

#2主变采用国内常用的心式结构, 高压线圈采用纠结式, 中压线圈采用连续式, 低压线圈采用螺旋式, 铁芯采用三相心柱式拉板结构。根据试验结果及分析情况, 该主变需返厂解体进一步确认故障原因。

2013年7月5日, #2主变吊罩后发现, 在C相低压侧下夹件与侧梁中间连接螺丝的接触面上有放电或过热形成的黑斑。拆除上轭后发现, 在A、B相铁轭下的压板有两块长条状铜质熔块 (如图1所示) , 估计是从铁轭上掉落到压板上的, 压板上还有大量大小不一的块状和颗粒状金属铜杂质, 压板侧面及底面有黑迹。线圈上部端绝缘在A、B相铁扼对下的位置上有大片黑迹。

拔出高压线圈后发现, 中压线圈上部端圈在A、B相间位置上拱变形, 该位置下面的中压线圈3个线饼有一电弧烧灼形成的约50mm的黑洞, 如图2所示。

3个线饼轴向扭曲变形严重, 黑洞正对的中低压线圈之间的绝缘纸板已烧穿, 中压线圈出线边有一块状金属铜杂质, 出线正对的线圈内侧有少量叠在一起的颗粒状金属铜杂质, 线圈中下部有二处轻微幅向凹凸变形。低压线圈上部绝缘端圈在黑洞正对位置绝缘损坏发黑, 铁芯绝缘损坏。从损伤情况来看, 故障在B相中压线圈上数下第二饼内侧处首先发生的可能性极大。

4 故障原因及修复措施

综上所述, 本次故障原因是:由于B相中压线圈存在设计或制造瑕疵, 在二倍合闸过电压的作用下, 电位梯度最大区域的上数下第二饼内侧击穿发展成匝间短路;形成的短路电弧使电磁线熔化, 熔化液向内及向上喷出, 造成中低压线圈及铁芯间绝缘损坏, 主变本体重瓦斯动作;溶化液在油中冷却后, 在A/B相铁扼上、B相压板上及中低压出线间形成大量块状、颗粒状金属杂质, 引起低压直流电阻及短路阻抗异常;匝间短路形成的电动力使B相中压线圈上三饼严重轴向扭曲变形, 故障点溶化短接在一起, 造成中压B相直流电阻减低;另外, 由于C相低压侧下夹件与侧梁中间连接螺丝接触不良, 该螺丝悬浮放电, 使变压器在运行一段时间后出现色谱异常。

根据故障原因, 采取了针对性的修复措施:在考虑各种严重操作过电压的情况下, 对变压器绝缘余度重新进行设计、计算验证;更换所有中压线圈, 电磁线采用半硬自粘性换位导线, 以提高线圈的机械强度;更换损伤的铁芯片及损坏的绝缘件。修复后的变压器目前运行情况良好。

5 结束语

变压器匝间短路故障是比较常见的一种绝缘故障, 轻微的匝间短路不易发觉, 且变压器仍可运行。另外, 变压器结构复杂、涉及材料较多, 产生的故障呈现多样性、分散性和模糊性等特点。因此, 为了提高变压器产品质量、故障综合分析能力, 应从多方面采取防范措施。

(1) 变压器制造厂应加强设计、工艺、制作水平控制, 留有裕度, 严控电磁线、绝缘件等原材料的质量, 保证变压器质量。供电公司应加强监制, 特别是线圈套装及出厂试验的监制验收工作, 在短时感应耐压试验时, 应检测局部放电量, 对局部放电量过大的应查明原因。

(2) 限制电网操作过电压水平, 如在主变断路器上加装合闸电阻, 在变压器线圈上加装氧化锌避雷器等。

(3) 对有缺陷的变压器应及时加装油色谱、局部放电在线监测系统, 以加强监视;暂时无法加装的, 应开展油色谱、局部放电的带电检测工作, 实时评价设备健康状况, 确保其安全运行。

(4) 变压器在受到过电压引起的突发短路冲击后, 除进行色谱、短路阻抗等常规测试外, 还应进行85%试验电压下的短时感应耐压试验及耐压前后的色谱试验, 以检查线圈匝间及对地绝缘情况。

参考文献

[1]DL/T 596—1996电力设备预防性试验规程[S]

[2]DL/T 722—2000变压器油中溶解气体分析和判断导则[S]

[3]DL/T 1093—2008电力变压器绕组变形的电抗法检判断导则[S]

匝间短路的分析判断 篇5

近年来,中国水电事业得到了迅猛发展,水电站的建设规模及单机容量都在不断增大,人们对水轮发电机的安全可靠运行提出了越来越高的要求。励磁绕组匝间短路是发电机时常发生的电气故障,会造成发电机励磁电流增大、输出无功减小,短路点处局部过热,还可能使其演化为转子接地故障[1]。同时,短路会引起气隙磁场的畸变[2],加剧发电机的振动[3],给机组安全稳定运行带来巨大威胁。

利用发电机运行中的电气量实现对励磁绕组匝间短路故障的实时在线监测与保护不需附加装置,也不需对电机进行改造,是今后研究的方向[4,5,6]。利用多回路分析法已实现对发电机励磁绕组匝间短路故障的计算,并经过了实验验证[7],迈出了对励磁绕组匝间短路故障研究关键的一步。但较之汽轮发电机,大型水轮发电机的定子绕组连接复杂且连接方式多种多样,目前对其故障特征及其机理的研究(特别是分数槽发电机)还不够充分,对故障时气隙磁场及定、转子各电气量稳态谐波特征的分析还较模糊。

本文以三峡左岸VGS发电机为例,同时结合常见的水轮发电机定子绕组连接方式,从分析故障时励磁绕组和定子绕组产生的磁动势性质及其在气隙磁场中的相互作用入手,推导了定、转子电流的稳态谐波次数的一般性通式。并利用多回路方法进行计算,验证了分析方法的正确性。本文的研究加深了对励磁绕组匝间短路故障特征及其机理的认识,为故障在线检测与保护奠定了理论基础。

1 三峡VGS发电机定子绕组连接形式分析

附录A为三峡VGS发电机的主要参数。该发电机采用分数槽波绕组,定子槽数Z=510,极对数P=40,每极每相槽数q=17/8,每个单元电机由分布在8个极下的51槽组成,共10个单元电机。

根据定子绕组连接表得到A相绕组分布如图1所示。分析可知,定子每相的5个分支在空间上依次互差2π/5机械弧度(5个分支均匀分布在整个电机圆周)。同时,不同相的对应分支在空间上依次互差2π/15机械弧度(未在图中示出)。

励磁绕组匝间短路故障时定子相绕组是完整的,但短路会造成相绕组内部的不平衡[2],因此本文以定子支路为基本单元,分析故障后定、转子电流稳态特征。

2 励磁绕组匝间短路时定子电流特征

2.1 励磁电流直流分量产生的磁动势及磁场分析

励磁绕组匝间短路会造成励磁绕组各极下的结构差异(除非各极发生相同匝数短路),不失一般性,以一极下的励磁绕组发生短路为例进行分析。

同步电机发生励磁绕组匝间短路后,励磁绕组分为正常励磁回路与故障附加回路[7]。不考虑磁路饱和,将故障后励磁磁动势看作正常励磁回路产生磁动势与故障附加回路产生磁动势的叠加。正常励磁回路产生的磁动势在每极下的分布情况相同,而相邻极下由于励磁绕组绕向相反而方向相反,在空间上一对极重复一次,包含空间基波和3次、5次等奇数谐波磁动势。因此只需分析励磁故障附加回路产生的磁动势即可完成对故障后励磁磁动势的分析。

如图2所示,假设第1极下的w匝励磁绕组发生匝间短路,这w匝励磁绕组流过直流电流I时,将产生矩形波磁动势,对其进行谐波分析,在整个电机圆周[-Pπ,Pπ]区间,有

式中:P为极对数;x为建立在转子上的坐标(电角度,原点取在转子d轴上)。

由于矩形波磁动势对转子坐标d轴对称,所以式(1)中只有余弦项。其中:

式中:β为励磁线圈短距比,由于凸极机的励磁绕组可看作集中的整距绕组,因此β=1。

则

从式(3)可以看出,当k为偶数时,Fk=0。因此,励磁故障附加回路产生的磁动势不含偶数次谐波,含基波、奇数次谐波及1/P,2/P等分数次谐波。这些磁动势作用于不均匀气隙中将产生一系列谐波磁场,以k=v/P(v=1,2,…)次磁动势为例:

在不考虑齿、槽影响的前提下,气隙磁导系数[8]为:

因此

从式(6)可知,励磁故障附加回路直流分量电流产生的磁场含基波、奇数次及分数次谐波。其中,含λ0的项表示与励磁磁动势同次的空间磁场,而由于气隙磁导谐波的影响,气隙磁场还含有v/P±2l次谐波,这些磁场都随转子同步旋转。

2.2 励磁磁场在定子各分支感应电流的特征

发电机绕组设计的基本原则是:对应于空间基波磁场,同相各分支位置相同[9]。因此,对于各种多分支同步电机,励磁电流直流分量产生的空间基波及奇数次谐波磁场在同相所有分支都会感应出相同的电动势,联网运行时同相各分支会感应出同相位的基波和奇数次谐波电流。

而空间分数次谐波磁场在同相各分支感应出的电动势相位可能不同,从而产生相应频率的不平衡分支电流,同相各分支之和等于0,所以相电流中没有相应频率的分量。因此,励磁电流直流分量产生的磁场会在定子相绕组内部产生分数次谐波环流。

3 励磁绕组匝间短路时转子电流特征

为便于分析电枢反应磁场在转子绕组感应电流的频率,分别考虑定子相绕组内部不平衡分数次分支电流及三相对称的基波及其他次谐波相电流的影响。

3.1 定子绕组不平衡分支电流产生的一相磁动势

与三峡左岸VGS发电机类似,官地(2P=60,Z=630,a=6)、拉西瓦(2P=42,Z=504,a=7)、龙滩(2P=56,Z=624,a=8)等水轮发电机的同相各支路都均匀分布在整个电机圆周,仅并联支路数不相同。

为得到一般性通用结论,考虑一台极对数为P的发电机,且各相的n个(n>1)分支在空间上依次互差2π/n机械弧度。因此各分支不平衡电流的各次谐波有效值均相等,且时间相位互差2πP/n电弧度,则A相第m支路的μ/P(μ=1,2,…)次电流(m=1,2,…,n)为:

式中:为μ/P次谐波电流的有效值;ω0为同步角频率。

第m支路的μ/P次谐波电流产生的v/P(v=1,2,…)次谐波磁动势为:

式中:为各分支μ/P次电流产生的v/P次磁动势的幅值;α为建立在定子上的空间坐标(电角度,坐标轴与定子A相第1支路轴线重合)。

从而A相绕组产生的合成磁动势为:

利用三角函数积化和差公式将各分支产生的磁势分解为正、反转2个磁势的合成,反转分量为:

当μ+v≠kn(k=1,2,…)时,式(10)为:

当μ+v=kn(k=1,2,…)时,式(10)为:

由上可知,只有当μ+v=kn(k=1,2,…)时,同相各分支不平衡电流产生的合成电枢反应磁动势存在反转分量。同理,只有当|μ-v|=kn(k=0,1,…)时,合成电枢反应磁动势存在正转分量。

3.2 定子不平衡分支电流三相合成电枢反应磁动势

下面将考虑空间上依次互差2π/15机械弧度的不同相对应分支不平衡电流产生的三相合成电枢反应磁动势。同样地,为得到通用的结论,假设电机不同相对应分支在空间依次互差2π/3n机械弧度(满足此条件的发电机不同相对应分支对称)。

由式(7)可知,a1分支的μ/P(μ=1,2,…)次电流为:

由于不同相对应分支对称,各相分支电流各次谐波有效值均相等,则b1,c1分支的μ/P次谐波电流为:

各分支μ/P次谐波电流产生的v/P次磁动势为:

三相合成磁动势为:

仍然以反转分量为例分析。前已得出,只有当μ+v=kn(k=1,2,…)时,同相各分支不平衡电流产生的合成电枢反应磁动势存在反转分量。在这个前提下,分析上式可知,只有当μ+v=3kn(k=1,2,…)时定子相绕组内部不平衡环流产生的三相合成磁动势存在反转分量。同理,只有当|μ-v|=3kn(k=0,1,…)时三相合成磁动势存在正转分量。

3.3 转子绕组附加谐波电流频率

定子μ/P次分支电流产生的v/P次磁动势的极对数(等于磁动势谐波次数乘以电机的极对数)是v,若μ+v=3kn(k=1,2,…),则磁动势为反向旋转,相对定子的转速是-μω0/v,相对转子转速为(μ+v)ω0/v。

与2.1节的分析类似,v/P次反转谐波磁动势作用于不均匀气隙中将产生一系列谐波磁场,以与磁动势同次的空间磁场为例,该磁场在转子绕组(包括励磁绕组和阻尼绕组)中感应电流的频率正比于旋转磁场相对于转子的转速(机械角速度)和旋转磁场极对数的乘积。因此,在转子绕组中感应的电流频率为:

对其他次旋转磁场的分析同上,限于篇幅和推导的繁杂不再一一详述。经过分析发现,尽管v/P次磁动势产生的磁场转向有正转也有反转,且谐波次数多种多样,但它们在转子绕组中感应电流的频率均为(3n/P)kω0(k=1,2,…)。

除定子相绕组内部不平衡分支电流会在转子绕组引起附加谐波电流外,发电机联网运行时定子三相对称的基波及其他次谐波相电流(对应同相各分支相等的分量)产生的某些谐波磁动势也会引起转子谐波电流。由文献[10]可知,该电流会产生6k+μ次正转和6k-μ次反转磁势(μ=1,5,7,…),进而在转子回路中感应出6k次谐波电流。由于2P/n为整数,则6k⊂(3n/P)k。

由上述结论可知,三峡左岸VGS发电机发生励磁绕组匝间短路故障时,除励磁绕组的直流分量电流以外,转子励磁回路和阻尼回路只含3k/8(k=1,2,…)次谐波的交流电流。

3.4 推广与总结

除了类似三峡左岸VGS发电机同相各支路都均匀分布在整个电机圆周的定子绕组空间分布形式外。诸如长河坝(2P=42,Z=504,a=6)、糯扎渡ALSTOM(2P=48,Z=576,a=8)等偶数分支发电机具有另一种定子绕组空间分布方式。图3为长河坝发电机定子绕组空间分布图。

从图3中可看出,A相的6个并联支路分2组对称,a1,a2,a3和a4,a5,a6分别在空间依次互差2π/3机械弧度。

对于这种定子绕组空间分布形式的发电机,也可按照本文的方法进行分析,总结如表1所示。

4 故障的定量计算及分析

为了验证本文所提出的分析方法的正确性,并定量化故障特征为故障的检测及保护提供依据,本文利用经过实验验证的多回路方法[7]计算了三峡VGS发电机额定联网负载工况下发生励磁绕组匝间短路的定、转子各回路电流。

图4列出了励磁绕组发生16极短路(占励磁绕组总匝数的20%,短路电阻RfkL=0)故障的仿真波形,其中每一行左边的波形是故障前后整个过渡过程的波形,在t=40 s时励磁绕组发生匝间短路,那么t<40 s的波形代表故障前的正常稳态运行状态,t>40 s的波形代表发生故障后的过渡过程;右边的图代表故障后的稳态波形。

为定量化分析故障特征,通过傅里叶分解可得稳态电流中各种谐波有效值。表2中列出了励磁绕组发生20%匝间短路(对应图4的稳态波形)及1.25%短路(1极短路)故障前后各电流中主要分量的有效值。

从表2可以看出,虽然定子支路电流出现了1/40次,2/40次,3/40次等分数次谐波(限于篇幅,表中未一一列出),但励磁电流中的交流成分却只包括3/8次,6/8次,9/8次等分数次谐波,这与理论分析完全一致,证明了前文分析方法的正确。

故障后励磁电流直流分量的大小近似与总等效匝数(正常绕组的匝数-短路匝数)成反比,这是在认为励磁回路电压源保持不变且不考虑电源内阻抗的假设条件下得出的,与实际系统可能略有差异。故障前后定子三相电流几乎不变的现象,也是基于该假设条件得出的,因为该情况下匝间短路的励磁绕组产生的基波磁动势几乎没有变化。若考虑电源内阻抗,由于励磁绕组产生的基波磁动势会小于故障前的正常值,会造成定子相电流随短路匝数的增加而减小。尽管如此,故障后的定子相电流仍是三相对称的工频电流。

从表1看到,励磁绕组20%匝间短路时,稳态励磁电流的谐波成分中,幅值最大的是频率接近于100 Hz的15/8次(即75/40次)谐波电流,不过在励磁绕组的正常部分,这个15/8次谐波电流还不到直流分量的1.5%,实际检测会很困难。定子分支电流中幅值最大的谐波分量是频率接近50 Hz的39/40次和41/40次谐波,其大小已超过相电流(基波)的10%。如果提取分支电流的39/40次和41/40次谐波作为参考量,并将动作值取为相电流额定值的5%,理论上可反应这个故障。

但同时也应认识到,除非发生与励磁绕组匝间短路等效的匝数较大的转子两点接地短路,一般较难发生如此多短路匝数的匝间短路故障。而当短路匝数较小时,由于励磁电流产生的磁动势不会造成气隙磁场的明显畸变,对定子分支电流的影响较小,检测起来会比较困难。而大型水轮发电机一般极数很多,发生在某一极绕组内的匝间短路较难通过定子电流的变化来检测。比如三峡VGS发电机共80极,即使1极绕组全部短路,定子分支谐波电流中主要是2/40次谐波,其有效值只有193.56 A,而基波电流达4 764.06 A,实际检测该谐波比较困难。

5 结语

本文从理论分析及定量计算两方面对大型水轮发电机励磁绕组匝间短路的稳态故障特征进行了深入的研究,结论如下:

1)故障后定子各分支电流不再相等,会出现不平衡分数次谐波电流,而故障前后三相电流几乎不变,主要都是三相对称的基波成分。

2)故障后励磁绕组电流直流分量的大小近似与总等效匝数成反比;励磁电流除直流分量外,还包含与定子绕组分布和连接方式有关的交流分量。

这些特征不同于机端外部短路[8]、定子匝间短路[11]、转子偏心[12]等其他故障,可作为励磁绕组匝间短路故障的检测依据。另外,通过本文分析得到的定转子电流谐波特征可应用于对故障稳态计算[13]的进一步简化研究中。另外,从本文的计算中可以看出,小匝数短路的故障特征量不明显,同时定子幅值最大的谐波分量是频率接近50 Hz的39/40次和41/40次谐波,对故障特征的提取与识别将是今后的研究重点。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgsgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

匝间短路的分析判断 篇6

大型汽轮发电机转子匝间短路故障在发电厂屡有发生,此类故障会造成发电机带无功能力下降、转子接地、磁化、机组振动甚至被迫停机,因此要重视发电机转子匝间短路故障。发电机转子匝间短路故障的判断方法较多,影响测试结果的因素也较多,发电机转子匝间短路故障的分析应采用多种方法综合分析、判断。本文就A电厂原2号发电机转子绕组匝间短路故障用交流阻抗和功率损耗、交流电压分布、发电机短路曲线三种方法,结合发电机运行状态下带无功能力下降、调节励磁时伴随有较大振动等异常现象来综合分析。

1 A电厂原2号发电机转子绕组匝间短路情况简介

A电厂原2号发电机系罗马尼亚提供给我国的330 MW火电机组,该发电机是罗马尼亚引进法国ALSTHOM技术生产的,1995年出厂,1998年4月投产发电。2005年2号发电机因定子绕组绝缘故障停机转入大修,该电厂电气试验人员按照《电力设备预防性试验规程》的要求,对2号发电机转子做膛外交流阻抗试验,试验中发现2号发电机转子交流阻抗和功率损耗较2003年有较大变化,试验人员结合现场实际条件,排除了剩磁、试验接线、线径、表计误差、环境等影响因素,怀疑2号发电机转子绕组存在匝间短路故障。为了进一步确定,试验人员对2号发电机历史数据进行整理分析,同时对机组运行情况进行调查。调查发现:2号发电机运行中频繁出现振动超标问题;带无功能力明显下降;调节励磁时伴随有较大的振动;发电机汽机前箱频繁打齿轮;该发电机端出现励磁机断轴事故。作为一个大的轴系系统,以上几个主要事故不可避免地对发电机转子绕组造成影响,发电机带无功能力下降和励磁调节时出现大的振动是转子匝间短路故障在运行中的现象[1],它也反映出2号发电机转子绕组存在匝间短路故障。

2 A电厂原2号发电机转子绕组匝间短路故障分析过程

现行《电力设备预防性试验规程》要求:发电机转子直流电阻与原始数据比较变化不超过2%,交流阻抗和功率损耗与原始数据比较不因有明显变化[2]。表1是A电厂原2号发电机转子绕组历年膛外交流阻抗和功率损耗数据。由表1看出:转子绕组直流电阻变化不大,但是交流阻抗呈下降趋势,功率损耗呈上升趋势;2003年功率损耗增长8.91%,交流阻抗下降2.88%,交流阻抗下降虽不多,但功率损耗明显增长,这组数据反映出该发电机转子在2003年已经存在轻微匝间短路的可能性,只是当时未引起注意,未作进一步的检查。

直流电阻灵敏度较低不能作为判断匝间短路的有效方法,交流阻抗和功率损耗是判断转子匝间短路故障比较灵敏的方法,但是影响因素较多[3]。为了进一步确定转子匝间短路故障的存在,2005年2号发电机大修时,在东方电机厂技术人员的帮助下,电气试验人员从2号发电机转子滑环端通风口用带有绝缘的探针分别测量两个磁极和两个磁极上各对称槽绕组的分布电压,以确定转子绕组匝间短路是否真实存在。转子交流分布电压法接线见图1,测试位置、数据见表2。对于交流分布电压法的判断标准东电技术人员建议:各对称位置电压不平衡≥3%怀疑匝间短路,各对称位置电压不平衡≥5%视为匝间短路。发电机的两个磁极是对称的,正常情况下各对称位置分布电压也是对称的,如果发电机转子绕组出现匝间短路,则故障槽绕组分布电压相比对称槽绕组的分布电压低。分布电压与交流阻抗成正比例关系,交流电压分布法影响因素少、结果准确可靠。通过表2看出:转子两滑环加交流电压100 V,外滑环至中心线(磁极1)比内滑环至中心线(磁极2)分布电压低10 V,证明外滑环至中心线间7个槽绕组有匝间短路,其幅值达10%;外滑环至中心线第1-6槽比内滑环至中心线第1-6槽分布电压低8.4 V,匝间短路幅值达8.4%;其他对称槽分布电压基本平衡。交流分布电压法测量结果表明:外滑环至中心线第5-6槽存在匝间短路故障,其幅值达8.4%。

2005年7月大修结束,按照《电力设备预防性试验规程》要求进行2号发电机空载、短路试验,试验人员对2003年与2005年的空载、短路特性进行了比较分析,发现空载、短路曲线分别出现较大幅度的下降,这一现象也反映出2号发电机转子存在匝间短路故障,图2是2003年与2005年短路曲线图,从图2中可以清楚地看出2线较1线明显下降。

3 小结

近年来投运的大机组较多,当前的绝缘材料和工艺使大型发电机单纯的绝缘事故减少,大机组的振动现象成为主要问题,而发电机转子匝间短路故障是大型机组产生振动的一个主要因素。结合A电厂原2号发电机转子匝间短路反映出来的情况,提出以下建议:

(1)转子交流阻抗下降3%左右时应引起注意,注意功率损耗上升情况、运行状态中无功有无下降情况、励磁调节时是否伴随有较大振动,此外还因结合检修对发电机转子进行详细检查试验。

(2)建议加装转子匝间短路故障在线检测装置,可以直观准确地进行发电机转子气隙漏磁感应电势波形的录取察看来判断有无转子匝间短路。

参考文献

[1]张亚磊,段志善.国产600 MW汽轮发电机组轴系异常振动分析与处理[J].陕西电力,2010,38(1):64-66.

[2]DL/T596-1996,电力设备预防性试验规程[S].

匝间短路的分析判断 篇7

1 及时判断匝间短路方法

功率损耗法与交流阻抗法是目前我国发电厂判断转子匝间绝缘的一项主要方法。高速旋转的转子在正常工作状态下,通过离心力,槽内线匝向槽楔压去,这样既增加了阻尼效应,使转子槽齿与槽楔能够紧密接触,同时也使线匝槽内的有效高度得到减少,随着转速的不断升高,阻抗则有规律地降低。针对机组状态相同的情况,在匝间短路时,功率损耗会升高,阻抗值会产生突变。在对匝间短路故障进行判断时,功率损耗法和交流阻抗法无法直接得到结论,因为方法不能确切判断出匝间短路以及匝间短路的程度,这就给进一步的检查和处理带来难度,难以判断出应采取哪种措施来进行维护。

在早期判断转子绕组匝间短路故障时,理论上都可采用在线监测的微分线圈法、开口变压器法、空载短路特性试验法、直流电阻法等,但是因在实际应用中很少用到这些方法,所以,实际应用中较为受限。近些年,推出了一种新的早期检测转子绕组匝间短路的方法,它就是反射法,从理论上来看,采用反射法对匝间短路缺陷进行检测是十分理想的。在研发反射法时,对其进行了试验,例如:对发电机转子两级采用双脉冲信号发生器施加冲击波,而在传播脉冲波时,遇到阻抗,就会产生折射波和反射波。两组响应特性曲线科采用双通道录波器进行录入,两组响应特性曲线的差若为一条直线,说明两响应曲线是相同的同时表明了短路现象未在匝间存在。若两组响应特性曲线差不是一条直线,那么说明短路或者异常现象存在于匝间。我们可以通过波阻抗位于故障位置的变化大小来掌握匝间短路的程度,判定时可以采用差值波形的平展程度。短路故障的程度是否严重可以通过差值波幅的大小来进行了解,绕组匝间存在的异常信息也可以通过差值波形来进行获取。短路点的大致所在科依靠波突起的位置进行查明。

2 查找匝间绝缘缺陷

以某电厂为例进行实例介绍。某电厂3号发电机转子抽出后,试验了转子功率损耗以及转子交流阻抗。在分析了功率损耗以及交流阻抗的试验数据后,显著增加了功率损耗,转子交流阻抗也表现出11%的最大变化率。功率损耗和交流阻抗在200 V电压下,均未大于10%,但是我们依然能够判断出轻微匝间短路现象存在于发电机。对此,为了能够准确查找出故障位置,确认故障程度,我们实施了诸多试验,进而验证方法的有效性。

试验方法具体可分为6个步骤。步骤一:确认故障科采用RSO重复脉冲法,RSO试验用于转子盘车状态,当转子旋转一周之后,通过测试图,在转子盘车的不同位置处出现了轻微匝间短路,轻微匝间短路迹象被显现出来。步骤二:为了能够准确判断故障在外环极还是在内环极,则需开展两级电压试验。抽出转子后,与200 V、100 V交流电压进行连接,分别对内环极和外环极对跨极线施加电压进行测量。具体的方法参见图所示。根据图我们得知,通入200 V时,内环极小于外环极,且小12 V,而通入100 V时,内环极小于外环极,且小6 V。通过该试验,可以我们可以确定匝间短路的现象存在于转子内环绕组中。步骤三:为确定故障线包,试验转子分包压降。由集电环将一定交流电压通入,将电压值为该包上的压降测量出来,因为短路匝电流具有显著去磁功能,因此,线包处若存在故障时,电压值会产生显著下降。通过分析测量数据,就可以确定出故障的具体位置。步骤四:确定短路位置,匝间直流压降试验,将100 A直流电流通入两级集电环,在存在匝间缺陷线包上,对相邻匝上电压的分布情况进行测量。具体测量方法如图2所示。通过示意图我们可以看出,与其他匝间电压相比,第二至第三匝间电压要明显偏低,通过该方法可以判断出匝间短路点的位置。其位置就在内环极八号线圈第三至第二匝间。步骤五:在热态下,采用RSO重复脉冲阀进行缺陷检查,加热后的RSO测试曲线在护环拔下过程中,故障特征被显著显现,故障点可根据故障特征图谱进行判断。步骤六:RSO缺陷消除及故障的处理,拔下护环后,在故障处发现匝间绝缘被碳化,并呈现黑色。处理时可打磨故障处,并在该处将匝间绝缘加垫一层,解决故障。

3 结语

在汽轮发电机转子故障中,最常见的就是匝间短路缺陷,本文通过对一台660 MW发电机转子绕组匝间短路进行诊断,最终排查出故障,并及时、有效处理。

参考文献

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[2]胡刚,张建涛,李金香.大型汽轮发电机定子绕组端部电动力三维有限元计算[J].大电机技术,2013(2).

[3]朱先亮,宋闯,蒋超友,等.50 MW汽轮发电机组锅炉给水泵振动分析与处理[J].莱钢科技,2013(1).

匝间短路的分析判断 篇8

目前,对电机转子故障诊断多采用人工智能方法进行研究[5,6,7,8]。这里就发电机转子匝间短路的故障诊断进行了研究,采用小波分析处理故障信号,用小波分析理论对定子线圈中的信号进行分析,对转子匝间短路故障进行诊断,并实现故障的定位。

1 基于定子线圈的探测方法

图1所示的汽轮发电机每相绕组是由两支路绕组并联而成,发电机定子各相绕组并联支路回路电势差为横联电势,其并联回路中的电流为环流[9,10],其中有

式中EA、EB、EC分别为A、B、C相绕组的横联电势;

EⅠ.A、EⅠ.B、EⅠ.C分别为A、B、C相Ⅰ号支路中的电

势;EⅡ.A、EⅡ.B、EⅡ.C分别为A、B、C相Ⅱ号支路中的电势。

在发电机理想运行情况下,各相绕组的横联电势等于零,即

同时,若三相为理想对称时,有

因此,图1中支路回路中没有环流,A、B、C三相电流合成矢量为零,电流互ABC感器没有电流信号输出。

发电机转子绕组发生匝间短路后,由于磁势波形变化,产生了较高次频率的谐波分量,必然会对磁场和磁路产生影响,使得定子侧电气信号发生改变,产生不同于正常情况下的某些信号特征,这些特征便可作为故障检测信号[11]。

2 故障诊断分析理论

故障诊断的小波分析具有良好的时频局部化特征。由于小波分析非常适合分析非平稳信号,同时对平稳信号的分析同样有效,因此小波分析可作为故障诊断中信号处理的较理想的工具,由它来构造故障诊断所需的特征因子,或直接提取对诊断有用的信号。利用小波分析定子线圈中所提取的信号,其中主要利用了小波分析的2个特性:奇异信号检测和信噪分离。

假设函数θ(x)满足而且θ(x)=1/(1+x2),则称其为光滑函数。若选择小波函数为光滑函数的一阶导数即ψ(x)=dθ(x)/dx,同时ψ(x)应满足允许性条件,则二进小波变换又可写成:

即二进小波变换Wf(s,x)可表示为信号f(x)在尺度s上被θs(x)平滑后的一阶导数,小波变换的模极大值与信号的突变点之间对应起来。如选择小波为光滑函数的一阶导数,则由小波变换Wf(s,x)的幅值极大点可以检测信号f(x)突变点。

在信号处理时,常常由于采样误差、外界随机干扰、系统内部不稳定等因素,采样值与系统输出的真实值会有一些差异。为了更好地分析信号,首先运用小波分析进行一维信号消噪处理,去除信号中的噪声是十分重要的。在小波分析中,信噪分离通常有2种实现途径:一是在了解所关心的频率的情况下,通过小波分解,只保留所关心的频带的小波变换结果,将其他频带的变换结果置零,然后重新合成信号;二是在了解噪声成分频率范围的情况下,通过将噪声成分所在频道的小波变换系数置零,再重新合成信号,去除噪声。

3 故障诊断的仿真分析

当转子绕组发生匝间短路时,对应槽的安匝数减小,气隙磁通畸变使得定子线圈的监测信号相应突变。假设转子6号槽有匝间短路,其对应的齿谐波幅值也要相应减小。用下面的表达式模拟发生匝间短路时的故障信号:

为简化计算,令A=1,B=1,a=0.1,即离散后第6个齿谐波的幅值减少到原来的90%。

对定子线圈的监测信号进行基波滤波,使处理的信号中只包含故障信息。利用小波分析对模拟信号进行分析,其结果如图2(a)(b)所示(图中s0为原始信号,a3、d1~d3分别为db4小波一般预处理后的信号和1~3层分解后的信号;n为一个工频(50 Hz)周期内的采样点数;下同)。从图2的波形分析看,经过db4小波的3层分解,正常模拟信号的各细节系数没有出现异常情况。而故障模拟信号的d2、d1层系在第230个采样点附近出现了极大值,此极大值正对应出现故障的第6槽。因此,通过对模拟信号的仿真,小波分析可以实现故障诊断及故障定位。

实际中得到的信号有可能含有噪声信号,因此在用小波分析进行故障检测时应考虑到含噪声的情况。仍采用上面的故障信号进行分析,在图2的故障信号中加入随机噪声信号。对含噪声的信号进行小波分解如图3所示。在图3中,故障信号已经被淹没在噪声中,无法检测出来。为了消除噪声的干扰,必须先对信号进行消噪,然后再进行高频的单支重构。消噪后的信号及重构信号如图4所示(图中ds为db4小波加消噪预处理后的信号,s0、d1~d3同图2)。

观察故障信号和含噪声的故障信号,其波形基本相同,并未有明显的畸变。但经小波分解后,两者的结果大相径庭,在图3中可明显发现包含的噪声分量,不能如实地将故障信号反映出来。图4中采用硬阈值的方法进行消噪处理后,在d2、d1中可明显地发现故障信号及位置,因此小波分析对于信号除噪有很好的效果。

4 结论

采用基于定子线圈的探测方法,用小波分析理论对定子线圈中的故障信号进行信噪分离,消除信号噪声,对发电机转子匝间短路故障进行诊断,并且实现匝间短路故障的定位诊断,提高故障诊断率。通过Matlab软件对模拟信号的小波仿真分析,仿真结果说明小波分析对于信号除噪有很好的效果,使故障信号更加明显,对发电机转子绕组匝间短路的故障诊断及故障定位是有效的。

参考文献

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