基于勵磁階躍法的汽輪發電機轉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 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003；2.國網福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

基于勵磁階躍法的汽輪發電機轉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 電氣與電子工程學院,河北 保定 071003；2.國網福建省電力有限公司，福建 福州 350003)

對轉子繞組匝間短路故障的快速、準確檢測可以縮短故障處理時間，降低停機成本。首先分析了匝間短路對勵磁回路暫態阻抗參數的影響，預測當發電機出現轉子繞組匝間短路后，在階躍電壓作用下，勵磁電流的上升速度將變快。為了驗證該設想，利用有限元分析軟件建立了一臺 300 WM汽輪發電機的仿真模型，對比了短路程度、短路位置對階躍勵磁電壓作用下的勵磁電流上升速度的影響，同時研究了被短路回路電流、阻尼電流以及定子繞組并聯支路環流的變化規律。仿真結果驗證了理論分析的正確性，最終提出了一種新型汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障檢測方法。

轉子繞組匝間短路；Ansoft；階躍電壓；勵磁電流；上升速度；離線檢測

0 引 言

轉子繞組匝間短路(rotor windings inter-turn short circuit，RWISC)是汽輪發電機最常見的電氣故障形式之一。輕微的匝間短路故障機組仍可以繼續運行，一旦故障惡化，可能引發致轉子一點接地及兩點接地故障，使得發電企業被迫停機檢修。造成巨大經濟損失。因此，對汽輪發電機的RWISC故障的準確診斷十分必要，有效的監測和診斷方法可以及時發現輕微短路故障，避免故障惡化和擴大化，快速確認故障位置可以降低機組停運時間，減小發電量損失[1-2]。

近些年，汽輪發電機RWISC故障的診斷得到了快速發展，先后出現了一些新的檢測方法。這些檢測方法主要分為離線檢測方法和在線檢測方法兩類。其中，在線檢測方法具有及時發現故障的特點[3-4]；但由于靈敏度較差，近些年的普及率并不高[5]。離線檢測方法雖然不能保證實時性；但在停機狀態下可以有效排除各類干擾，檢測可靠性較高，多年來一直被運行、檢修人員廣泛使用。

目前已經提出的離線檢測方法包括；空載短路試驗法[6-7]、直流電阻測量法[8]、交流阻抗與損耗試驗法[9]、兩極電壓平衡試驗法[10]、轉子繞組電壓分布試驗法[11]、開口變壓器法[12]、重復脈沖RSO試驗法[13]等。在這些離線檢測方法中，部分檢測方法的靈敏度較低，如空載試驗法、短路試驗法、直流電阻測量法，部分方法需要抽出發電機轉子才能進行，如轉子繞組電壓分布試驗法、開口變壓器法等。相對而言，交流阻抗與損耗試驗法以及近些年出現的重復脈沖RSO試驗法具有較高的診斷靈敏性和可靠性，在近些年的應用中獲得了廣泛的認可。

其中一部分離線檢測方法已經被寫入《電力設備預防性試驗規程》(DL/T596-2005)，如直流電阻法、交流阻抗法、轉子繞組電壓分布試驗法等，成為發電機維修必須進行的試驗。為了通過離線實驗準確定位RWISC故障，降低盲目、大面積拆除轉子槽楔的工作量和停機成本，對離線檢測方法的靈敏度和有效性的要求遠比在線檢測方法的要求高。為了提高汽輪發電機RWISC故障的離線診斷水平，為現場提供新的檢測技術和手段，本文提出了一種基于勵磁階躍法的汽輪發電機RWISC故障診斷方法。

汽輪發電機發生RWISC故障后，受電磁暫態電抗減小的影響，勵磁回路的時間常數下降。在勵磁回路施加階躍電壓時，勵磁電流的上升速度將下降。本文結合有限元仿真，研究了勵磁電流的上升速度與RWISC故障的位置、程度等的關系，提出了一種新型汽輪發電機RWISC故障診斷方法。

1 勵磁階躍法的基本原理

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

根據基本電磁原理[14]，勵磁繞組的暫態電抗均與繞組匝數的平方成正比;因此，一旦汽輪發電機轉子繞組發生匝間短路故障，勵磁繞組的穩態電抗和暫態電抗均將出現下降。本文假設初始時刻勵磁繞組的總匝數為N，發生短路后，勵磁繞組的總匝數為(N-△N)，因此，短路后的暫態電抗可以表示為

(1)

顯而易見，轉子繞組發生匝間短路后，由于勵磁繞組自身匝數的減少，轉子回路的等值電抗有明顯的下降。

RWISC前的暫態等效電路見圖2，轉子回路的等值暫態阻抗為

(2)

轉子繞組發生匝間短路后，合上圖1中開關K給勵磁繞組施加階躍的直流電壓時，勵磁繞組電流將會上升，產生瞬態磁場φ′，該磁場將在轉子的阻尼繞組、被短路的勵磁繞組內部感應電動勢并形成電流。這種情況與三繞組變壓器的中壓側和低壓側短路，在高壓側施加階躍電壓是十分相似的，RWISC后的暫態等效電路可以表示為圖3，轉子回路的等值暫態阻抗為

(3)

圖2 RWISC前的暫態等效電路Fig.2 Transient equivalent circuit before RWISC

圖3 RWISC后的暫態等效電路Fig.3 Transient equivalent circuit after RWISC

參照式(1)—式(3)可知，當汽輪發電機的轉子繞組發生匝間短路故障后，轉子繞組的暫態阻抗明顯下降，其中下降幅度最大的是暫態電抗，轉子回路的等值電阻略有下降。

轉子回路的時間常數可以表示為

(4)

式中：L′為轉子回路的等值暫態電感；R為轉子回路的等值電阻。

從式(4)可知，當汽輪發電機的轉子繞組發生匝間短路故障后，受發電機暫態電抗和等值電阻改變的影響，轉子回路的暫態時間常數也將明顯下降；因此，在轉子繞組上施加階躍電壓時，勵磁電流的上升速度相對于正常情況下將明顯加快。根據勵磁電流的上升速度即可判定轉子繞組是否發生了匝間短路故障。

2 數值仿真

2.1 仿真模型搭建及參數設置

為了驗證上述方法的有效性，本文以一臺QFSN-300-2型汽輪發電機作為研究對象，采用Maxwell軟件建立該發電機的二維仿真模型，通過有限元工具計算勵磁電流上述速度與RWISC程度間的關系。該發電機的基本參數見表1，所建立的發電機2維模型見圖4。

圖4 QFSN-300-2型汽輪發電機幾何模型Fig.4 Geometry model of QFSN-300-2 type turbine generator

表1 QFSN-300-2型汽輪發電機參數Table 1 Parameters of QFSN-300-2 type turbine generator

影響仿真結果的關鍵因素是轉子的阻尼系統，汽輪發電機的阻尼系統是由各轉子槽內的鋁合金槽楔與轉子大齒上的阻尼銅條在端部通過梳齒環短接共同構成的。本文依據實際情況在Maxwell中建立轉子阻尼模型，如圖5所示。圖中轉子槽楔選用鋁合金材料，阻尼材料的電導率設置見表2。

表2 轉子阻尼材料的電導率Table 2 Electrical conductivity of rotor damping materials

為了完成勵磁階躍，需要用開關控制勵磁電壓的施加。因此，將用Maxwell軟件搭建好的發電機模型導入Simplorer軟件中，搭建發電機的外圍電路及控制部分，進行場路耦合聯合仿真，仿真系統結構見圖6。

圖5 阻尼系統基本構成圖Fig.5 Basic structure of damped system

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

在聯合仿真模型中設置發電機機械輸入端施加0 r/min轉速，機械輸出端口接地，定子繞組接無窮大負載(相當于開路)。勵磁階躍試驗應保證轉子繞組的安全性，不能出現過流，勵磁電流上升至穩態時不應使主磁場出現過飽和。本文在轉子繞組兩端施加100 V階躍電壓。

2.2 變因素下勵磁階躍法的有效性仿真

1)短路程度的影響。

汽輪發電機輕微RWISC故障的檢測難度最大，因此，仿真首先設置了轉子1號槽繞組未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到勵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，勵磁電流上升速度明顯快于未短路時的勵磁電流上升速度，短路匝數越多，勵磁電流上升速度越快。圖8為各短路狀態下勵磁電流相對于繞組正常時的偏差情況。

圖7 1號槽短路時勵磁電流上升曲線Fig.7 Excitation current rising curve when a short circuit exists in No.1 slot

由圖8可知：當汽輪發電機出現RWISC故障后，在相同的時間點，勵磁電流相對于正常情況出現了明顯的偏差。在勵磁階躍的初始階段(0～0.2 s)，勵磁電流的偏差最大，但不能體現短路程度，在后期(0.2～1 s)，勵磁電流相對于正常值的偏差開始與短路程度趨于一致。這樣，通過實測發電機勵磁電流的上升速度，將其與同條件下的歷史測試值比較，當勵磁電流上升速度明顯變快時即可判斷發電機轉子繞組發生了匝間短路故障。

圖9為轉子大齒附近位置的阻尼銅條電流隨短路程度的變化規律。可以看到，阻尼電流在短路發生后略有增大，但增大幅度并不十分顯著。

圖8 1號槽繞組短路時勵磁電流上升速度的相對偏差Fig.8 Relative deviation of the rising speed of the exciting current when a short circuit exists in No.1 slot

圖9 1號槽短路時阻尼電流Fig.9 Damping current when a short circuit exists in No.1 slot

圖10為被短路轉子繞組內部的電流，可以看到，對于輕微的1匝短路故障，被短路繞組內部的電流上升速度是非常快的，隨著短路匝數增加，回路內電流的上升速率明顯下降。該現象主要是因為被短路繞組的電抗參數與其匝數的平方正相關，被短路繞組的電阻值則與短路匝數正相關；因此，隨著短路匝數的增加，其短路阻抗增大、時間常數增大，降低了回路內電流的上升速度。

在仿真結束時刻(1 s時)，發電機氣隙主磁場的分布見圖11。此時發電機勵磁電流接近150 A，但氣隙磁通密度值較小，最大值僅為0.12 T左右，這是因為阻尼繞組電流(圖9)產生的反向磁場對主磁場起到抵消作用，使得主磁場偏弱。此外，同樣是受阻尼磁場的影響，圖11中正常極磁場的幅值與仿真1 s時刻的勵磁電流(圖9)并非成正比關系。從圖11還可以看到，受匝間短路的影響，左側磁極較繞組正常時明顯偏弱，短路越嚴重，故障極磁場下降量越大。

圖10 1號槽短路時被短路回路電流Fig.10 Current in short circuit loop when a short circuit exists in No.1 slot

圖11 1 s時刻發電機氣隙磁場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勵磁電流上升速度的影響，設置轉子8號槽繞組未短路、1匝短路、2匝短路和3匝短路，得到勵磁電流在各種輕微短路程度下的上升曲線，見圖12。

圖12 8號槽短路時勵磁電流上升曲線Fig.12 Excitation current rising curve when a short circuit exists in No.8 slot

圖13為8號槽RWISC時的勵磁電流相對于正常情況下的偏差。

圖13 8號槽繞組短路時勵磁電流上升速度的相對偏差Fig.13 Relative deviation of the rising speed of the exciting current when a short circuit exists in No.8 slot

通過將圖13與圖8比較發現：當短路發生在8號槽時，勵磁電流在趨于穩定時與正常值的偏差更大，該現象可以通過轉子繞組的基本結構來解釋，見圖14。

圖14中，轉子1號槽繞組靠近大齒(參照圖4)，所覆蓋的磁極面積小于8號槽所覆蓋的面積，當兩個槽發生同匝數的短路故障時，8號槽短路時穿過被短路繞組的總磁通量比1號槽的大，短路繞組感應的電動勢更大，回路電流隨之變大，見圖15。因此，8號槽被短路繞組所產生的反向磁場對主磁場的抵消效果更好，等效電感更小，故8號槽短路時勵磁回路的時間常數比1號槽短路的值小，勵磁電流的上升速度更快。

圖14 轉子繞組分布示意圖Fig.14 Schematic diagram of rotor winding distribution

圖15 8號槽短路時被短路回路電流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號槽短路相比，阻尼電流的大小十分接近，對短路位置并不敏感。

3)定子繞組并聯支路的影響。

汽輪發電機轉子繞組發生匝間短路后，氣隙磁場將不對稱，出現幅值增大的偶數(1對極)或分數次諧波(2對極)磁場。由于定子繞組普遍采用短距結構，每相繞組通常由并聯的2條支路構成，如圖17所示。兩條支路間錯開一定的角度，在勵磁階躍過程中，幅值漸增的偶數(1對極)或分數次諧波(2對極)磁場將在定子一相繞組的兩條支路的感應不平衡電勢，受此影響，并聯回路內部將出現幅值漸增的環流。

圖16 8號槽短路時阻尼電流曲線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。

RWISC后，盡管定子繞組開路狀態，對外無電流，但定子一相繞組的2條支路內部將出現環流，該環流可能對勵磁電流的上升速度產生一定的影響。

圖18和圖19分別為轉子1號槽短路和8號槽短路時定子一相繞組內部環流。轉子繞組未短路時定子電流接近于零，短路發生后，定子電流在勵磁階躍階段有明顯的上升，并且隨著短路匝數的增多，環流的增大幅度也變大，原因是短路程度越嚴重，主磁場中的偶次諧波(以2次為主)幅值越大，則定子一相繞組中兩條支路中的環流也越大。圖18的2次諧波環流明顯大于圖19的情況，這是因為1號槽繞組短路產生的空間偶次諧波磁場幅值更大。總體來看，該環流幅值較小，對勵磁電流的上述速度基本不構成影響。

圖18 1號槽短路定子一相繞組環流Fig.18 Circulation in a stator phase winding when a short circuit exists in No.1 slot

圖19 8號槽短路定子一相繞組內部環流Fig.19 Circulation in a stator phase winding when a short circuit exists in No.8 slot

在仿真結束時刻(1 s時)，發電機氣隙主磁場的分布見圖20，該圖與圖11具有相似的特點，但8號槽繞組短路造成故障極磁場的下降量小于1號槽相同匝數的繞組情況，這表明：對于本仿真所用汽輪發電機，當短路匝數相同時，短路位置越靠近大齒，造成的磁場不對稱程度越嚴重。

通過以上分析及仿真結果可知：在汽輪發電機勵磁繞組上施加階躍電壓，根據勵磁電流的上升速度就可以確定汽輪發電機是否發生了RWISC故障。

圖20 1 s時刻發電機氣隙磁場Fig.20 Generator air-gap magnetic field at 1second

3 可行性分析

通過以上分析及仿真結果可知：在汽輪發電機勵磁繞組上施加階躍電壓，根據勵磁電流的上升速度就可以確定汽輪發電機是否發生了RWISC故障。然而，本方法應用過程中有些問題需要注意：

1)階躍電源選擇以及階躍電壓的確定問題。勵磁階躍法需要保持施加在勵磁繞組上的電壓不變；因此，需要選擇恒壓源，應選擇內阻很小的蓄電池或高品質的開關電源。階躍電壓的選擇應參照發電機的空載額定電壓，一般確定電源電壓為發電機空載額定電壓的1/5以下即可。這樣，可以避免升勵磁過程中可能出現的過流和鐵心飽和等問題，同時也降低了恒壓源的電壓等級和功率，更便于選擇設備，縮減體積。

2)施加階躍時長及勵磁電流上限的確定。勵磁繞組的等效電感遠大于其等效電阻值；因此，當給發電機的勵磁繞組施加階躍電壓的時候，勵磁電流的上升速度較慢。鑒于RWISC故障在施加階躍初期已經可以通過勵磁電流上升速度進行判斷，因此不需要等到勵磁電流達到穩態即可切斷階躍電源。切斷電源的時間點應綜合考慮診斷效果和階躍電源的容量來確定。可以將實時的勵磁電流值作為跳閘斷電的依據，實行自動跳閘。

3)跳閘瞬間操作過電壓問題的解決。在施加階躍電壓后，勵磁電流開始增加，這是發電機磁場開始儲能，斷開電源瞬間勵磁回路將產生操作過電壓。為避免這一問題，可以在斷開電源前瞬間在勵磁回路端口并聯一個電阻(類似發電機的滅磁電阻)，將使得磁場儲能通過該電阻逐漸消耗。

4)勵磁電流采集。給勵磁繞組施加階躍性質的電源時，勵磁電流是緩慢上升的，傳統的電流互感器無法準確采集該勵磁電流；因此，應將采樣電阻串入回路中，采樣電阻的阻值應盡量小，以降低對勵磁回路阻抗參數的影響，采樣電阻的耐受電流值應大于實驗的最大勵磁電流值。

5)診斷方法的產品化。開發基于勵磁階躍法的RWISC故障自動診斷裝置，設備內部包含恒壓源、自動投切開關、滅磁電阻、采樣電阻以及數據采集器等設備，具有數據采集、歷史數據調用、智能分析和診斷等功能，則該方法的應用將較為方便，具有測試速度快、準確度高等優點，與同類方法對比具有一定的優勢。

4 結 論

本文提出了一種基于勵磁階躍的新型離線檢測方法，通過數值仿真進行了驗證，得到以下結論：

1)當汽輪發電機發生RWISC故障后，在轉子繞組兩端施加階躍電壓時，勵磁電流的上升速度明顯快于未短路時的上升速度，短路匝數越多，勵磁電流上升速度越快。

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

3)勵磁電流的上升速度對RWISC故障有靈敏的反映；因此可將勵磁階躍法作為RWISC故障的常規檢測方法使用，通過開發智能診斷設備將提升該方法應用的便利性。

[1] 武玉才,李永剛.汽輪發電機轉子典型問題分析及故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2015.

[2] 馬宏忠.電機狀態檢測與故障診斷[M].北京:機械工業出版社,2008:107-115.

[3] WU Yucai,LI Yonggang.Diagnosis of rotor winding interturn short-circuit in turbine generator susingvirtual power[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2015,30(1):183.

[4] WU Yucai,LI Yonggang.Diagnosis of short circuit faults within turbo generator excitation winding based on the expected electromotive force method[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2016,31(2):706.

[5] 張征平,劉石,姚森敬.大型發電機轉子故障分析與診斷[M].北京:中國電力出版社,2011.

[6] 錢和平,李中玉,董建洋.600 MW發電機轉子動態匝間短路分析處理[J].浙江電力,2011,3:43.QIAN Heping,LI Zhongyu,DONG Jianyang.Analysis and treatment of dynamic interturn short circuits for 600 MW generator rotor[J].Zhejiang Electric Power,2011,3:43.

[7] 張亮杰.大型汽輪發電機轉子繞組匝間短路的故障處理與分析[J].江西電力職業技術學院學報,2010,23(2):33.ZHANG Liangjie.Treatment and analysis of large turbo-generator rotor winding inter-turn short circuit fault[J].Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity,2010,23(2):33.

[8] 馬親良,孫善華,楊翠平.600 MW發電機轉子匝間短路故障診斷及處理[J].山東電力技術,2012,1:48.MA Qinliang,SUN Shanhua,YANG Cuiping.Diagnosis and treatmenton a 600 MW generator rotor inter-turn short circuit[J].Shandong Electric Power Technology,2012,(1):48.

[9] 彭東發,張征平,陳杰華.大型汽輪發電機轉子匝間短路故障的分析與診斷[J].大電機技術,2010,6:17.PENG Dongfa,ZHANG Zhengping,CHEN Jiehua.Analysis and diagnosis of large turbogenerator rotorinter-turn short-circuit fault[J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine,2010,6:17.

[10] 唐芳軒,許艷霞.秦山第二核電站發電機轉子匝間短路故障的診斷與處理[J].電力設備,2005,6(1):67.TANG Fangxuan,XU Yanxia.Diagnosis and treatment of turn-to-turn short circuit fault for generator rotor in Qinshan No.2 Nuclear Power Station[J].Electrical Equipment,2005,6(1):67.

[11] 錢和平,李中玉.600 MW發電機轉子振動偏大分析處理[C]//全國火電600 MW機組技術協作會第13屆年會,2009:24-26.QIAN Heping,LI Zhongyu.Analysis and Treatments on a 600 MW Generator Rotor Vibration Anomalies[C]//The 13th Annual Meeting Proceedingsof National Thermal Power 600 MW Units and Technical Cooperation,2009:24-26.

[12] 朱東升.發電機轉子匝間短路故障的分析判斷[J].東北電力技術,1995,10:41.ZHU Dongsheng.Analysis and judgment of fault of generator rotor turn to turn short circuit fault [J].Northeast Electric Power Technology,1995,10:41.

[13] KULKARNI A S.,EI-SHARKAWI M A,MARKS R J,et al.Development of a technique for on-line detectionof shorts in field windings of turbine-generator rotors:circuit design and testing[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2000,15(1):8.

[14] 湯蘊璆.電機學[M].北京:機械工業出版社,2014.

(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

河北省自然科學基金(E2016502031)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2017MS106)

武玉才(1982—)，男，博士，副教授，研究方向為大型發電機狀態監測與故障診斷；王逸仙(1990—)，女，碩士，研究方向為大型發電機狀態監測與故障診斷；徐乾杰(1992—)，男，碩士，研究方向為大型發電機狀態監測與故障診斷；徐 劍(1980—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電網設備狀態評價和分析診斷。

武玉才