李永刚，王海蛟，武玉才，董晨晨



基于交流阻抗法的发电机励磁绕组短路故障诊断

李永刚，王海蛟，武玉才，董晨晨

（华北电力大学，河北保定 071003）

本文分析了励磁绕组短路故障对发电机转子交流阻抗的影响，在故障模拟发电机上进行转子交流阻抗试验，表明发电机发生转子绕组匝间短路后，转子交流阻抗变小。本文分析了励磁绕组短路故障对发电机静态等效电路的影响，提出了利用定子交流阻抗判断励磁绕组短路故障的方法。通过在故障模拟发电机上进行励磁绕组短路故障模拟试验，计算不同短路故障情况下定子交流阻抗值，并将其与正常情况下的定子交流阻抗值比较，当偏差超过一定数值时，可判断汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。同时，将定子交流阻抗法试验结果和转子交流阻抗试验结果进行比较，分析定子交流阻抗法的有效性。定子交流阻抗法为离线监测方法，具有较高的灵敏度。

发电机励磁系统；转子交流阻抗；定子交流阻抗；励磁绕组短路；离线诊断；交流阻抗

0 前言

汽轮发电机励磁绕组匝间短路是发电机运行过程中比较常见的故障，同时也是影响发电机安全运行的主要原因之一[1]。大型汽轮发电机故障中，发生转子绕组匝间短路故障占故障总数的比重较大，故障发生的频率为11.46%[2]。励磁绕组短路故障不仅影响发电任务的顺利完成，而且造成巨大的经济损失，因此励磁绕组匝间短路的故障诊断是十分有必要的。

国内外学者提出很多离线和在线监测发电机励磁绕组匝间短路的方法。励磁绕组匝间短路故障在线诊断方法主要是线圈探测法[3-4]、励磁电流法[5]和轴电压法[6]。由于发电机正常运行时，发电机的运行状态受各种因素影响变化，因此励磁绕组匝间短路故障在线诊断方法的灵敏度需要提高。

关于励磁绕组匝间短路离线检测，目前较成熟的诊断方法主要是空载和短路特性试验，直流电阻试验，交流阻抗和损耗试验，RSO重复脉冲检测法，转子绕组电压分布试验，开口变压器法。空载和短路特性试验法将正常情况下的空载或短路特性曲线与故障情况下的空载或短路特性曲线对比来判断发电机转子绕组是否发生匝间短路故障。直流电阻试验法利用发电机励磁绕组匝间短路后，励磁绕组的直流电阻将会减小，通过直流电阻的变化判断转子匝间短路故障。该方法的灵敏度相对较低，只有短路程度比较严重时，才能检测出转子绕组匝间短路故障。文献[7]~[8]利用交流阻抗试验检测发电机励磁绕组短路故障，该方法利用转子绕组发生匝间短路后，短路匝中的电流远大于正常匝的电流，且有很强的去磁作用，导致转子绕组交流阻抗大幅下降。该方法具有简便、实用和较为灵敏的优点，但交流阻抗法的测试结果受外部条件影响因素较多，故不能作为判断匝间短路的主要依据。文献[9]~[12]利用RSO重复脉冲检测法检测发电机励磁绕组短路故障，该方法可判断转子绕组匝间是否存在短路以及短路点的位置，但由于波形容易受到转子阻抗变化的影响，不可作为在线监测方法。文献[13] ~[14]利用转子绕组电压分布试验检测发电机励磁绕组短路故障，该方法利用转子两极线圈良好的对称性，测量两极各个槽绕组的电压分布，该方法可以准确地诊断出转子匝间短路故障，并且将故障定位到具体槽。文献[14]利用开口变压器法检测汽轮发电机励磁绕组短路故障，该方法的测试原理是将转子置于定子膛外，由滑环通入交流电到绕组中，在转子槽齿上便产生交变磁通。该方法的优点是可以准确定位匝间短路线圈所在的槽。

本文分析了励磁绕组短路故障对发电机静态等效电路的影响，提出了利用定子交流阻抗判断励磁绕组短路故障的方法，并在故障模拟发电机上进行励磁绕组匝间短路故障模拟试验，将定子交流阻抗试验结果和转子交流阻抗试验结果对比，提出了离线检测转子绕组匝间短路故障的新途径。

1 转子交流阻抗试验

1.1 转子交流阻抗试验基本原理[15]

发电机的转子铁心为铁磁性物质，磁导率很大，具有良好的导磁性能。当转子绕组外加交流电时，发电机转子会产生磁滞损耗和涡流损耗。

对铁磁性物质，磁滞损耗h与磁通密度最大值m和交流电压的频率有关，即

式中，m为磁通密度最大值；为交变频率。

转子铁心产生的涡流损耗为：

式中，m为磁通密度最大值；为交变频率。

转子的铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，即：

分析式（1），式（2），式（3）可得：如果发电机转子位置不发生改变，转子铁心损耗与磁通密度最大值的平方成正比关系，即：

（4）

发电机的转子绕组加交流电压时，绕组中就会产生交变的磁通。交变磁通与磁阻成反比，与绕组匝数和电流成正比，即：

磁通密度为：

式中，为磁通经过转子铁心本体的截面积。

分析（3）式、（4）式可得：

式中，1为常数。

发电机转子绕组的电抗可以表示为：

式中，为转子绕组电流的角频率；为转子绕组的电感；为转子绕组匝数。则转子绕组的电抗为：

（10）

式中，2为常数。

由式（8），式（10）分析可知：转子绕组交流阻抗中，转子绕组等效电阻与磁通流过路径的磁阻的平方成反比，电抗与磁通流过路径的磁阻成反比。

当发电机励磁绕组发生匝间短路故障时，流过励磁绕组短路匝的电流远大于正常匝的电流，并且短路电流有强烈的去磁作用，使磁通路径的磁阻变大，分析可知，发电机转子绕组发生匝间短路后，交流阻抗变小。

1.2 故障模拟发电机

为了验证交流阻抗法，在试验室一台10kVA的故障模拟发电机上进行励磁绕组短路故障模拟试验，实测转子交流阻抗和定子交流阻抗，如图2所示。

图2 故障模拟发电机

故障模拟发电机基本参数见表1。

表1 故障模拟发电机基本参数

该发电机N极励磁绕组的24.3%，23.2%引出两个抽头F11和F12，在S极的25.9%引出一个抽头F13，加上励磁绕组两端抽头F1和F2，共5个抽头，通过电刷引出，将相应的接头短路可模拟一定程度的励磁绕组短路故障。

1.3 转子交流阻抗试验结果

测量转子交流阻抗与原始数据比较是判断转子绕组匝间短路比较灵敏的方法之一。在试验室一台故障模拟发电机上进行了励磁绕组短路故障模拟试验，实测转子绕组的交流阻抗。故障前后发电机转子绕组的交流阻抗数据见表2。

表2 转子交流阻抗试验数据

从表2可以得到，短路程度越严重，转子交流阻抗值越小，且转子交流阻抗的比值近似等于转子正常线匝比值的平方，即

式中，1和2表示不同短路程度的交流阻抗；1和2表示未短路的转子绕组匝数。

2 定子交流阻抗法

2.1 定子交流阻抗法基本原理

汽轮发电机的励磁绕组发生短路故障后的等效电路如图3所示，图中虚框内是整流部分，对于静止励磁和旋转励磁发电机，整流部分略有区别。被短路绕组随发电机磁场同步旋转，短路绕组内部电流为零，失去励磁作用。

图3 励磁绕组等效电路

当转子q轴与定子A相绕组轴线重合时，励磁绕组与定子A相绕组轴线平行，没有交变磁通穿过励磁绕组，被短路绕组内部无电流，只有q轴阻尼绕组有电流流过。定子A相绕组相当于变压器的原边绕组，q轴阻尼绕组相当于变压器的副边短路绕组，如图4所示。

图4 转子q轴与A相轴线重合

由图4可得，A相绕组的交流阻抗为：

当转子d轴与A相轴线重合时，A相绕组产生的交变磁通垂直穿过励磁绕组，当励磁绕组存在匝间短路时，励磁绕组感应交流电势，被短路绕组存在交流电流，d轴阻尼绕组中也有电流流过。定子A相绕组相当于变压器的原边绕组，d轴阻尼绕组和被短路绕组相当于变压器副边绕组，如图5所示。

图5 转子d轴与A相轴线重合

由图5可得，A相绕组的交流阻抗为：

通过在故障模拟发电机上试验,就可以得到不同短路程度下的定子绕组交流阻抗,它和正常状态下的定子绕组交流阻抗比较，可以判断发电机转子绕组是否发生匝间短路故障，判据为：

（14）

2.2 定子交流阻抗数据分析

在故障模拟发电机的平衡盘上进行标记，等分36份，标记为0-35。在发电机的A相绕组加交流电压，分别在励磁绕组正常和不同短路程度的情况下试验，平衡盘从标号0开始转动，记录数据，然后转动平衡盘，每转动10°，记录一次数据。如图6~10所示。

图6 转子绕组开路电压

图7 定转子绕组电压

图8 定转子绕组电流

图9 定子绕组电流

图10 定子交流阻抗

图6所示为不同短路程度、转子旋转不同角度时的转子绕组开路电压，当转子旋转至10°、100°、190°和280°时，励磁绕组轴线和A相绕组轴线重合，A相绕组产生的脉振磁通垂直穿过励磁绕组，磁通最大，故感应出较大电压；而在60°、150°、240°和330°方向时，磁通与励磁绕组平行，磁通量极小，故感应出电压很小。励磁绕组出现匝间短路后，有效匝数减小，励磁绕组开路电压下降，短路程度越严重，开路电压下降越明显。

图7所示为励磁绕组正常，转子旋转100°时，定转子绕组电压，由于励磁绕组匝数较多，所以励磁绕组感应出电压较大。图8为短路24.3%，转子旋转100°时的定、转子绕组电流。

图9所示为不同短路程度，转子旋转不同角度时A相定子绕组电流值。当转子旋转至10°、100°、190°和280°时，励磁绕组轴线和A相绕组轴线重合，定子电流较小。发生短路故障后，A相定子绕组电流呈现出明显增大的趋势，这是因为短路绕组内部产生环流，对主磁场起去磁作用，减小主磁通，A相绕组交流阻抗下降，电流上升。

分析可知，定子交流阻抗值与发电机转子位置有很大的关系，当转子绕组轴线和定子绕组轴线重合时，定子交流阻抗达到最大值；当转子绕组轴线和定子绕组轴线垂直时，定子交流阻抗达到最小值（如图10所示），因此进行定子交流阻抗试验时，应让转子绕组轴线和定子绕组轴线尽可能重合。

2.3 定子交流阻抗试验结果

当转子绕组轴线和定子绕组轴线重合时，定子交流阻抗达到最大值。经分析可知，转子转到10°、100°、190°和280°附近时，转子绕组轴线和定子绕组轴线近似重合。对转子转到100°时的数据进行分析，计算不同短路情况下的定子交流阻抗，见表3。

表3 定子交流阻抗试验数据

从表3可以看出，短路程度越严重，定子交流阻抗值越小，且并非与短路程度呈正相关关系。

3 结论

本文分析励磁绕组短路故障对发电机静态等效电路的影响，提出了利用定子交流阻抗判断励磁绕组短路故障的新方法。

从试验数据可以看出，在短路1.1%的情况下，定子交流阻抗法的偏差为－2.9%，而转子交流阻抗法的偏差为－2.0%，说明在短路程度比较小的情况下，定子交流阻抗法的灵敏度更高。

定子交流阻抗法是离线监测方法，具有较高的灵敏度。同时，由于定子交流阻抗与转子的位置有很大的关系，可能让定子交流阻抗法产生较大的误差。

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Field Winding Short Circuit Fault Diagnosis on Turbine Generators Based on the AC Impedance Test

LI Yonggang, WANG Haijiao, WU Yucai, DONG Chenchen

(North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

This paper analyses the variation of the rotor AC impedance after a field winding short-circuit fault. The rotor AC impedance test on the fault simulation generator indicates that the AC impedance of the rotor decrease because of the occurrence of a field winding short-circuit fault. This paper analyses the variation ofthe static equivalent circuit of the generator after a field winding short-circuit fault and proposes a way to diagnose field winding short-circuit fault by using the AC impedance of the stator. With the aid of short-circuit fault simulation test on generator, the AC impedance of the stator can be calculated at different short-circuit fault conditions, which is used to compare with the normal value. When the deviation exceeds a certain value, the field winding short-circuit fault within the turbine generator is recognized. Moreover, the effectiveness of the stator AC impedance method can be analyzed by comparing the result of stator AC impedance test, which is an off-line monitoring method with high sensitivity with that of the rotor AC impedance test.

generator excitation system; the AC impedance of the rotor; the AC impedance of the stator; short circuit of field windings; off-line diagnosis; AC impedance

TM303.1

A

1000-3983(2017)04-0010-05

2016-09-06

李永刚（1967-），毕业于华北电力大学，博士，研究方向为大型发电机状态监测与故障诊断，教授，博士生导师。