CN102183705B - 大型发电机转子匝间短路故障的在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转子振动与励磁电流相关性的大型发电机转子匝间短路故障在线诊断方法，步骤依次如下：(1)检测转子异常轴振；(2)监测转子绕组的励磁电流；(3)判断转子的异常轴振与励磁电流之间的对应关系或规律，并判断两者之间是否存在跟随性的特征，即判断轴振的变化曲线是否与励磁电流的变化曲线相一致；若两者的变化规律相一致，则可判断转子绕组内部存在匝间短路故障。应用这一方法，可以迅速、准确地在线诊断出大型发电机转子是否存在匝间短路故障，能够大大缩短转子异常振动问题的分析时间。

Description

大型发电机转子匝间短路故障的在线诊断方法

所属领域

本发明涉及一种基于转子振动与励磁电流相关性的大型发电机转子匝间短路故障在线诊断方法。

技术背景

近年来，随着中国经济的迅速发展，国内电力负荷的需求也越来越大，因此，发电厂的装机容量日益增长，新建电厂也不断增多。广东省作为全国装机容量最大的省份，其装机容量已超过7000万千瓦。单机容量为600MW的发电机组早已成为了发电领域中的主力机组，单机容量为1000MW的发电机组也正在成为发电行业新的主力机组。

单机600MW或单机1000MW的发电机组运行中具有发电能力更大、发电效率更高的优势，但同时，也增加了运行中的风险。一旦因故障停机，将给发电企业造成更大的经济损失，也给电网的负荷预控提出了更高的要求。近三年来，大型发电机转子频繁出现匝间短路故障，仅广东省在2010年的一年中，就已经有十余台600MW以上等级的发电机出现了匝间短路故障，不仅给发电企业造成了严重的经济损失，也损坏了企业形象，并严重影响了发电企业电力生产任务的顺利完成。

发明目的

本发明的目的，就是提供一种基于转子振动与励磁电流相关性的大型发电机转子匝间短路故障在线诊断方法。

所述的方法步骤依次如下：

1、监测转子异常轴振并绘出转子异常轴振曲线；

2、监测转子绕组的励磁电流并绘出转子绕组的励磁电流曲线；

3、判断转子的异常轴振与励磁电流之间的对应关系是否存在正相关性，若存在，则可判断转子绕组内部存在匝间短路故障。

在线诊断原理

基于转子振动与励磁电流相关性的转子匝间短路故障在线检测方法，是建立在深刻理解并掌握了发电机的结构及其内部电磁关系之基础上的。发电机主要由定子和转子两大部件组成，定子即是静止不动的部分，主要由定子线圈和定子铁心组成。对大型发电机来说，其定子线棒上不仅承受着上万伏的交流高电压，线棒内部还流通着上万安培的交流电流。定子铁心主要由硅钢片叠制而成，主要起着固定线棒以及构成主磁通的回路的作用。转子与定子类似，主要由转子线圈和转子铁心组成。转子线圈上承受着几百伏的直流电压，线圈内部流通着几千安培的直流励磁电流。转子铁心则是转子锻件的本体，也起着固定转子线圈及构成直流主磁通的作用。装配结构上，转子穿过定子膛内，位于定子膛内的中轴线上，并悬挂在发电机汽励两端的轴瓦。正常运行时，转子线圈中通有几千安培的直流电流，产生一个稳定的直流磁场，并以3000转/分钟的速度在定子膛内高速旋转。该直流磁场以3000转/分钟的速度旋转并切割定子线棒时，将在定子线棒上感应出频率为50Hz交流电压。当定子线棒外部接有负荷时，定子线棒中就会有交流电流流过，因此可以向外部用户供电。由于定子线棒是按特定的规律布置并安放在定子铁心中的，因此，定子线棒中的电流会产生一个旋转磁场，并作用在高速旋转的转子上。另外，转子上产生的直流磁场也需要借助定子铁心来构成自己的磁通回路。因此，对于运行中的发电机来说，其定子和转子就通过相互之间的电磁作用，构成了一个相互作用、相互影响、而又密不可分的机电整体。

发电机正常运行时，定子内部是一个对称的磁场，因此，转子运转时受到均衡的电磁力的作用，因而能够在3000转/分钟的高速旋转下保持极低的振动幅度，通常其异常轴振不超过80μm。但当转子线圈内部发生匝间短路时，破坏了发电机内部的对称磁场，因此转子运行中将受到不平衡力的作用而发生异常振动，通常其振动幅值会显著地增加。

大型发电机的体积和重量都很可观。表1中给出了600MW和1000MW发电机定子和转子的一些基本数据。

表1 600MW、1000MW发电机定子和转子的基本技术数据

从表1中可见，一台600MW的发电机，其定子重量达近300吨，转子重量达近70吨，而1000MW的发电机则分别达到近400吨和近100吨！可以想象，如果转子运行不稳定或振动太大，无疑将严重影响发电机的正常运行，并可能对发电机造成灾难性的损毁。因此，有关国家标准中对运行中转子的振动幅值提出了很高的要求。

通过对几台大型发电机转子匝间短路故障的诊断，可以获得一些感性认识，即当转子出现匝间短路后，其振动与机组的有功负荷和无功负荷都有着紧密的关系，而与有功和无功均直接有关的则是流过转子线圈的励磁电流。另外，如上所述，当转子因绕组匝间短路而破坏了发电机内部原来均衡的电磁场，进而受到不平电磁力的作用而产生异常振动，而原来均衡的电磁场受到破坏显然也与转子的励磁电流有关，这就说明，转子的异常振动，其本质上很可能与励磁电流有着密切的关系。

因此，如果能找到转子异常轴振与励磁电流之间的对应关系或规律，并判断其特征是否满足这一规律，就可以很快判断出转子的异常振动是否是由转子匝间短路故障引起来的，即快速诊断出转子绕组内部是否存在匝间短路故障。

转子绕组无匝间短路故障时，转子两极的结构是完全对称的，且流过同一直流电流，因此，两极绕组在空间的磁场分布也是完全对称的，如图1中左图所示，其在空间的磁感应强度的分布呈正弦规律分布，如图2中的虚线所示。当某个磁极绕组发生匝间短路时(例如图1中的S极)，该磁极的有效绕组匝数要比未发生匝间短路的少，因此，两极的有效绕组匝数就不一致了，从而引起两极磁场在空间中分布的不平衡，如图1中右图所示，这就直接导致了空间中磁感应强度的正弦分布发生畸变，如图2的实线所示。

如前所述，当转子绕组无匝间短路时，发电机定子中的磁场是对称分布的，转子因自身绕组流过的励磁电流而受到旋转磁场所施加的恒定的电磁力的作用，因此，能够保持稳定运行，运行中的振动量很小。当转子绕组因匝间短路而造成发电机内部空间的磁感应强度分布发生畸变后，转子运行中将受到不平衡电磁力的作用。那么，该不平衡电磁力与哪些因素有关呢，这就是我们需要研究的第一个关键问题。

从图1中的右图可见，由于在同一空间中穿过的磁通量相同，因此，可以得到关系式：

N_t×(90°-β)/180＝(N_t-N_s)/(90°+β)/180            (1)

其中，β＝90°×N_s/(2N_t-N_s)                         (2)

式中，N_t为每极励磁线圈的总匝数，N_s为发生匝间短路的匝数。

假定畸变后的磁感应强度分布仍接近于正弦波，那么转子受到的不平衡电磁力为：

$F=\left\{{\∫}_{\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}-\mathrm{\β}}{B}_N^2{\sin }^2\right[(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})\mathrm{\π}/(\mathrm{\π}-2\mathrm{\β})]\sin \mathrm{\θd\θ}+$

${\∫}_{\mathrm{\π}-\mathrm{\β}}^{2\mathrm{\π}+\mathrm{\β}}{B}_S^2{\sin }^2[(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}+\mathrm{\β})\mathrm{\π}/(\mathrm{\π}+2\mathrm{\β})]\×\sin \mathrm{\θd\θ}\}\mathrm{LR}/2{\mathrm{\μ}}_0---\left(3\right)$

式中，F为不平衡电磁力，单位为牛顿(N)；B_N和B_s分别为N极和S极的磁感应强度，单位为特斯拉(T，即N/(A×m))；μ₀为空气磁导率，μ₀＝4π×10^-7N/A²；L为转子导体的有效长度，R为转子锻件的半径，两者的单位均为米(m)。

式(3)中的B_N和B_s分别为：

B_N＝N_t×I_f×4π×10^-7/(2×δ)                    (4)

B_S＝(N_t-N_s)×I_f×4π×10^-7/(2×δ)               (5)

式中，I_f为转子绕组的励磁电流，单位为安培(A)，δ为发电机转子和定子间的气隙距离，单位为米(m)。

将(4)和(5)两式代入(3)中，由于除励磁电流I_f是可调节的变量以外，其它如L、R、N_t、δ等均为与转子绕组结构有关的参数，是已确定的恒定值，因此，由(3)式确定的不平衡电磁力F其实只与励磁电流I_f和N_s(β和θ等都是由N_s决定的)有关，因此，(3)式可以简单地写成

$F=\mathrm{\λ}{I}_f^2---\left(6\right)$

式中，λ表示将(3)中的提取出来后的计算值，它是一个定值。

由(6)式可见，转子绕组内部发生匝间短路故障后，转子运行中受到的不平衡磁拉力的大小，只与转子绕组中流过的励磁电流I_f有关，且与励磁电流I_f的平方成正比例关系。

现在，我们已经明白，转子内部发生匝间短路故障后，决定其所受不平衡电磁力大小的主要因素。那么，转子运行中受到不平衡电磁力后，它的振动会受到什么影响呢？具体地说，转子发生振动的振幅与不平衡电磁力之间存在什么样的关系呢？这是我们需要研究的第二个关键问题。

大型汽轮发电机的转子在实际运行中，是悬挂在发电机汽励两端的轴瓦上的，在轴瓦与转轴之间有一层薄薄的油膜，这层薄薄的油膜不仅起到润滑和密封的作用，同时还对转子起来支撑的作用。它依靠顶轴油系统产生的巨大压力，将重达近百吨的转子顶起来，使之不与轴瓦直接接触，防止运行中转轴与轴瓦发生碰磨而烧坏轴瓦或转轴的轴颈。由于转子实际上是悬挂在油膜中的，因此可将其看成一个线性系统。

研究表明，在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在该部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，可表示为

A＝P/K_d            (7)

式中，A-振幅，P-激振力，K_d-部件动刚度，且有

K_d＝K_c/μ                (8)

其中，

$\mathrm{\μ}=1/\sqrt{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+4{\left(\frac{\mathrm{\ϵ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n^2}\right)}^2}---\left(9\right)$

式中，K_c-部件静刚度，μ-动态放大系数，ω-激振力频率，ω_n-转子固有频率，ε-阻尼系数。

(6)中的电磁力即(7)中的激振力P，将(6)、(8)、(9)代入(7)中，可得到

$A=\frac{\mathrm{\λ}}{K_c}{\mathrm{\μI}}_f^2={\mathrm{K\μI}}_f^2---\left(10\right)$

其中，K＝λ/K_c，它只是一个系数。

由(10)可见，转子振动的振幅仍然与励磁电流成正比，也与动态放大系数μ成正比。这里应该注意到，当激振力频率ω接近转子固有频率ω_n也即通常所说的临界转速时，由于阻尼系数ε的数值很小，从(9)可见，动态放大系数μ将急剧增大，因此，转子的振幅就将急剧增大，即产生共振现象，这对于发电机转子是十分危险的，因为它会导致动刚度急剧下降(如(8)式所示)，时间稍长，就很容易损坏转子。

大型汽轮发电机的转子通常都有一阶临界转速和二阶临界转速，它们都比额定运行时的转速低。因此，在实际应用中，运行规程都要求，每次机组启动时，发电机转子在升速和降速阶段，都要求转子必须尽快通过一阶临界转速点或二阶转速点，不得在这些转速点上停留，防止损毁昂贵的发电机转子及其支撑系统。

不过，当转子在额定转速下运行时，通常动态放大系数μ都很小且为定值。因此，由(10)可知，转子的振幅将只由励磁电流决定，且与

成正比。

至此，我们就从理论上论证了内部存在匝间短路故障的发电机转子，其异常振动的幅值与励磁电流之间存在着正相关性的关系。当然，这只是从理想的模型中得出的结论。实际上，转子运行中总是多少有一些振动的，因此，δ值总是在一定范围内波动，由式(4)、(5)可知，B_N和B_S就会有波动，因此，造成转子受到的不平衡电磁拉力也会波动。另外，毕竟转轴通过油膜与轴瓦之间的配合关系，其在运行中不会完全是一个标准的线性系统，并且与各个厂家的设计、材质、装配工艺、顶轴油压的大小等都有关系，因此，由(10)所描述的转子振幅与励磁电流的平方成正比的关系，还将受到来自实际系统中一定的非线性因素的影响。不过，这些影响都不能改变转子发生匝间短路故障后，其振幅跟随励磁电流变化的内在规律。也就是说，只要转子内部存在着匝间短路故障，那么转子的异常轴振值就会随着励磁电流的变化而变化。

因此，当检测到转子的异常轴振值与励磁电流之间存在着明显的正相关性或随动性时，就可以断定转子内部存在着匝间短路故障。

在线诊断方法

无需额外的仪器设备，只需利用电厂运行系统中已有DCS(Distribution ControlSystem)(分布式控制系统)即可。DCS系统不断地自动采集、保存数据(这些数据主要有转子的振动数据、励磁电流的数据等等)，并绘出曲线。我们只需要调出这些曲线并加以分析即可。

有益效果：针对大型发电机转子匝间短路故障频发这一问题，发明人进行了长期的深入分析和探索，终于研究出了一种转子匝间短路故障在线检测方法，即“基于转子振动与励磁电流相关性的转子匝间短路故障在线检测方法”。应用这一方法，可以迅速、准确地在线诊断出大型发电机转子是否存在匝间短路故障，能够大大缩短转子异常振动问题的分析时间，为发电厂提供准确的转子内部故障信息，有助于发电厂合理地安排停机、检修时间，以及时消除转子内部隐患，确保大型发电机的安全运行，并具有重大的社会意义和经济效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1是转子绕组正常与匝间短路时的磁场分布示意图；

图2是转子绕组发生匝间短路后磁感应强度的分布发生畸变示意图；

图3是珠海电厂2#发电机转子的匝间短路故障点示意图；

图4是汕尾电厂2#发电机转子振动曲线与励磁电流之间的关系示意图；

图5是汕尾电厂2#发电机转子的匝间短路故障情况示意图；

图6是惠来电厂1#发电机转子的匝间短路故障情况示意图；

图7是转子绕组的匝间绝缘垫条有移位现象示意图；

图8是河源电厂2#发电机转子振动与励磁电流之间的关系曲线示意图；

图9是转子振动与励磁电流之间不再具有相关性示意图；

图10是惠来电厂2#发电机转子的匝间短路故障情况示意图。

具体实施方式

应用实例：

(1)珠海电厂2#发电机转子匝间短路

本发明的发电机转子匝间短路故障的在线诊断方法步骤依次如下：

1、监测转子异常轴振并绘出转子异常轴振曲线；

2、监测转子绕组的励磁电流并绘出转子绕组的励磁电流曲线；

上述两个步骤无需额外的仪器设备，只需利用电厂运行系统中已有DCS(Distribution Control System)(分布式控制系统)即可，DCS系统不断地自动采集、保存数据(这些数据主要有转子的振动数据、励磁电流的数据等等)，并绘出曲线；

3、判断转子的异常轴振与励磁电流之间的对应关系是否存在正相关性(也称跟随性)的特征(即判断异常轴振的变化曲线是否与励磁电流的变化曲线相一致)；若两者的变化规律相一致，则可判断转子绕组内部存在匝间短路故障。

珠海电厂1#、2#发电机均是美国西屋公司生产的882MVA汽轮发电机(与日本三菱公司生产的汽轮机相配套)。2#发电机于1999年出厂，2000年4月投入商业运行。2#发电机正常运行时，8#瓦的轴振均在20-40μm的范围内。

2009年2月份，珠海电厂2#发电机的8#瓦的轴振幅值出现异常增大的现象，并且随着负荷的增大而上升，最高达87μm。但这种轴振异常增大的现象并不是一直维持着，只是偶发性的，大多时间内其振幅能自动回复到正常的20-40μm的范围内。

2009年8月16日凌晨，8#瓦的轴振突然开始爬升，并且随后一直居高不下，于9月2日晚间达到最高值100μm。对比转子异常轴振曲线与转子绕组的励磁电流曲线得知，该转子的异常轴振与励磁电流之间的对应关系存在正相关性，经我们用此方法判断后，认为转子存在匝间短路故障。

2009年12月13日，2#发电机停机检修，确认了匝间短路故障的存在，如图3所示。

(2)汕尾电厂2#发电机转子匝间短路

汕尾电厂2#发电机是东方电机股份有限公司生产的600MW汽轮发电机，2005年12月出厂，2008年2月11号通过168后，正式投入商业运行。2009年3月，2#发电机大修后投入运行后不久，7#轴瓦振动值由正常运行时的60μm突然开始增大到130μm，超过报警值(125μm)，最高上升至144μm，随后一直稳定在135μm运行。经我们用此方法分析判断，认为转子振动与励磁电流If之间存在明显的相关性，因此判断转子存在匝间短路故障。2#发电机转子的振动随负荷变化的关系曲线如图4所示。图中，If为励磁电流，7Y和8Y分别为发电机汽励两侧转子的轴振。在图4中，对比转子异常轴振曲线与转子绕组的励磁电流曲线，在A点时刻，励磁电流呈下降变化，而轴振7Y和8Y也呈下降变化。在B点时刻，励磁电流呈上升变化，而轴振7Y和8Y也呈上升变化，可见励磁电流与轴振之间保持了良好的跟随性，因此，可判断转子存在匝间短路故障，参见图5。

(3)惠来电厂1#发电机

惠来电厂1#发电机是东方电机股份有限公司生产的600MW汽轮发电机，2006年5月出厂，2007年2月18号正式投入商业运行。2007年4月13号，1#发电机在运行中，7#轴瓦振动值由90μm突然增大到140μm，并且随后慢慢爬升至160μm。后经多方面对异常轴振的分析及调整，转子振动幅度有所下降，但仍远未达到规程所要求的合格范围。经我们观察分析，发现转子振动与励磁电流之间存在着正相关性，因此，判断转子存在匝间短路故障。转子的实际匝间短路情况如图6和图7所示。

(4)河源电厂1#发电机

河源电厂2#发电机是哈尔滨电机厂生产的600MW汽轮发电机，2008年4月出厂，2009年8月14号进入商业运行。2#发电机自投运以来，一直存在汽机主厂房7.5米平台振动较大的问题，但发电机的各类振动参数良好，转子轴振幅值均在40-60μm范围内，无异常振动现象。

2009年11月14号，2#发电机检修后启动时，发现2#发电机的5#、6#瓦位的轴振逐步上升，由原来的60μm左右增大到90μm多，增长变化率超过50％，且汽机主厂房15米平台也出现明显的振动增大的现象。我们对该转子的振动与励磁电流相关曲线进行了分析如图8所示，发现转子振动与励磁电流之间存在着正相关性，因此，认为转子内部存在匝间短路故障。在图8中，在A点时刻，励磁电流呈上升变化，而轴振5X和6X，5Y和6Y也呈上升变化。在B点时刻，励磁电流呈下降变化，而轴振5X和6X，5Y和6Y也呈下降变化，可见励磁电流与轴振之间保持了良好的跟随性，因此，可判断转子存在匝间短路故障。根据我们的意见，电厂将该转子进行了返厂解体处理，发现转子绕组有移位现象，匝间绝缘垫条有错位现象，因此，造成匝间短路，如图6所示。

该转子经返厂处理修复后，转子振动恢复了正常，振动与励磁电流之间的相关性关系也消失了，如图9所示。在图9中，尽管励磁电流If有明显上升或下降变化，轴振5X和6X，5Y和6Y均不随其变化，励磁电流与轴振之间不再具有良好的跟随性，因此，可判断转子不再具有匝间短路故障。

(5)惠来电厂2#发电机

2010年2月11日13:53，惠来电厂2#发电机(与1#发电机为同一厂家生产的同一机型)在调峰消缺结束后，启机并网发电。在并网运行后，发现转子轴振较大，其中7Y振动达到143μm、8Y振动达到168μm，并且在升负荷过程，发电机两端的7Y、8Y急剧爬升，因此，振动与励磁电流之间存在着正相关性，判断转子存在匝间短路故障。经解体检查，匝间短路故障点情况如图10所示。

Claims (1)

1.一种大型发电机转子匝间短路故障在线诊断方法，步骤依次如下： 

（1）检测转子异常轴振； 

（2）监测转子绕组的励磁电流； 

（3）判断转子的轴振与励磁电流之间的对应关系或规律，并判断两者之间是否存在跟随性的特征，即判断轴振的变化曲线是否与励磁电流的变化曲线相一致；若两者的变化规律相一致，则可判断转子绕组内部存在匝间短路故障； 

所述的步骤（3）中的转子的异常轴振与励磁电流之间的对应关系为： 

由于在同一空间中穿过的磁通量相同，因此，可以得到关系式： 

N_t×(90°-β)/180＝(N_t-N_s)/(90°+β)/180   （1） 

其中，β＝90°×N_s/(2N_t-N_s)   （2） 

式中，N_t为每极励磁线圈的总匝数，N_s为发生匝间短路的匝数； 

假定畸变后的磁感应强度分布仍接近于正弦波，那么转子受到的不平衡电磁力为： 

式中，F为不平衡电磁力，单位为牛顿（N）；B_N和B_s分别为N极和S极的磁感应强度，单位为特斯拉（T，即N/(A×m)）；μ₀为空气磁导率，μ₀＝4π×10^-7N/A²；L为转子导体的有效长度，R为转子锻件的半径，两者的单位均为米（m）； 

式（3）中的B_N和B_s分别为： 

B_N＝N_t×I_f×4π×10^-7/(2×δ)   （4） 

B_S＝(N_t-N_s)×I_f×4π×10^-7/(2×δ)   （5） 

式中，I_f为转子绕组的励磁电流，单位为安培（A），δ为发电机转子和定子间的气隙距离，单位为米（m）； 

将（4）和（5）两式代入（3）中，由于除励磁电流I_f是可调节的变量以外，其它L、R、N_t、δ均为与转子绕组结构有关的参数，是已确定的恒定值，因此，由（3）式确定的不平衡电磁力F其实只与励磁电流I_f和N_s有关，因此，（3）式可以简单地写成 

式中，λ表示将（3）中的提取出来后的计算值，它是一个定值； 

由（6）式可见，转子绕组内部发生匝间短路故障后，转子运行中受到的不平衡磁拉力的大小，只与转子绕组中流过的励磁电流I_f有关，且与励磁电流I_f的平方成正比例关系； 

大型汽轮发电机的转子实际上是悬挂在油膜中的，因此可将其看成一个线性系统； 

在线性系统中，部件呈现的振幅与作用在该部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，可表示为 

A＝P/K_d    （7） 

式中，A—振幅，P—激振力，K_d—部件动刚度，且有 

K_d＝K_c/μ   （8） 

其中， 

式中，K_c—部件静刚度，μ—动态放大系数，ω—激振力频率，ω_n—转子固有频率，ε—阻尼系数； 

（6）中的不平衡电磁力即（7）中的激振力P，将（6）、（8）、（9）代入（7）中，可得到 

其中，K＝λ/K_c，它只是一个系数； 

由（10）可见，转子振动的振幅仍然与励磁电流

成正比，也与动态放大系数μ成正比；这里应该注意到，当激振力频率ω接近转子固有频率ω_n也即通常所说的临界转速时，由于阻尼系数ε的数值很小，从（9）可见，动态放大系数μ将急剧增大，因此，转子的振幅就将急剧增大，即产生共振现象，时间稍长，就很容易损坏转子； 

当转子在额定转速下运行时，通常动态放大系数μ都很小且为定值；因此，由（10） 可知，转子的振幅将只由励磁电流

决定，且与

成正比。 

Images