CN106771835A - 基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置，其特征在于：包括在发电机内部横跨定子铁心段径向安装的U形检测线圈，U形检测线圈出口处并联高阻值电阻，U形检测线圈由高强度合金构成，包围定子铁心段，与定子铁心段及定子绕组无碰触，U形检测线圈的底部位于定子和转子之间的气隙中。本发明还公开了一种基于上述装置的诊断方法。本发明能够改进现有技术的不足，提高此类故障的诊断水平。

Description

基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置及方法。

背景技术

汽轮发电机的转子绕组为分布式结构，转子绕组按一定规律分布在转子各槽中，通常情况下每槽放置7-10匝绕组，同槽的各匝绕组为串联关系，上、下层相邻匝绕组之间设置有绝缘层。转子不同槽的绕组也为串联关系，依靠槽内绝缘材料和端部垫块进行绝缘。

受制造缺陷、运行维护不当、发电机参与调峰、异物进入、通风不畅、离心力和振动等因素的影响，转子绕组的上下层之间、转子绕组端部相邻槽绕组之间容易发生电气连接，形成转子绕组匝间短路故障。

通常情况下，同槽绕组的匝间短路发生在相邻的上、下两匝之间，这种短路并不严重。若故障未被及时发现和处理，则有可能发展成多匝严重短路故障。转子端部相邻槽绕组间的短路通常是转子绕组轴向的伸展变形引起的，这种短路故障通常较为严重，可能导致转子一槽或数槽的全部或大部分绕组短接。此外，通风冷却不畅和绝缘层大面积受损等因素也可能形成严重的转子绕组短路故障。

转子绕组匝间短路故障造成了发电机气隙磁场不平衡，并产生不平衡磁拉力。当转子绕组匝间短路匝数较多时，经常出现大轴振动超标的问题。此外，短路故障在转子端部形成单极磁场，该磁场沿轴瓦、大轴流通，容易导致大轴磁化，还可能在轴颈部位感应轴电压并发生放电，造成轴瓦电腐蚀。

转子绕组匝间短路分为不稳定短路和稳定短路两种类型。对于不稳定短路，当发电机负荷或振动状态改变时，故障特征消失或者出现，因此，常规的离线检测方法很难发现不稳定短路，在线检测方法则对于不稳定短路和稳定短路都是适用的。

在过去数十年时间里，国内外学者提出的在线诊断方法包括：定子绕组并联支路环流法、轴电压法、端部漏磁法、励磁电流法、虚功率法、期望电动势法、检测线圈法和定子侧检测线圈法等。

轴电压法和端部漏磁法利用大轴和端部感应偶次或分数次谐波电压诊断转子绕组匝间短路故障。在实际应用中，受传感器安装困难、信号干扰等因素的影响，这两种方法实施起来的效果并不好。2004年中国电机工程学报发表的《基于定子线圈检测的转子匝间短路故障识别方法》提出的定子绕组并联支路环流法建议在汽轮发电机定子一相绕组的两条支路上分别安装电流互感器，通过回路内环流反映转子绕组匝间短路故障。理论上该方法是十分有效的，然而，由于发电机定子三相绕组出线位置的空间有限，很多发电机没有在定子绕组的两条支路上都安装电流互感器，无法测量环流。励磁电流法根据转子绕组匝间短路后发电机励磁电流相对增大、无功功率相对下降的特点，提出利用励磁电流和无功功率的相对偏差诊断转子绕组匝间短路故障。该方法采用解析表达式进行励磁电流的计算，误差较大，通常仅能发现2匝以上的短路故障。虚功率法利用发电机电磁功率的理论值与实际值的偏差诊断转子绕组匝间短路故障，该方法需要获取发电机的励磁电流，仅适用于静止励磁发电机，调相运行的汽轮发电机的电磁功率为零，该方法并不适用。2014年中国电机工程学报发表的《基于功率期望原理的汽轮发电机励磁绕组短路故障诊断》对上述方法进行了改进，提出同时以电磁功率和无功功率的相对偏差诊断转子绕组匝间短路故障，使得该方法适用于调相运行的汽轮发电机。2016年IEEE Transactions on Energy Conversion发表的《Diagnosis of short circuit faults within turbogenerator excitationwinding based on the expected electromotive force method》则采用有限元法建立了发电机的空载电动势关于励磁电流和有功功率的二维曲面，并将其与发电机实际空载电动势比较，判断转子绕组匝间短路故障。该方法的诊断精度比常规方法有明显的提高，但只适用于静止励磁汽轮发电机。2004年中国电机工程学报发表的《汽轮发电机转子绕组匝间短路的在线检测方法的研究》等研究的检测线圈法提出在发电机气隙安装径向和切向的微型检测线圈，利用该检测线圈对发电机的旋转磁场进行微分，当转子某槽绕组发生匝间短路时，该槽槽口位置的漏磁通比绕组正常时的漏磁通小，检测线圈扫过该槽时所感应的电压脉冲也比正常值小，这样，根据检测线圈感应的高频电压脉冲幅值差异就可以判断转子绕组匝间短路故障。该检测线圈法近些年获得了广泛的应用，但实践经验证明：该检测线圈法仅在汽轮发电机空载和短路状态下具有较高的诊断精度和定位准确度，当发电机负载运行时，电枢反应磁场的干扰使得该方法的灵敏度急剧下降，在线诊断效果不理想。2014年中国电机工程学报发表的《发电机绕组匝间故障检测的新型检测线圈》提出的检测线圈法建议在发电机定子槽内安装大尺寸的磁场检测线圈，通过该线圈感应的特定谐波电动势诊断转子绕组匝间短路故障。该方法与定子绕组并联支路环流法是极为类似的，只不过该方法用额外加装的检测线圈代替了现有的发电机定子一相绕组的两条并联支路。加装的检测线圈的两个有效边分别埋置在定子的两个齿槽内。大型发电机的定子齿槽空间有限，通常仅能容纳上、下层线棒，剩余空间用绝缘材料和弹性波纹板填满，在定子齿槽中额外安装检测线圈不仅没有足够的空间，即使能够安装该检测线圈，也将对定子绕组的绝缘构成极大威胁，这对于视安全为生命的发电机制造厂和发电厂是绝对不允许的。因此，该方法只在实验室进行了验证，投入实际应用的可行性不高。

总之，尽管目前对汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测十分重视，但现有的诊断方法在应用中都还存在一些不足，因此有必要进一步提高此类故障的诊断水平。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置及方法，能够解决现有技术的不足，提高此类故障的诊断水平。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置，其特征在于：包括在发电机内部横跨定子铁心段径向安装的U形检测线圈，U形检测线圈出口处并联高阻值电阻，U形检测线圈由高强度合金构成，包围定子铁心段，与定子铁心段及定子绕组无碰触，U形检测线圈的底部位于定子和转子之间的气隙中。

作为优选，高阻值电阻的阻值大于1000Ω。

一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

A、在发电机内部横跨定子铁心段安装径向的U形检测线圈，U形检测线圈的输出端口并联高阻值电阻，利用数据在线采集和实时分析系统处理检测线圈输出端的电压信号；

B、在发电机运行过程中，利用在线采集系统实时采集U形检测线圈出口的电压信号，并对采集到的电压信号进行实时的数据处理，得到相应的谐波相对于基波的百分比含量，将上述百分比含量与设定阈值相比较，当相应谐波的相对含量超出设定阈值时，判定该汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；根据U形检测线圈出口的电压信号的时域特征判断故障槽位置。

作为优选，相应谐波的相对含量与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

作为优选，使用故障特征谐波之和相对于基波的百分比含量作为故障判据；

对于1对极汽轮发电机，使用以下判据：

对于2对极汽轮发电机，使用以下判据：

其中，A₁为基波幅值，A₂为2次谐波幅值，A₄为4次谐波幅值，A₆为6次谐波幅值，A_1/2为1/2次谐波幅值，A_3/2为3/2次谐波幅值，A_5/2为5/2次谐波幅值，a％为故障特征谐波之和相对于基波的百分比含量。

作为优选，故障判定阈值设定为5％。

作为优选，转子绕组正常情况下，汽轮发电机转子磁势为阶梯形波，通过傅立叶分析可以将励磁磁势分解为一系列谐波，在静止坐标系下励磁磁势表示为，

转子绕组发生短路故障后，被短路的转子绕组无电流流过，励磁磁势变得不对称，故障磁势等于正常磁势与被短路匝流过反向电流形成的磁势的叠加，对反向流过被短路转子绕组的电流形成的磁势进行傅里叶分解，得，

对于1对极汽轮发电机，出现的2次、4次、6次等偶数次谐波是匝间短路故障前没有的；对于2对极汽轮发电机，1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波是匝间短路故障前没有的；

当发电机处于空载工况时，沿转子圆周的气隙磁通密度表示为，

设定初始时刻检测线圈位于转子N极轴线位置，穿过检测线圈的磁通为零，随着转子旋转，穿过检测线圈的磁通增加，经过t时间后，穿过检测线圈的磁通表示为，

则检测线圈所感应的交流电势表示为：

检测线圈是一种磁场测量线圈，检测线圈所感应的电动势与发电机气隙磁场相似，检测线圈感应电压波形能够反映发电机主磁场波形；发电机出现了转子绕组匝间短路后，气隙磁场中将出现偶数次或分数次谐波，这些谐波将在检测线圈的感应电压中体现出来；

对于1对极汽轮发电机或2对极汽轮发电机，由于转速不同，因此故障特征谐波磁场在检测线圈上感应的电压频率也不相同；

当1对极汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，检测线圈的感应电动势中将出现2次、4次、6次等谐波，发电机正常运行时检测线圈感应电压频率则为基波、3次、5次等奇数次谐波，选取2次、4次、6次等谐波作为1对极汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据；

当2对极汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，检测线圈的感应电动势中将出现1/2次，3/2次、2次、5/2次谐波，发电机正常运行时检测线圈感应电压频率则为基波、3次、5次等奇数次谐波，将1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波作为2对极汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据

作为优选，转子不同槽发生匝间短路时，检测线圈输出电压的时域波形具有差异；某一槽短路，当检测线圈扫过该故障槽时，其输出电压将形成了局部的波峰和波谷，局部波峰和波谷的中间点对应的时刻为检测线圈扫过故障槽的时刻；通过检测线圈的输出电压波形判定转子绕组匝间短路的位置，实现故障定位。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明的诊断方法具有良好的适应性，同时适用于静止励磁汽轮发电机和旋转励磁汽轮发电机。该方法具有极高的灵敏度，可以对汽轮发电机的转子绕组绝缘状态进行在线监测，能够发现汽轮发电机最轻微的一匝短路故障，并且能够进行故障定位。检测线圈在发电机制造或大修阶段安装，可靠性高且不干扰发电机正常运行，这对于防止汽轮发电机转子绕组匝间短路故障恶化、降低非计划停运时间造成的经济损失以及提高电力系统稳定性都有着重要意义。

现有技术中，发明专利“CN201310424228-一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法”提出了一种定子绕组匝间短路故障诊断方法，而本专利则是提出了一种基于新型检测线圈的汽轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法。两者区别如下：

1、发明专利“CN201310424228-一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法”的适用对象是永磁同步电机，并且针对的是定子绕组(永磁同步电机没有转子绕组)匝间短路故障，而本专利的适用对象是汽轮发电机，并且针对的是转子绕组匝间短路故障，两个专利的适用诊断对象是完全不同的。

2、发明专利“CN201310424228-一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法”利用永磁同步电机定子绕组零序电压的基波幅值与三次谐波幅值之比判断是否存在匝间短路故障，利用零序电压中基波的初相位和三相相电流基波的初相位的差来判断故障相。零序电压是通过常规的电压互感器测量后借助坐标变换得到的。本专利提出了在汽轮发电机内部安装新型检测线圈，利用检测线圈感应的2次、4次、6次等(1对极汽轮发电机)或1/2次、3/2次、2次、5/2等(2对极汽轮发电机)谐波电压判断发电机是否存在转子绕组匝间短路故障。

两个专利所采用的传感器完全不同，专利“CN201310424228-一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法”采用常规的电压互感器，由绕组和铁心构成，体积和重量较大，造价较高，测量时需要搬运，接线较为复杂，极为不便；本专利利用永久安装在发电机内部的新型检测线圈采集数据，该新型检测线圈只有一匝，没有铁心，成本极低，接线简单，测量数据方便。

两个专利所采集的信号通道数量及采用的信号处理方式不同，专利“CN201310424228-一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法”需要采集三相电压信号，需要三个数据采集通道，采用坐标变换方式求得零序电压，然后再求取基波和三次谐波的幅值和相位，数据采集成本高，信号处理较为繁琐；本专利则只需要采集检测线圈输出的一个通道的信号，单通道数据采集设备成本更低，信号处理阶段只进行常规的傅里叶分解，求取2次、4次、6次等(1对极汽轮发电机)或1/2次、3/2次、2次、5/2等(2对极汽轮发电机)谐波电压幅值，信号处理更为简易。

两个专利所采用的故障特征量是完全不同的，专利“CN201310424228-一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法”以零序电压的基波幅值与三次谐波幅值之比、零序电压中基波的初相位和三相相电流基波的初相位之差作为故障判据，本专利则以“检测线圈感应的2次、4次、6次等(1对极汽轮发电机)或1/2次、3/2次、2次、5/2次等(2对极汽轮发电机)谐波电压”作为判据。

发明专利“CN201210518935-一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法”提出了一种发电机转子绕组匝间短路故障的检测和定位方法，而本专利提出了一种基于新型检测线圈的汽轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法。两者区别如下：

1、发明专利“CN201210518935-一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法”将定子绕组一条支路作为传感器获取故障信号，需要打开定子一相绕组的并联支路端口，其实施起来是十分困难的。而本专利则是利用安装在发电机内部的新型检测线圈获取故障信号，两个专利采用的传感器完全不同。本专利的信号采集十分容易实现，具有明显的技术优势。

2、发明专利“CN201210518935-一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法”所采用的故障特征信号是定子支路电压中“基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值”，而本专利则是以新型检测线圈感应的2次、4次、6次等(1对极汽轮发电机)或1/2次、3/2次、2次、5/2等(2对极汽轮发电机)谐波电压作为故障判据。

3、发明专利“CN201210518935-一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法”需要打开发电机定子任意一相绕组并联支路端口，使电机空载运行。这种方法属于离线检测方法，只能利用大修时机定期进行，检测周期较长(通常为3-5年)，不能实时对发电机转子绕组的故障进行监测，本专利提出的方法可以长期、连续监测汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障，适用于发电机不同工况，可以实时反映转子绕组健康状态，出现故障时及时报警，防止故障恶化，并且能够定位故障位置，缩短故障维修时间，具有显著的优势。

附图说明

图1是转子绕组正常时的励磁磁势示意图；

图2是被短路转子绕组通入反向电流所产生的磁势示意图；

图3是检测线圈的安装示意图；

图4是TA1100-78型发电机二维模型示意图；

图5是发电机空载转子12号槽0-4匝短路时检测线圈磁通量；

图6是发电机额定负载转子12号槽0-4匝短路时检测线圈磁通量；

图7是发电机空载转子12号槽0-4匝短路时检测线圈感应电压；

图8是发电机额定负载转子12号槽0-4匝短路时检测线圈感应电压；

图9是发电机空载转子绕组正常时检测线圈感应电压的谐波；

图10是发电机空载转子12号槽绕组1匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图11是发电机空载转子12号槽绕组2匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图12是发电机空载转子12号槽绕组3匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图13是发电机空载转子12号槽绕组4匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图14是发电机额定负载转子绕组正常时检测线圈感应电压的谐波；

图15是发电机额定负载转子12号槽绕组1匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图16是发电机额定负载转子12号槽绕组2匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图17是发电机额定负载转子12号槽绕组3匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图18是发电机额定负载转子12号槽绕组4匝短路时检测线圈感应电压的谐波；

图19是发电机空载运行时U型检测线圈定位原理图。

图20是发电机负载运行时U型检测线圈定位原理图。

图中：1、高阻值电阻，2、U形检测线圈，3、定子绕组，4、定子铁心分段，5、定子铁心段，6、转子绕组，7、转子铁心。

具体实施方式

本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。

文中各符号清单为：P、汽轮发电机的极对数，通常情况下P＝1或P＝2；i、正整数，i＝1、2、3、4……；F_f、转子绕组正常时发电机的励磁磁势；△F_f、被短路转子绕组通入反向电流所产生的磁势；θ_r、转子空间电角度；β、转子槽间电角度；α_k、第k槽绕组匝数；γ、大齿区占转子圆周的角度；I_f、励磁电流；m、短路槽号；Q、短路匝数；N、转子总槽数的四分之一；k、正整数，k＝1～N；j、正整数，j＝1、2、3、4……；n、正奇数，n＝1、3、5、7……；Bn、n次谐波磁通密度幅值；ω_r、转子旋转的机械角速度；ω、转子旋转的电角速度，ω＝2πf＝314(rad/S)；L、检测线圈的轴向有效长度；R、检测线圈的探头距离转子中心的长度；A_1/2、1/2次谐波幅值；A₁、基波幅值；A_3/2、3/2次谐波幅值；A₂、2次谐波幅值；A_5/2、5/2次谐波幅值；A₄、4次谐波幅值；A₆、6次谐波幅值。

一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置，其特征在于：包括在发电机内部横跨定子铁心段5径向安装的U形检测线圈2，U形检测线圈2出口处并联高阻值电阻1，U形检测线圈2由高强度合金构成，包围定子铁心段，与定子铁心段及定子绕组无碰触，U形检测线圈2的底部位于定子和转子之间的气隙中。

高阻值电阻1的阻值大于1000Ω。

一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，包括以下步骤：

A、在发电机内部横跨定子铁心段安装径向的U形检测线圈2，U形检测线圈的输出端口并联高阻值电阻1，利用数据在线采集和实时分析系统处理检测线圈输出端的电压信号；

B、在发电机运行过程中，利用在线采集系统实时采集U形检测线圈出口的电压信号，并对采集到的电压信号进行实时的数据处理，得到相应的谐波相对于基波的百分比含量，将上述百分比含量与设定阈值相比较，当相应谐波的相对含量超出设定阈值时，判定该汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；根据U形检测线圈出口的电压信号的时域特征判断故障槽位置。

相应谐波的相对含量与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

使用故障特征谐波之和相对于基波的百分比含量作为故障判据；

对于1对极汽轮发电机，使用以下判据：

对于2对极汽轮发电机，使用以下判据：

其中，A₁为基波幅值，A₂为2次谐波幅值，A₄为4次谐波幅值，A₆为6次谐波幅值，A_1/2为1/2次谐波幅值，A_3/2为3/2次谐波幅值，A_5/2为5/2次谐波幅值，a％为故障特征谐波之和相对于基波的百分比含量。

故障判定阈值设定为5％。

转子绕组正常情况下，汽轮发电机转子磁势为阶梯形波，见图1。通过傅立叶分析可以将励磁磁势分解为一系列谐波，在静止坐标系下励磁磁势表示为，

转子绕组发生短路故障后，被短路的转子绕组无电流流过，励磁磁势变得不对称，故障磁势等于正常磁势与被短路匝流过反向电流形成的磁势的叠加，反向流过被短路转子绕组的电流形成的磁势见图2，对其进行傅里叶分解，得，

对于1对极汽轮发电机，出现的2次、4次、6次等偶数次谐波是匝间短路故障前没有的；对于2对极汽轮发电机，1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波是匝间短路故障前没有的；

在发电机定子铁心段上安装U型检测线圈,见图3。当发电机处于空载工况时，沿转子圆周的气隙磁通密度表示为，

设定初始时刻检测线圈位于转子N极轴线位置，穿过检测线圈的磁通为零，随着转子旋转，穿过检测线圈的磁通增加，经过t时间后，穿过检测线圈的磁通表示为，

则检测线圈所感应的交流电势表示为：

检测线圈是一种磁场测量线圈，检测线圈所感应的电动势与发电机气隙磁场相似，检测线圈感应电压波形能够反映发电机主磁场波形；发电机出现了转子绕组匝间短路后，气隙磁场中将出现偶数次或分数次谐波，这些谐波将在检测线圈的感应电压中体现出来；

对于1对极汽轮发电机或2对极汽轮发电机，由于转速不同，因此故障特征谐波磁场在检测线圈上感应的电压频率也不相同；

当1对极汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，检测线圈的感应电动势中将出现2次、4次、6次等谐波，发电机正常运行时检测线圈感应电压频率则为基波、3次、5次等奇数次谐波，选取2次、4次、6次等谐波作为1对极汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据；

当2对极汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，检测线圈的感应电动势中将出现1/2次，3/2次、2次、5/2次谐波，发电机正常运行时检测线圈感应电压频率则为基波、3次、5次等奇数次谐波，将1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波作为2对极汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据。

转子不同槽发生匝间短路时，检测线圈输出电压的时域波形具有差异；某一槽短路，当检测线圈扫过该故障槽时，其输出电压将形成了局部的波峰和波谷，局部波峰和波谷的中间点对应的时刻为检测线圈扫过故障槽的时刻；通过检测线圈的输出电压波形判定转子绕组匝间短路的位置，实现故障定位。

本实施例以TA1100-78型汽轮发电机(2对极)作为算例，机组参数见表1，建立的2维电磁场仿真模型如图4所示。

表1TA1100-78型汽轮发电机参数

设置TA1100-78型汽轮发电机转子N极12号槽绕组发生0-4匝短路，得到在转子一个旋转周期内，穿过检测线圈的磁通量的变化规律如图5、图6所示。

从图5、图6可以看到：发电机未发生转子绕组匝间短路时，穿过检测线圈的磁通波形呈现出良好的对称特征；发生转子绕组匝间短路故障后，对称性被破坏，当发生短路的故障极磁通穿过检测线圈时，检测线圈内部的磁通量明显小于正常极磁通穿过检测线圈时的磁通量，检测线圈磁通量变得不对称。

检测线圈的感应电压等于穿过检测线圈的磁通量的微分，如图7、图8所示。

由图7、图8可见：发电机发生转子绕组匝间短路故障后，感应电压波形变得不对称。对检测线圈的感应电压进行傅里叶分解，得到感应电压中的各次谐波含量，见图9—图18。

由图9—图18可以看到：无论发电机空载还是带额定负载运行，转子绕组短路1匝时，1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波含量已经较转子绕组正常时有明显增加，随着短路匝数增多，1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波呈现了显著的增大趋势。因此，利用U型检测线圈感应的特定频率的谐波电压诊断汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障是非常有效的，可以发现轻微的1匝短路故障。

针对上述特征，在对TA1100-78型汽轮发电机进行转子绕组短路故障在线诊断时，可以以上述特征谐波之和相对于基波的百分比含量作为故障判据：

将故障诊断的阈值设定为5％。

为检验U型检测线圈法的故障定位功能，分别设置转子7-11号槽绕组发生1匝短路故障，得到U型检测线圈的感应电压，见图19和图20。

从图19可以看到：发电机空载运行时，转子不同槽发生匝间短路时，检测线圈输出电压的波形具有显著的差异。某一槽短路时，在故障槽两侧形成了局部的波峰和波谷，短路槽位于局部波峰和波谷的中部。不同槽短路时，局部波峰和波谷在时间上相互错开，整齐排列，相邻故障槽对应的波形错开的时间等于转子转过一个齿槽所需的时间。因此，转子绕组匝间短路的位置可以通过检测线圈的输出电压波形进行判定，新型检测线圈具有故障定位功能。

从图20可以看到：发电机额定负载运行时，转子不同槽发生匝间短路时，检测线圈输出电压的波形也具有显著的差异。大部分槽短路时，在故障槽附近均形成了局部的波峰和波谷，但短路槽并不刚好位于局部波峰和波谷的中部，这主要是受发电机负载运行时气隙磁场扭斜的影响。这一现象并不影响对转子绕组匝间短路故障的定位，因为在停机处理故障前，发电机需要经过空载阶段，可以利用空载阶段检测线圈的感应电压进行故障的准确定位。

检测线圈为U形结构，可以在发电机制造阶段或大修抽出转子安装，安装检测线圈具有足够的空间。检测线圈跨越一个定子铁心段，从定子相邻槽的两个线棒之间穿过，应保证检测线圈的强度，选择具有高电阻率、高强度同时具有一定韧性的合金材料制作而成。应采用合理的固定方式，以保持检测线圈与定子铁心段及线棒不发生接触。检测线圈的气隙部分的截面积应制作得尽可能小，以减小探头位置在高强度磁场下的涡流损耗。

检测线圈检测发电机主磁场中的2次、4次、6次(1对极汽轮发电机)或1/2次，3/2次、2次、5/2次(2对极汽轮发电机)谐波，该谐波与检测线圈相对于转子的距离是无关的，因此，检测线圈的探头不需靠近转子，可以紧贴定子内壁，为转子高速旋转留下了足够的空间，应用更为安全。

检测线圈包围定子铁心段，因此，检测线圈回路呈现出较大的电感值，且该电感随着局部磁场的饱和程度而改变。为了保证检测线圈输出信号不受该电感的影响，在检测线圈输出端并联一个高阻值恒定电阻(1000欧以上)，利用信号采集装置直接采集电阻两端的电压。检测线圈的感应电压值较低，不会超过常规信号采集装置的电压上限，利用常规的数据采集装置直接采集检测线圈的感应电压信号即可，不需要进行降压或放大处理，采集过程简单。

利用检测线圈感应的2次、4次、6次(1对极汽轮发电机)或1/2次，3/2次、2次、5/2次(2对极汽轮发电机)谐波电压可以有效诊断出汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障，特别适用于对汽轮发电机轻微转子绕组匝间短路故障的在线检测，能够发现发电机转子绕组1匝短路故障。随着转子绕组匝间短路程度的加重，检测线圈感应电压的2次、4次、6次(1对极汽轮发电机)或1/2次，3/2次、2次、5/2次(2对极汽轮发电机)谐波含量越来越大，因此，本方法还可以反映出转子绕组匝间短路故障的严重程度和发展趋势。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置，其特征在于：包括在发电机内部横跨定子铁心段(5)径向安装的U形检测线圈(2)，U形检测线圈(2)出口处并联高阻值电阻(1)，U形检测线圈(2)由高强度合金构成，包围定子铁心段，与定子铁心段及定子绕组无碰触，U形检测线圈(2)的底部位于定子和转子之间的气隙中。

2.根据权利要求1所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置，其特征在于：高阻值电阻(1)的阻值大于1000Ω。

3.一种使用权利要求1或2任意一项所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于包括以下步骤：

A、在发电机内部横跨定子铁心段安装径向的U形检测线圈(2)，U形检测线圈的输出端口并联高阻值电阻(1)，利用数据在线采集和实时分析系统处理检测线圈输出端的电压信号；

B、在发电机运行过程中，利用在线采集系统实时采集U形检测线圈(2)出口的电压信号，并对采集到的电压信号进行实时的数据处理，得到相应的谐波相对于基波的百分比含量，将上述百分比含量与设定阈值相比较，当相应谐波的相对含量超出设定阈值时，判定该汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；根据U形检测线圈(2)出口的电压信号的时域特征判断故障槽位置。

4.根据权利要求3所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于：相应谐波的相对含量与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

5.根据权利要求3所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于：使用故障特征谐波之和相对于基波的百分比含量作为故障判据；

对于1对极汽轮发电机，使用以下判据：

$a\%=\frac{A_2+A_4+A_6}{A_1}\×100\%;$

对于2对极汽轮发电机，使用以下判据：

$a\%=\frac{A_{1/2}+A_{3/2}+A_2+A_{5/2}}{A_1}\×100\%$

其中，A₁为基波幅值，A₂为2次谐波幅值，A₄为4次谐波幅值，A₆为6次谐波幅值，A_1/2为1/2次谐波幅值，A_3/2为3/2次谐波幅值，A_5/2为5/2次谐波幅值，a％为故障特征谐波之和相对于基波的百分比含量。

6.根据权利要求5所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于：故障判定阈值设定为5％。

7.根据权利要求3所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于：

转子绕组正常情况下，汽轮发电机转子磁势为阶梯形波，通过傅立叶分析可以将励磁磁势分解为一系列谐波，在静止坐标系下励磁磁势表示为，

$F_f\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\frac{4I_f}{\mathrm{\π}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k\sin \[(2i-1)\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\γ}+2k\mathrm{\β}}{2}\]\}\×\frac{{(-1)}^{i-1}}{2i-1}\cos P(2i-1){\mathrm{\θ}}_r;$

转子绕组发生短路故障后，被短路的转子绕组无电流流过，励磁磁势变得不对称，故障磁势等于正常磁势与被短路匝流过反向电流形成的磁势的叠加，对反向流过被短路转子绕组的电流形成的磁势进行傅里叶分解，得，

${\mathrm{\ΔF}}_f\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\frac{-2{\mathrm{QI}}_f}{\mathrm{\π}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{\sin j\left(\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\γ}+2m\mathrm{\β}}{2}\right)}{j}\×{\mathrm{cosj\θ}}_r;$

对于1对极汽轮发电机，出现的2次、4次、6次等偶数次谐波是匝间短路故障前没有的；对于2对极汽轮发电机，1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波是匝间短路故障前没有的；

当发电机处于空载工况时，沿转子圆周的气隙磁通密度表示为，

$B\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{B}_{n}cos\left({\mathrm{nP\θ}}_r\right);$

设定初始时刻检测线圈位于转子N极轴线位置，穿过检测线圈的磁通为零，随着转子旋转，穿过检测线圈的磁通增加，经过t时间后，穿过检测线圈的磁通表示为，

$\begin{array}{c}\mathrm{\Φ}\left(t\right){\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_{r}t}B\left({\mathrm{\θ}}_r\right)Ld\left({\mathrm{\θ}}_{r}R\right)\\ =LR\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_{r}t}{B}_n\cos \left({\mathrm{nP\θ}}_r\right)d\left({\mathrm{\θ}}_r\right)\\ =\frac{LR}{P}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{B_n}{n}\sin \left({\mathrm{nP\ω}}_{r}t\right)\\ =\frac{LR}{P}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{B_n}{n}\sin \left(n\mathrm{\ω}t\right)\end{array};$

则检测线圈所感应的交流电势表示为：

$e\left(t\right)=\frac{d\mathrm{\Φ}\left(t\right)}{dt}=\frac{LR\mathrm{\ω}}{P}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{B}_{n}cos\left(n\mathrm{\ω}t\right);$

检测线圈是一种磁场测量线圈，检测线圈所感应的电动势与发电机气隙磁场相似，检测线圈感应电压波形能够反映发电机主磁场波形；发电机出现了转子绕组匝间短路后，气隙磁场中将出现偶数次或分数次谐波，这些谐波将在检测线圈的感应电压中体现出来；

对于1对极汽轮发电机或2对极汽轮发电机，由于转速不同，因此故障特征谐波磁场在检测线圈上感应的电压频率也不相同；

当1对极汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，检测线圈的感应电动势中将出现2次、4次、6次等谐波，发电机正常运行时检测线圈感应电压频率则为基波、3次、5次等奇数次谐波，选取2次、4次、6次等谐波作为1对极汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据；

当2对极汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，检测线圈的感应电动势中将出现1/2次，3/2次、2次、5/2次谐波，发电机正常运行时检测线圈感应电压频率则为基波、3次、5次等奇数次谐波，将1/2次，3/2次、2次、5/2次等谐波作为2对极汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的判据。

8.根据权利要求3所述的基于检测线圈的汽轮发电机转子匝间短路诊断装置的诊断方法，其特征在于：转子不同槽发生匝间短路时，检测线圈输出电压的时域波形具有差异；某一槽短路，当检测线圈扫过该故障槽时，其输出电压将形成了局部的波峰和波谷，局部波峰和波谷的中间点对应的时刻为检测线圈扫过故障槽的时刻；通过检测线圈的输出电压波形判定转子绕组匝间短路的位置，实现故障定位。