摘要：
　　
　　0引言
　　
　　轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障是發(fā)電機(jī)常發(fā)生的故障之一，由于對機(jī)組正常運(yùn)行影響不大或故障特征不明顯，經(jīng)常被忽略，但長期運(yùn)行下去，匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈1點(diǎn)甚至2點(diǎn)接地，而且發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行在故障狀態(tài)也會(huì)對其壽命產(chǎn)生影響，導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生，因此進(jìn)行匝間短路故障早期預(yù)報(bào)是十分必要的。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)制定了檢測轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障的方法：測量轉(zhuǎn)子靜態(tài)下交流阻抗和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)下氣隙線圈探測。第1種方法是離線檢測，第2種方法在發(fā)電機(jī)空載和三相短路時(shí)效果較明顯，而在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于電樞反應(yīng)，效果受到影響。為了克服其不足，本文對汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路的故障機(jī)理進(jìn)行了深入分析，確定了故障征兆，找到了一種根據(jù)發(fā)電機(jī)已有的在線電氣監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷的方法。
　　
　　1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障機(jī)理分析
　　
　　1．1故障原因
　　
　　汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，且受非常大的電磁力及機(jī)械力作用，匝間短路故障可以說是一種比較常見的故障，發(fā)生這種故障的主要原因有：
　　
　　a．發(fā)電機(jī)啟、停時(shí)的離心力或負(fù)荷變化所引起的熱脹冷縮，使轉(zhuǎn)子線圈發(fā)生位移、變形或局部絕緣損壞，造成匝間短路，尤其對調(diào)峰運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，更應(yīng)引起注意。
　　
　　b．檢修或運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)槽內(nèi)落入異物，造成轉(zhuǎn)子線圈匝間短路。
　　
　　c．制造質(zhì)量較差，轉(zhuǎn)子線圈有毛刺或留有異物顆粒等，都可能在運(yùn)行中導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈匝間短路。
　　
　　雖然發(fā)電機(jī)在輕微轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)仍可在一定條件下堅(jiān)持運(yùn)行，但當(dāng)發(fā)展到一定程度時(shí)，會(huì)因匝間短路，減弱發(fā)電機(jī)有效磁場，在同樣運(yùn)行工況下需要較大的勵(lì)磁電流，甚至可能因此而降低發(fā)電機(jī)的出力，或由于不對稱短路導(dǎo)致振動(dòng)加劇。此外，短路點(diǎn)處的局部過熱可能使故障進(jìn)一步擴(kuò)大為轉(zhuǎn)子繞組接地故障[1]。
　　
　　1．2轉(zhuǎn)子匝間短路電磁特性分析某熱電廠QFNS-200-2型發(fā)電機(jī)由于第1、第2線圈未墊絕緣片，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障，進(jìn)行測量轉(zhuǎn)子靜態(tài)下交流阻抗及功率損耗試驗(yàn)，整體繞組交流阻抗及功率損耗測量值見表1。原因在于在匝間短路時(shí)，在交流電壓作用下，流經(jīng)短路線圈中的短路電流比正常線圈中的電流大，并有強(qiáng)烈的去磁作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子整體繞組交流阻抗下降，功率損耗增加，從而在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，限制了發(fā)電機(jī)無功出力[1,2]。　　當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，氣隙磁勢在載流導(dǎo)體處發(fā)生跳躍，轉(zhuǎn)子磁勢的空間分布應(yīng)為階梯形，可以近似認(rèn)為是梯形，但當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，有短路匝的磁極的磁勢產(chǎn)生局部損失，磁勢峰值和平均值減小，因此匝間短路時(shí)可以認(rèn)為是退磁的磁勢分布，即短路等效磁勢反向作用在有短路的磁極主磁場的磁勢上?？傊?，轉(zhuǎn)子的短路效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致磁場相對減弱。在正常條件下，如果轉(zhuǎn)子繞組磁勢用F。表示，短路線匝產(chǎn)生的磁勢用△F表示，則匝間短路發(fā)生后轉(zhuǎn)子磁勢變?yōu)镕＝Fo-△F。因此，轉(zhuǎn)子匝間短路雖然引起轉(zhuǎn)子電流的增大，但無功卻相對減小，這可作為識(shí)別轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障的一個(gè)明顯的特征[3,4]。
　　
　　從文獻(xiàn)[5]提供的SQF-1OO-2型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障的監(jiān)測數(shù)據(jù)，證實(shí)了轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障引起無功相對減小的論斷。
　　
　　1．3故障診斷數(shù)學(xué)模型
　　
　　在分析發(fā)電機(jī)磁場時(shí)，往往認(rèn)為磁場是不飽和的，磁通勢全部消耗在氣隙中。在發(fā)電機(jī)不飽和時(shí)，發(fā)電機(jī)鐵心處在B-H曲線的直線部分，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流和空載電壓的關(guān)系也處于線性段，這時(shí)的鐵心磁阻較小，相對于氣隙磁阻來說，或可以忽略，或可按鐵心磁阻與氣隙磁阻的比值將氣隙放大，或按實(shí)驗(yàn)的空載特性線性段來加大氣隙長度。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在進(jìn)相狀態(tài)時(shí)，磁場也是不飽和的，這種情況的匝間短路故障診斷方法可見文獻(xiàn)[3]，但是發(fā)電機(jī)通常運(yùn)行在正常勵(lì)磁或過勵(lì)狀態(tài)，氣隙磁場處于飽和狀態(tài)，這時(shí)鐵心磁阻的作用明顯增強(qiáng)，文獻(xiàn)[3]提出的轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障診斷數(shù)學(xué)模型會(huì)產(chǎn)生較大誤差，本文提出了一種考慮飽和影響的方法。
　　
　　發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其氣隙磁場幾由勵(lì)磁磁動(dòng)勢Fδ和電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢Fa共同建立，F(xiàn)f+Fa=Fδ，即Ff＝Fδ-Fa。因此，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流包括兩部分：一部分建立氣隙磁場勵(lì)磁電流ifo，另一部分抵消電樞反應(yīng)磁場的等效勵(lì)磁電流ifao。ifo為發(fā)電機(jī)空載特性曲線上Eδ所對應(yīng)的勵(lì)磁電流，ifa可由負(fù)載電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢換算為等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢kaFa求得，其中ka為換算系數(shù)。
　　
　　圖1是發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行條件下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)的發(fā)電機(jī)氣隙電勢及電樞電流變化的相量圖，漏磁場不受飽和的影響。　　
　　2診斷算例
　　
　　在已知電壓、電流、無功等電氣狀態(tài)監(jiān)測量的條件下，利用上述公式計(jì)算發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)（良好狀態(tài)）下的勵(lì)磁電流if，這個(gè)計(jì)算的勵(lì)磁電流就是*時(shí)的勵(lì)磁電流。采用山東某發(fā)電廠QFSN-300-2水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)電機(jī)參數(shù)為：xδ＝0．117，ω1＝9，ωf＝80，kω1＝0．921，ka=1．05。發(fā)電機(jī)電氣狀態(tài)監(jiān)測量在線記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表2所示。
　　
　　表2是QFSN-300-2型發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)計(jì)算的α，分雖是0.7%和0.9%。表3是SQF100-2型汽輪機(jī)發(fā)生匝間短路故障（轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)側(cè)第18糟短路13匝及汽側(cè)第7糟短路2匝）的α，分別是7.2%，9.0%和4.0%。　　
　　3結(jié)束
　　
　　本文分析了汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)發(fā)生勵(lì)磁電流增加而無功卻相對減小的故障特征，并在考慮發(fā)電機(jī)鐵心磁場飽的條件下，建立了轉(zhuǎn)子線圈匝間短路故障診斷數(shù)學(xué)模型，計(jì)算匝間短路對無功輸出的影響，進(jìn)而建立在線識(shí)別轉(zhuǎn)子匝間短路故障的判據(jù)，并采用現(xiàn)專長匝間短路故障記錄數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。