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基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法

阅读：916发布：2021-02-23

IPRDB可以提供基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，该方法选取水轮发电机定子铁心穿心螺杆的一段，在其两端通过定子铁心段间间隙向外引出测量线，通过测量线连接数据采集装置，利用在线采集系统实时采集穿心螺杆的感应电压。对采集到的穿心螺杆感应电压进行实时的数据处理，比较不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差，当电压差超出设定阈值时，判定该水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。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。，下面是基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，其特征在于：取发电机定子铁心穿心螺杆的一段，在其两端通过定子铁心段间间隙向外引出测量线，通过引出线采集穿心螺杆的感应电压；利用在线采集系统实时采集穿心螺杆的感应电压，并对采集到的感应电压进行实时的数据处理，比较不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差，当电压差超出设定阈值时，判定该水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

2.根据权利要求1所述的基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，其特征在于：不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

3.根据权利要求1所述的基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，其特征在于：将采集的穿心螺杆输出的实时电压值与相隔0.02S的整数倍的历史电压数据进行比较，偏差为：ΔU＝U(t)-U(t-k×0.02)

当ΔU超过设定阈值时即判定水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；其中，U为电压值，t为采集时间，k为正整数。

4.根据权利要求3所述的基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，其特征在于：故障判定阈值设定为0.5V。

说明书全文

基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法

技术领域

[0001] 本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法。

背景技术

[0002] 近些年，不少水轮发电机发生了转子绕组匝间短路故障，已见报道的一起匝间短路故障甚至引起了水轮发电机横差保护的动作，因此，水轮发电机的转子绕组匝间短路故
障应引起足够的重视。

[0003] 水轮发电机的转子绕组为集中式，与汽轮发电机的分布式绕组截然不同。一旦水轮发电机出现匝间短路故障，故障极的磁场被削弱，与故障极相邻的两个磁极的磁场也会
受其影响被削弱，造成整个发电机故障侧的单边磁拉力下降，转子受到不平衡磁拉力的作
用，严重的匝间短路可能导致水轮发电机的剧烈振动，这一现象已经在国内一些水轮发电
机上出现了。

[0004] 近些年，经常使用的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法还处于离线水平，常采用的是直流电阻比较法，交流阻抗和功率损耗法，交直流分压电压法等。这些方法都需要在转子绕组的各个磁极上进行测试，通过对比各磁极的直流电阻、交流阻抗和功率损耗等
数据判断水轮发电机是否存在转子绕组匝间短路故障，诊断方法落后，过程耗时较长，造成机组停运时间长，浪费了水资源。因此，提出具有高灵敏度和可靠性的水轮发电机转子绕组匝间短路在线诊断方法是十分迫切的。

[0005] 在汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障诊断方面，人们已经提出了一些在线检测方法，但这些方法并不适用于水轮发电机，这是因为：水轮发电机多达数十对极，转速低，空间尺寸大，定子绕组的分支较多。某一磁极的转子绕组发生匝间短路故障只影响局部的相
关电气量，对整个发电机的影响相对较小，因此，传统的励磁电流法、虚功率法、期望电势法、轴电压法和端部漏磁等很难灵敏地检测出水轮发电机的转子绕组匝间短路故障。水轮
发电机的转子为凸极结构，绕组为集中式，汽轮发电机最常采用的传统探测线圈法也不适
用于水轮发电机，因为传统探测线圈的实际工作部分是它的探头，探头尺寸较小，从定子铁心间隙伸到转子附近，检测转子各齿槽口处的漏磁通，而水轮发电机的磁极尺寸大，没有像汽轮发电机一样的齿槽结构，也就不存在槽漏磁通，因此，传统探测线圈并不适用于水轮发电机转子绕组匝间短路的检测。也有部分文献分析了水轮发电机转子绕组匝间短路故障后
的定子电流和励磁电流的谐波特征，认为通过上述特征可以诊断转子绕组匝间短路故障，
该方法的缺点是没有故障定位功能，目前还未见在水轮发电机上获得应用。此外一些文献
关注了转子绕组匝间短路引起的定子并联支路环流问题，一些水轮发电机在定子并联支路
上安装了电流互感器，但目前只用来对横差保护提供数据，未见其应用于转子绕组匝间短
路故障的在线诊断。

[0006] 总之，尽管目前对水轮发电机的转子绕组匝间短路故障诊断十分重视，但实用且性能优异的在线检测方法严重匮乏，因此，有必要进一步提高此类故障的诊断水平，开发新的水轮发电机转子绕组匝间短路在线检测方法。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，能够解决现有技术的不足，提高此类故障的诊断水平。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

[0009] 一种基于穿心螺杆的水轮发电机转子绕组匝间短路诊断方法，取发电机定子铁心穿心螺杆的一段，在其两端通过定子铁心段间间隙向外引出测量线，通过引出线采集穿心
螺杆的感应电压；利用在线采集系统实时采集穿心螺杆的感应电压，并对采集到的感应电
压进行实时的数据处理，比较不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压
的偏差，当电压差超出设定阈值时，判定该水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

[0010] 作为优选，不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

[0011] 作为优选，将采集的穿心螺杆输出的实时电压值与相隔0.02S的整数倍的历史电压数据进行比较，偏差为：

[0012] ΔU＝U(t)-U(t-k×0.02)

[0013] 当ΔU超过设定阈值时即判定水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障；其中，U为电压值，t为采集时间，k为正整数。

[0014] 作为优选，故障判定阈值设定为0.5V。

[0015] 采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明的诊断方法不需要在水轮发电机内部安装传感器，将水轮发电机的定子穿心螺杆作为磁场测量传感器，只需在穿心螺杆
上引出测量引线即可完成磁场测量，实施起来十分安全、方便。该方法能够发现水轮发电机转子较轻微的匝间短路故障，可以对水轮发电机的转子绕组绝缘状态进行在线监测，这对
于防止水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。

附图说明

[0016] 图1是转子绕组匝间短路后的励磁磁势示意图；

[0017] 图2是水轮发电机局部的穿心螺杆及测量原理示意图；

[0018] 图3是水轮发电机2维仿真模型；

[0019] 图4是水轮发电机2维仿真模型局部图；

[0020] 图5是图3中A部位的局部放大图；

[0021] 图6是水轮发电机空载转子某磁极绕组正常、短路10％和短路20％时某穿心螺杆处的径向磁密；

[0022] 图7是水轮发电机额定负载转子某磁极绕组正常、短路10％和短路20％时某穿心螺杆处的径向磁密；

[0023] 图8是水轮发电机空载转子某磁极绕组正常、短路10％和短路20％时某穿心螺杆感应电压；

[0024] 图9是水轮发电机额定负载转子某磁极绕组正常、短路10％和短路20％时某穿心螺杆感应电压；

[0025] 图10是水轮发电机空载转子某磁极绕组短路10％时检测线圈输出电压与前0.06S时刻电压的偏差。

[0026] 图中：1、故障磁极，2、正常磁极，3、定子铁心，4、转子磁极，5、转子绕组，6、定子绕组，7、穿心螺杆，8、穿心螺杆与铁心间的绝缘层，9、阻尼条，10、数据采集及分析装置，11、定子铁心段间间隙。

具体实施方式

[0027] 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。

[0028] 文中各符号清单为：ωr、转子旋转的机械角速度；Br、磁通密度的径向分量；L、穿心螺杆的有效长度；R、穿心螺杆与转子中心的距离；v、穿心螺杆相对于径向磁场的运动速度；Ff、励磁磁势；θr、沿转子圆周的机械角度；P、水轮发电机的极对数；t、时间；k、正整数，1≤k≤P-1；U、穿心螺杆感应电压。

[0029] 本发明一个具体实施方式包括以下步骤：

[0030] 取发电机定子铁心穿心螺杆的一段，在其两端通过定子铁心段间间隙向外引出测量线，通过引出线采集穿心螺杆的感应电压；利用在线采集系统实时采集穿心螺杆的感应
电压，并对采集到的感应电压进行实时的数据处理，比较不同磁极的相同位置扫过穿心螺
杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差，当电压差超出设定阈值时，判定该水轮发电机存在转
子绕组匝间短路故障。

[0031] 不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差与转子绕组匝间短路故障程度成正比。

[0032] 故障判定阈值设定为0.5V。

[0033] 水轮发电机的转子绕组为集中式结构，当转子某磁极的部分绕组发生匝间短路后，被短路绕组内部电流为零，该磁极的有效匝数减少，所产生的励磁磁势明显小于正常磁极，见图1。

[0034] 为了防止水轮发电机的定子铁心松动，需要借助穿心螺杆进行固定。穿心螺杆与定子铁心的长度相当，穿过冲片上的孔，穿心螺杆与冲片上的孔之间的间隙用绝缘进行填
充，防止因短路引起铁心过热而导致铁心烧坏。穿心螺杆的端部通过绝缘垫块与铁心绝缘，防止各个螺杆通过铁心短接。

[0035] 水轮发电机的穿心螺杆与定子铁心保持了良好的绝缘，是贯穿整个发电机定子铁心的绝缘导体，这为转子绕组匝间短路故障的检测提供了天然的传感器。此外，发电机定子铁心沿轴向采用分段式结构，段与段之间为氢气流通路径，这为测量穿心螺杆电压提供了
引线的安装空间。本文提出在发电机一段穿心螺杆的两端向定子铁心背部引线，测量穿心
螺杆的感应电压，见图2。

[0036] 在发电机转子旋转过程中，径向磁场切割穿心螺杆，在穿心螺杆上感应电压，穿心螺杆的感应电压可以用下式表示：

[0037] U＝BrLv＝BrLωrR

[0038] 通过上式可知：由于L、ωr、R均为常数，因此，穿心螺杆的感应电压波形与穿心螺杆处的气隙磁密的径向分量波形完全相同。水轮发电机转子绕组正常情况下，磁场是完全对称的，各磁极在穿心螺杆上感应的电压幅值也相等；发生转子绕组匝间短路后，发电机磁场变得不对称，故障极在穿心螺杆上感应的电压低于正常磁极，可以根据这一特征诊断水
轮发电机的转子绕组匝间短路故障。

[0039] 下面以某550MW水轮发电机作为算例进行有限元仿真计算，该机组的参数见表1。

[0040] 表1水轮发电机参数

[0041]

[0042]

[0043] 搭建的水轮发电机2维仿真模型见图3，其局部图见图4和图5。

[0044] 仿真分为两种工况进行，即发电机空载额定电压运行和带额定负载运行，穿心螺杆与发电机圆心的距离R＝6.22m，转子旋转的机械角速度
气隙磁密的径向分量相对于穿心螺杆的运动速度v＝ωrR＝14.96×6.22＝93.0512m/s。在
发电机穿心螺杆上截取0.1m长度，在其两端向外引出电压测量线，发电机主磁场的径向分
量以同步速切割穿心螺杆，根据势e＝BrLv可知该段穿心螺杆的输出电压与穿心螺杆处的
径向磁通密度具有相同的波形。

[0045] 分别设置转子某磁极绕组正常、短路10％和短路20％，得到的发电机主磁场径向分量如图6和图7所示：

[0046] 从图6和图7可以看到：无论水轮发电机空载还是负载运行，当转子绕组正常时，各磁极磁场的径向分量大小基本相同；当某磁极绕组发生匝间短路故障后，该磁极磁场的径向分量明显小于磁极正常的情况(椭圆区域)，受该极磁场削弱的影响，与该磁极相邻的两
个磁极磁场的径向分量也有所减弱(矩形区域)。

[0047] 图8和图9为发电机不同短路程度时穿心螺杆的感应电压情况，可以看到：受转子绕组匝间短路的影响，故障磁极在穿心螺杆上的感应电压明显低于正常磁极的感应电压
值。因此，可以用不同磁极的相同位置扫过穿心螺杆时在穿心螺杆上感应电压的偏差作为
故障判据，具体可以按以下步骤实施：

[0048] 将采集的穿心螺杆输出的实时电压值与相隔0.02S的整数倍的历史电压数据进行比较，偏差为：

[0049] ΔU＝U(t)-U(t-k×0.02)

[0050] 当ΔU超过设定阈值时即可判定水轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

[0051] 例如，以发电机空载运行且转子某磁极绕组短路10％为例，将穿心螺杆输出的当前电压值与前0.06S时刻(k＝2)的穿心螺杆输出电压值进行比较，得到转子一个旋转周期
(0.42S)内两组电压的偏差见图10。图10存在一个幅值较大的正向脉冲和一个幅值较大的
负向脉冲，其中正向脉冲是故障磁极扫过穿心螺杆的时刻，这时穿心螺杆感应电压与0.06S前时刻的正常磁极在穿心螺杆上感应的电压具有明显的偏差；经过0.06S后，正常磁极扫过穿心螺杆，这时故障磁极在穿心螺杆上感应的电压是作为历史数据(0.06S前时刻)与当前
数据比较的，因此也存在一个明显的偏差。

[0052] 可见，当水轮发电机转子绕组存在匝间短路故障时，在转子的一个旋转周期(0.42S)内，上述电压差值波形将产生2个幅值较大的脉冲，一个正向脉冲和一个负向脉冲，正、负脉冲的距离与k相关，k值越大，正、负脉冲间的距离越大。若转子绕组不存在匝间短路故障，则电压差值波形将不会有幅值较大的脉冲出现。根据上述特征可以诊断水轮发电机
是否发生转子绕组匝间短路故障。

[0053] 利用穿心螺杆在不同磁极处感应电压的幅值差异可以有效诊断出汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障，能够发现水轮发电机较轻微的转子绕组匝间短路故障，随着转子
绕组匝间短路程度的加重，穿心螺杆在不同磁极处感应电压的幅值差异变大，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。

[0054] 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。

[0055] 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。

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