汽轮发电机转子绕组匝间短路故障程度诊断方法

汽轮发电机转子绕组匝间短路故障程度诊断方法

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（1.华电电力科学研究院有限公司山东济南250100；2.华电章丘发电有限公司山东济南250200；

3.安徽华电芜湖发电有限公司安徽芜湖241080）

摘要：在汽轮发电机运行过程当中，转子绕组匝间短路故障可说是极其常见的一种故障。而造成其短路故障的原因较多，一方面由于电机制造过程中线圈绝缘、绕组固定等工艺问题；另一方面由于运行过程中长期振动、频繁调峰等运行原因；还有就是由于维护、检修过程中的一些不当操作破坏了绕组绝缘。随着投入到电力系统的大型机组逐渐增多，发电机发生转子匝间短路故障的概率相对也有所增加。为了能够更精确的识别出转子匝间短路的故障程度，相关从业人员应当从实践与理论中找方法，实施优化与创新，以确保机组能够正常、安全的运行。本文通过对SDF－9型故障模拟机组的验证分析，得出一套能够精确、有效识别出转子绕组匝间短路的故障程度，以便合理安排转子绕组匝间短路故障状态下汽轮发电机组的运行和检修，方法简单且无需加装新传感器，能够为现场发电机的经济可靠运行提供指导性建议。

关键词：汽轮发电机；转子绕组匝；短路故障程度；诊断方法

1汽轮发电机转子绕组匝间短路故障概述

目前，国内转子绕组匝间短路故障检测方法的研究开展的较为深入，主要的方法有探测线圈法、励磁电流法以及定转子振动检测法。另外，针对转子绕组匝间短路时不平衡磁拉力、电磁转矩、轴电压以及端部漏磁的研究也有开展。虽然这些方法能够很好的检测出匝间短路故障的存在，但是并不能精确的检测出绕组的短路程度。实践证明，轻微的匝间短路故障对发电机的正常工作影响不大，发电机仍可以继续运行。一旦故障扩大，造成多匝甚至整槽绕组短路，会使得发电机励磁电流显著增大，无功输出下降，绕组温度上升，引起机组的剧烈振动，严重时会造成转子一点或两点接地甚至更严重的事故。因此，如果在监测发电机转子匝间短路的同时能够准确诊断出故障程度，使电厂能够合理调配机组发电容量和安排检修，对电厂的安全、经济运行有着重要的现实意义。

灰色关联分析是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度作为衡量因素间关联程度的一种方法。灰色关联分析对样本量的要求不大，因此根据少量的观测信息即可得到相对准确可靠的结果。但是在汽轮发电机转子匝间短路的故障诊断中应用灰色关联分析法，则能够有效的诊断出高压断路器的机械故障，并识别出轴承滚动体故障的程度。

2灰色关联理论的概述

灰色理论是著名教授邓聚龙首创的判断各因素之间关联关系的科学理论。它对样本的需求量很小，也不要求样本数据具有规律性，符合定性分析的结果。灰色理论主要是通过确定故障程度的数量，并对各不同因素间的量纲进行比较和计算来得出更加精准的结论，再求取之间的关联系数、关联度和关联度的排序。从参考数列与比较数列的关联程度大小来排序，也就是故障程度的排序，最后从中找出故障所对应的故障特征序列，以来此来确定最有可能的故障程度。此外，若在灰色关联分析当中加入熵权理论法，则在一定程度能促使所分析的结果更具客观和准确。

3发电机转子绕组匝间短路故障程度诊断分析

采用改进熵权与灰色关联理论来识别汽轮发电机转子绕组匝间短路故障程度，实际上是根据已有的故障程度样本空间计算出各故障征兆的熵权指标，再计算出待检测的故障序列与各故障程度序列的加权灰色关联度，将关联度进行从大到小排序，得到最有可能的故障程度，给出对应的诊断结论。

经实践表明转子绕组发生匝间短路后会引起励磁电流增加。所以说励磁电流If可作为模型的评价指标。并且当发生一对极发电机转子绕组发生匝间短路后，转子的基频振动增加，定子的基频振动增加。因此，可以选用转子基频振动fr和定子基频振动fs可作为模型的评价指标。另外，实验发现转子振动的三倍频分量f3r大致为增加趋势，而定子振动的二倍频分量f2s大致为减小趋势。

采用上述能够表征转子绕组匝间短路的5个典型故障征兆作为五类评价指标，5种故障程度（0%、3%、6%、12%、15%）作为5类评价对象，构建出转子绕组匝间短路故障程度识别框架，如图1所示。

图1转子绕组匝间短路故障程度识别框架

4模拟机组分析

以SDF－9型一对极故障模拟机组为例进行不同程度的转子绕组匝间短路实验分析。通过比对和分析汽轮发电机转子匝间短路的故障征兆，可运用励磁电流If、转子基频振动fr、转子三倍频振动f3r、定子基频振动fs和定子二倍频振动f2s5种故障特征作为灰色关联评价指标，进行初步灰色关联分析。

通过分析，当保持机端电压和有功基本不变的情况下，定子电流变化不大，励磁电流呈上升趋势。但是随着短路程度的增加转子基频振动也会随之增加，转子3倍频振动分量虽有所波动，但整体为增大趋势，定子基频振动增加，定子三倍频振动分量减少。在对转子匝间短路故障数据进行采集和统计的同时，将数据进行无量纲归一化处理，再以此进行灰色关联分析，可得到相应灰色关联度ri。若仅采用灰色关联度无法准确的判定出短路程度，则可计算各匝间短路故障特征的改进熵权，从而进一步的提升精准度。由此可诊断出转子匝间的短路程度。与一般灰色关联度的诊断效果相比，加入熵权的灰色关联分析法更好，由此可说明基于熵权与灰色关联理论的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障程度诊断模型的有效性和准确性。

5在发电机转子绕组匝间短路故障中比较常用的检测方法

5.1直流电阻法

标准规定，交接和每次大修时，都应对转子绕组的直流电阻进行测量，并与基值数据比较，其变化应不超过2%，否则须查明变化的原因。直流电阻法灵敏度低，据计算，仅当绕组短路匝的数量超过总匝数的2%时，直流电阻值才会超过规定值。转子绕组直流电阻与上次测量值相比偏小，但未超过2%的标准，因此无法判断是否存在匝间短路故障。

5.2交流阻抗和功率损耗试验

测量转子绕组交流阻抗和功率损耗是判断有无匝间短路比较灵敏的方法之一。在交流电压下，流经短路匝中的短路电流要比正常匝中的电流大很多，该电流具有强烈的去磁作用，并导致交流阻抗显著下降，功率损耗明显增加

5.3单开口变压器法

单开口变压器法是现场广泛采用的一种判定匝间短路故障部位较为有效的方法。试验时在转子绕组中通入交流电，转子槽齿上便产生交变磁通。利用开口变压器和槽齿构成闭合磁路，测量转子各槽上漏磁通引起的感应电压及感应电压与电源电压之间的夹角。若某一槽存在短路线匝，则开口变压器绕组的感应电势及相位将有明显变化，通过比较各槽测量相位，即可判断是否存在匝间短路。

结束语：

本文主要通过分析汽轮发电机发生转子匝间短路后的故障特征，并以此来提出基于改进熵权与灰色关联理论的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障程度诊断方法。该方法将待检测的故障序列与故障样本空间进行灰色加权关联度分析，再依据最大关联度而得出故障程度诊断结果。此方法能够更加有效且精确效的识别出转子匝间短路的故障程度，能够为现场机组运行提供指导性建议，合理安排检修时间，在保证运行安全的前提下更大程度的提高经济效益。

参考文献：

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