本發(fā)明涉及發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于雙螺桿的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是同步發(fā)電機的常見故障，該故障的進一步惡化可能造成同步發(fā)電機振動加劇，甚至引起轉(zhuǎn)子一點接地、轉(zhuǎn)子二點接地、失磁以及大軸磁化等問題。因此，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障應引起足夠的重視，采用在線診斷方法檢測同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是未來的發(fā)展趨勢。

目前已提出的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線診斷方法主要有：探測線圈法、勵磁電流法、定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法、虛功率法、期望電勢法、定子探測線圈法、軸電壓法和端部漏磁通法等。其中一些檢測方法是依賴于勵磁電流的準確測量的，如勵磁電流法、虛功率法和期望電勢法等。然而，對于無刷勵磁同步發(fā)電機，勵磁電流是無法準確測量的，故這些方法不適用于無刷勵磁同步發(fā)電機。一些檢測方法理論上具有較高的靈敏度，如定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法、定子探測線圈法、軸電壓法和端部漏磁通法等，但實用性較差。對于定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法，由于當前同步發(fā)電機(特別是汽輪發(fā)電機)定子各相繞組的并聯(lián)支路沒有安裝獨立的電流互感器，僅安裝了測量相電流的互感器，定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法不具備采集數(shù)據(jù)的條件，無法投入實際應用；定子探測線圈法需要在發(fā)電機定子槽中放置大尺寸的探測線圈，可能危害到定子繞組的絕緣，可靠性和安全性是需要首先解決的問題。軸電壓法需要在發(fā)電機兩端安裝軸電壓測量碳刷，由于碳刷與大軸的接觸可靠性較差，影響了采集信號質(zhì)量，目前少有應用。端部漏磁通法要在發(fā)電機端部漏磁路上安裝磁通檢測線圈(一般在上、下端蓋結(jié)合面上打孔)，目前未見這方面的嘗試。此外，已提出的在線檢測方法的靈敏度和可靠性普遍偏低，對于輕微轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的檢測能力有限。以探測線圈法為例，該方法通過檢測汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子槽口漏磁通變化診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，該方法在發(fā)電機負載運行時的檢測靈敏度急劇下降，難以靈敏地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

在上述提出的在線檢測方法中，很多方法只適用于汽輪發(fā)電機，并不適用于水輪發(fā)電機。這是因為：水輪發(fā)電機極對數(shù)多達數(shù)十對極，轉(zhuǎn)速低，空間尺寸大，定子繞組的分支較多。某一磁極的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障至影響局部的相關(guān)電氣量，對整個發(fā)電機的影響相對較小，因此，勵磁電流法、虛功率法、期望電勢法、軸電壓法和端部漏磁等很難靈敏地檢測出水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，繞組為集中式，汽輪發(fā)電機最常采用的探測線圈法也不適用于水輪發(fā)電機，因為探測線圈僅能檢測轉(zhuǎn)子槽口處集中的漏磁通，無法檢測水輪發(fā)電機的分布式主磁通。

總之，盡管目前對同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷十分重視，但實用且性能優(yōu)異的在線檢測方法嚴重匱乏，有一些方法只適用于同步發(fā)電機中的汽輪發(fā)電機，不適用于水輪發(fā)電機。因此，有必要進一步提高此類故障的診斷水平，開發(fā)具有良好的實用性和通用性的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線檢測方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙螺桿的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高此類故障的診斷水平。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。

一種基于雙螺桿的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法，其特征在于包括以下步驟：

A、選取同步發(fā)電機定子鐵心上相隔一定距離的兩個穿心螺桿，在每個穿心螺桿上選取同部位的等長段，向外引出測量線，利用數(shù)據(jù)采集裝置采集兩個穿心螺桿的輸出電壓信號；

B、在發(fā)電機運行過程中，對數(shù)據(jù)采集裝置采集到的兩個穿心螺桿的感應電壓進行實時處理，將兩個穿心螺桿的感應電壓做差或相加，當計算結(jié)果超出設定閾值時，判定該同步發(fā)電機存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

作為優(yōu)選，選取的兩個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的整數(shù)倍。

作為優(yōu)選，當選取的兩個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的奇數(shù)倍時，將兩個穿心螺桿的輸出電壓相加；當選取的兩個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的偶數(shù)倍時，將兩個穿心螺桿的輸出電壓做差。

作為優(yōu)選，兩個穿心螺桿的輸出電壓做差或相加的結(jié)果，其大小與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度成正比。

作為優(yōu)選，故障判定閾值設定為5V。

采用上述技術(shù)方案所帶來的有益效果在于：本發(fā)明的診斷方法能夠在線診斷同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，信號處理十分簡單，采用雙螺桿可以排除發(fā)電機運行工況變化對檢測效果的影響，具有較高的抗干擾能力和診斷精度。這對于防止同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障惡化、降低非計劃停運時間造成的經(jīng)濟損失以及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性都有著重要意義。

附圖說明

圖1是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后的勵磁磁勢示意圖；

圖2是雙螺桿法的測量原理圖；

圖3是同步發(fā)電機的二維仿真模型；

圖4是同步發(fā)電機空載時單旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)穿心螺桿處的徑向磁場；

圖5是同步發(fā)電機額定負載時單旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)穿心螺桿處的徑向磁場；

圖6是同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子繞組正常時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖7是同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路1匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖8是同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路2匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖9是同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路3匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖10是同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路4匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖11是同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子12號槽繞組1—4匝短路時2個穿心螺桿的感應電壓差；

圖12同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子繞組正常時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖13同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路1匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖14同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路2匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖15同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路3匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖16同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路4匝時2個穿心螺桿的感應電壓波形；

圖17是同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子12號槽繞組1—4匝短路時2個穿心螺桿的感應電壓差。

圖18是同步發(fā)電機空載勵磁電流變化且轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路1匝時2個穿心螺桿的感應電壓差。

圖中：1、故障槽對應的磁勢階躍，2、定子鐵心，3、轉(zhuǎn)子鐵心，4、定子繞組，5、轉(zhuǎn)子繞組，6、測量引線，7、數(shù)據(jù)采集及分析裝置，8、穿心螺桿。

具體實施方式

本發(fā)明中使用到的標準零件均可以從市場上購買，異形件根據(jù)說明書的和附圖的記載均可以進行訂制，各個零件的具體連接方式均采用現(xiàn)有技術(shù)中成熟的螺栓、鉚釘、焊接、粘貼等常規(guī)手段，在此不再詳述。

文中各符號清單為：ω_r、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角速度；L、穿心螺桿的軸向有效長度；R、穿心螺桿與發(fā)電機中心的距離；B_r、徑向磁通密度；θ_r、沿轉(zhuǎn)子圓周的機械角度；F_f、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后的勵磁磁勢；v、穿心螺桿切割徑向磁通密度的速度。

本發(fā)明一個具體實施方式包括以下步驟：

選取同步發(fā)電機定子鐵心上相隔一定距離的兩個穿心螺桿，在每個穿心螺桿上選取同部位的等長段，向外引出測量線，利用數(shù)據(jù)采集裝置采集兩個穿心螺桿的輸出電壓信號；

在發(fā)電機運行過程中，對數(shù)據(jù)采集裝置采集到的兩個穿心螺桿的感應電壓進行實時處理，將兩個穿心螺桿的感應電壓做差或相加，當計算結(jié)果超出設定閾值時，判定該同步發(fā)電機存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

選取的兩個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的整數(shù)倍。

當選取的兩個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的奇數(shù)倍時，將兩個穿心螺桿的輸出電壓相加；當選取的兩個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的偶數(shù)倍時，將兩個穿心螺桿的輸出電壓做差。

兩個穿心螺桿的輸出電壓做差或相加的結(jié)果，其大小與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度成正比。

故障判定閾值設定為5V。

當同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子某磁極的部分繞組發(fā)生匝間短路后，被短路繞組內(nèi)部電流為零，該磁極的有效匝數(shù)減少，所產(chǎn)生的勵磁磁勢將小于正常磁極，見圖1。

為了防止同步發(fā)電機的定子鐵心松動，需要借助穿心螺桿進行固定。穿心螺桿與定子鐵心的長度相當，穿過沖片上的孔，穿心螺桿與沖片上的孔之間的間隙用絕緣進行填充，防止因短路引起鐵心過熱而燒毀鐵心。穿心螺桿的端部通過絕緣墊塊與鐵心絕緣，防止各個螺桿通過鐵心短接。

在同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，徑向磁場以同步機械角速度切割穿心螺桿，在穿心螺桿上感應電壓，穿心螺桿的感應電壓可以用下式表示：

U＝B_rLv＝B_rLω_rR

通過上式可知：由于L、ω_r、R均為常數(shù)，因此，穿心螺桿的感應電壓波形與穿心螺桿處氣隙磁密的徑向分量波形完全相同。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組正常情況下，磁場是完全對稱的，各磁極在穿心螺桿上感應的電壓幅值也相等；當同步發(fā)電機發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，主磁場變得不對稱，故障極在穿心螺桿上感應的電壓將低于正常磁極，可以根據(jù)這一特征診斷同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

由于同步發(fā)電機的不同磁極依次掃過穿心螺桿時，發(fā)電機的運行工況可能發(fā)生改變，導致穿心螺桿的感應電壓波形并非規(guī)則的周期波。這將導致診斷效果受到干擾，特別是水輪發(fā)電機以及具有快速勵磁調(diào)節(jié)功能的汽輪發(fā)電機，當發(fā)電機進行起勵、滅磁試驗時，也將導致診斷效果變差，容易發(fā)生誤判，診斷的抗干擾能力不足。

為了解決上述問題，本發(fā)明提出同時選取同步發(fā)電機定子鐵心上的兩個穿心螺桿作為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的測量傳感器，見圖2。2個穿心螺桿的間距為發(fā)電機極距的整數(shù)倍，當2個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的奇數(shù)倍時，若其中1個穿心螺桿位于N極下，則另一個穿心螺桿剛好位于S極下的對應位置，兩個穿心螺桿任意時刻感應的電壓波形剛好反相位，在將2個穿心螺桿的輸出電壓相加，若轉(zhuǎn)子繞組正常，則相加后結(jié)果為零，若轉(zhuǎn)子某磁極存在匝間短路故障，這2個穿心螺桿的輸出電壓將出現(xiàn)局部偏差，相加結(jié)果不為零；同理，當2個穿心螺桿之間的距離為發(fā)電機極距的偶數(shù)倍時，若其中1個穿心螺桿位于N極下，則另一個穿心螺桿在另一個N極下的相同位置，兩個穿心螺桿任意時刻感應的電壓波形剛好完全相同，在將2個穿心螺桿的輸出電壓相減，若轉(zhuǎn)子繞組正常，則相減后結(jié)果為零，若轉(zhuǎn)子某磁極存在匝間短路故障，這2個穿心螺桿的輸出電壓將出現(xiàn)局部偏差，相減后不為零。

上述就是雙螺桿法診斷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的基本原理，其優(yōu)點是：當同步發(fā)電機運行工況變化時，穿過2個穿心螺桿的磁場同時改變，轉(zhuǎn)子繞組正常時2個穿心螺桿的輸出電壓永遠是相同的，出現(xiàn)匝間短路故障后則變得不同，診斷不受發(fā)電機運行工況改變的影響，方法的抗干擾能力得到了極大提升。

選擇一臺TA1100-78型汽輪發(fā)電機(2對極)作為研究對象，完成空載和額定負載工況下的有限元仿真驗證，該機組的參數(shù)見表1。

表1TA1100-78型汽輪發(fā)電機參數(shù)

建立的TA1100-78型汽輪發(fā)電機2維電磁場仿真模型如圖3所示，本仿真選取2個穿心螺桿相隔2倍極距，2個穿心螺桿的有效長度均為0.2m，通過計算獲取2個穿心螺桿的感應電壓。

為了檢驗雙螺桿診斷方法在各種工況下的有效性，仿真分為兩種工況進行，即發(fā)電機空載運行和帶額定負載運行。

以發(fā)電機12號槽發(fā)生不同匝數(shù)的短路故障為例，圖4和圖5分別為發(fā)電機空載和額定負載工況下不同短路程度時穿心螺桿處的徑向磁場隨時間變化規(guī)律。從圖4和圖5中可以看到：受轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的影響，發(fā)電機各磁極的徑向磁場出現(xiàn)了明顯的不對稱，穿心螺桿處的磁場也呈現(xiàn)出不對稱特點，故障極磁場掃過穿心螺桿時，其徑向磁密小于轉(zhuǎn)子繞組正常時的數(shù)值。

圖6-圖10為同步發(fā)電機空載轉(zhuǎn)子12號槽繞組不同匝數(shù)短路時2個穿心螺桿的感應電壓情況?？梢钥吹剑弘S著短路匝數(shù)增加，2個穿心螺桿的感應電壓波形偏差越來越大。圖11為2個穿心螺桿的感應電壓差，很明顯，轉(zhuǎn)子繞組正常時，2個穿心螺桿的感應電壓差幾乎為零，當轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)1匝短路時，2個穿心螺桿的感應電壓差有明顯的增大，最大偏差超過5V，短路程度越嚴重，2個穿心螺桿的感應電壓差值越大。

圖12-圖16為同步發(fā)電機額定負載轉(zhuǎn)子12號槽繞組不同匝數(shù)短路時2個穿心螺桿的感應電壓情況?？梢钥吹剑弘S著短路匝數(shù)增加，2個穿心螺桿的感應電壓波形偏差越來越大。圖17為2個穿心螺桿的感應電壓差，很明顯，轉(zhuǎn)子繞組正常時，2個穿心螺桿的感應電壓差較小，在5V以下，當轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)1匝短路時，2個穿心螺桿的感應電壓差有明顯的增大，最大偏差超過5V，短路程度越嚴重，2個穿心螺桿的感應電壓差值越大。

因此，利用2個穿心螺桿感應電壓的幅值差異可以有效診斷出同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，隨著轉(zhuǎn)子繞組匝間短路程度的加重，2個穿心螺桿感應電壓的幅值差異變大，因此，本方法還可以反映出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的嚴重程度和發(fā)展趨勢。

為了驗證雙螺桿診斷方法的抗干擾能力，以發(fā)電機空載運行為例，在發(fā)電機一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)改變勵磁電流，使勵磁電流由空載額定勵磁電流減小至0.5倍空載額定勵磁電流，設置轉(zhuǎn)子12號槽繞組短路1匝，得到2個穿心螺桿的感應電壓偏差如圖18所示。從圖18可以看到，即使發(fā)電機在運行過程中工況發(fā)生改變，2個穿心螺桿的輸出電壓波形仍出現(xiàn)了明顯的偏差，最大偏差仍大于設定的閾值5V，因此，雙穿心螺桿法具有較強的抗干擾能力。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。