本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷裝置及方法。

背景技術(shù)：

汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組為分布式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子繞組按一定規(guī)律分布在轉(zhuǎn)子各槽中，通常情況下每槽放置7-10匝繞組，同槽的各匝繞組為串聯(lián)關(guān)系，上、下層相鄰匝繞組之間設(shè)置有絕緣層。轉(zhuǎn)子不同槽的繞組也為串聯(lián)關(guān)系，依靠槽內(nèi)絕緣材料和端部墊塊進(jìn)行絕緣。

受制造缺陷、運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)、發(fā)電機(jī)參與調(diào)峰、異物進(jìn)入、通風(fēng)不暢、離心力和振動(dòng)等因素的影響，轉(zhuǎn)子繞組的上下層之間、轉(zhuǎn)子繞組端部相鄰槽繞組之間容易發(fā)生電氣連接，形成轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

通常情況下，同槽繞組的匝間短路發(fā)生在相鄰的上、下兩匝之間，這種短路并不嚴(yán)重。若故障未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，則有可能發(fā)展成多匝嚴(yán)重短路故障。轉(zhuǎn)子端部相鄰槽繞組間的短路通常是轉(zhuǎn)子繞組軸向的伸展變形引起的，這種短路故障通常較為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一槽或數(shù)槽的全部或大部分繞組短接。此外，通風(fēng)冷卻不暢和絕緣層大面積受損等因素也可能形成嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子繞組短路故障。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障造成了發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)不平衡，并產(chǎn)生不平衡磁拉力。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路匝數(shù)較多時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)大軸振動(dòng)超標(biāo)的問題。此外，短路故障在轉(zhuǎn)子端部形成單極磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)沿軸瓦、大軸流通，容易導(dǎo)致大軸磁化，還可能在軸頸部位感應(yīng)軸電壓并發(fā)生放電，造成軸瓦電腐蝕。

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路分為不穩(wěn)定短路和穩(wěn)定短路兩種類型。對(duì)于不穩(wěn)定短路，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷或振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，故障特征消失或者出現(xiàn)，因此，常規(guī)的離線檢測(cè)方法很難發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定短路，在線檢測(cè)方法則對(duì)于不穩(wěn)定短路和穩(wěn)定短路都是適用的。

在過去數(shù)十年時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的在線診斷方法包括：定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法、軸電壓法、端部漏磁法、勵(lì)磁電流法、虛功率法、期望電動(dòng)勢(shì)法、檢測(cè)線圈法和定子側(cè)檢測(cè)線圈法等。

軸電壓法和端部漏磁法利用大軸和端部感應(yīng)偶次或分?jǐn)?shù)次諧波電壓診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。在實(shí)際應(yīng)用中，受傳感器安裝困難、信號(hào)干擾等因素的影響，這兩種方法實(shí)施起來的效果并不好。2004年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)表的《基于定子線圈檢測(cè)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障識(shí)別方法》提出的定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法建議在汽輪發(fā)電機(jī)定子一相繞組的兩條支路上分別安裝電流互感器，通過回路內(nèi)環(huán)流反映轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。理論上該方法是十分有效的，然而，由于發(fā)電機(jī)定子三相繞組出線位置的空間有限，很多發(fā)電機(jī)沒有在定子繞組的兩條支路上都安裝電流互感器，無法測(cè)量環(huán)流。勵(lì)磁電流法根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流相對(duì)增大、無功功率相對(duì)下降的特點(diǎn)，提出利用勵(lì)磁電流和無功功率的相對(duì)偏差診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。該方法采用解析表達(dá)式進(jìn)行勵(lì)磁電流的計(jì)算，誤差較大，通常僅能發(fā)現(xiàn)2匝以上的短路故障。虛功率法利用發(fā)電機(jī)電磁功率的理論值與實(shí)際值的偏差診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，該方法需要獲取發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，僅適用于靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，調(diào)相運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)的電磁功率為零，該方法并不適用。2014年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)表的《基于功率期望原理的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組短路故障診斷》對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出同時(shí)以電磁功率和無功功率的相對(duì)偏差診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，使得該方法適用于調(diào)相運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)。2016年IEEE Transactions on Energy Conversion發(fā)表的《Diagnosis of short circuit faults within turbogenerator excitation winding based on the expected electromotive force method》則采用有限元法建立了發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)關(guān)于勵(lì)磁電流和有功功率的二維曲面，并將其與發(fā)電機(jī)實(shí)際空載電動(dòng)勢(shì)比較，判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。該方法的診斷精度比常規(guī)方法有明顯的提高，但只適用于靜止勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。2004年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)表的《汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的在線檢測(cè)方法的研究》等研究的檢測(cè)線圈法提出在發(fā)電機(jī)氣隙安裝徑向和切向的微型檢測(cè)線圈，利用該檢測(cè)線圈對(duì)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行微分，當(dāng)轉(zhuǎn)子某槽繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，該槽槽口位置的漏磁通比繞組正常時(shí)的漏磁通小，檢測(cè)線圈掃過該槽時(shí)所感應(yīng)的電壓脈沖也比正常值小，這樣，根據(jù)檢測(cè)線圈感應(yīng)的高頻電壓脈沖幅值差異就可以判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。該檢測(cè)線圈法近些年獲得了廣泛的應(yīng)用，但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：該檢測(cè)線圈法僅在汽輪發(fā)電機(jī)空載和短路狀態(tài)下具有較高的診斷精度和定位準(zhǔn)確度，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的干擾使得該方法的靈敏度急劇下降，在線診斷效果不理想。2014年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)表的《發(fā)電機(jī)繞組匝間故障檢測(cè)的新型檢測(cè)線圈》提出的檢測(cè)線圈法建議在發(fā)電機(jī)定子槽內(nèi)安裝大尺寸的磁場(chǎng)檢測(cè)線圈，通過該線圈感應(yīng)的特定諧波電動(dòng)勢(shì)診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。該方法與定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流法是極為類似的，只不過該方法用額外加裝的檢測(cè)線圈代替了現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)定子一相繞組的兩條并聯(lián)支路。加裝的檢測(cè)線圈的兩個(gè)有效邊分別埋置在定子的兩個(gè)齒槽內(nèi)。大型發(fā)電機(jī)的定子齒槽空間有限，通常僅能容納上、下層線棒，剩余空間用絕緣材料和彈性波紋板填滿，在定子齒槽中額外安裝檢測(cè)線圈不僅沒有足夠的空間，即使能夠安裝該檢測(cè)線圈，也將對(duì)定子繞組的絕緣構(gòu)成極大威脅，這對(duì)于視安全為生命的發(fā)電機(jī)制造廠和發(fā)電廠是絕對(duì)不允許的。因此，該方法只在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證，投入實(shí)際應(yīng)用的可行性不高。

總之，盡管目前對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線檢測(cè)十分重視，但現(xiàn)有的診斷方法在應(yīng)用中都還存在一些不足，因此有必要進(jìn)一步提高此類故障的診斷水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷裝置及方法，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。

一種基于檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷裝置，其特征在于：包括在發(fā)電機(jī)內(nèi)部橫跨定子鐵心段徑向安裝的U形檢測(cè)線圈，U形檢測(cè)線圈出口處并聯(lián)高阻值電阻，U形檢測(cè)線圈由高強(qiáng)度合金構(gòu)成，包圍定子鐵心段，與定子鐵心段及定子繞組無碰觸，U形檢測(cè)線圈的底部位于定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中。

作為優(yōu)選，高阻值電阻的阻值大于1000Ω。

一種基于檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷裝置的診斷方法，包括以下步驟：

A、在發(fā)電機(jī)內(nèi)部橫跨定子鐵心段安裝徑向的U形檢測(cè)線圈，U形檢測(cè)線圈的輸出端口并聯(lián)高阻值電阻，利用數(shù)據(jù)在線采集和實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)處理檢測(cè)線圈輸出端的電壓信號(hào)；

B、在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，利用在線采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集U形檢測(cè)線圈出口的電壓信號(hào)，并對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的諧波相對(duì)于基波的百分比含量，將上述百分比含量與設(shè)定閾值相比較，當(dāng)相應(yīng)諧波的相對(duì)含量超出設(shè)定閾值時(shí)，判定該汽輪發(fā)電機(jī)存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障；根據(jù)U形檢測(cè)線圈出口的電壓信號(hào)的時(shí)域特征判斷故障槽位置。

作為優(yōu)選，相應(yīng)諧波的相對(duì)含量與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度成正比。

作為優(yōu)選，使用故障特征諧波之和相對(duì)于基波的百分比含量作為故障判據(jù)；

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用以下判據(jù)：

對(duì)于2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用以下判據(jù)：

其中，A₁為基波幅值，A₂為2次諧波幅值，A₄為4次諧波幅值，A₆為6次諧波幅值，A_1/2為1/2次諧波幅值，A_3/2為3/2次諧波幅值，A_5/2為5/2次諧波幅值，a％為故障特征諧波之和相對(duì)于基波的百分比含量。

作為優(yōu)選，故障判定閾值設(shè)定為5％。

作為優(yōu)選，轉(zhuǎn)子繞組正常情況下，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)為階梯形波，通過傅立葉分析可以將勵(lì)磁磁勢(shì)分解為一系列諧波，在靜止坐標(biāo)系下勵(lì)磁磁勢(shì)表示為，

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路故障后，被短路的轉(zhuǎn)子繞組無電流流過，勵(lì)磁磁勢(shì)變得不對(duì)稱，故障磁勢(shì)等于正常磁勢(shì)與被短路匝流過反向電流形成的磁勢(shì)的疊加，對(duì)反向流過被短路轉(zhuǎn)子繞組的電流形成的磁勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解，得，

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，出現(xiàn)的2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波是匝間短路故障前沒有的；對(duì)于2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波是匝間短路故障前沒有的；

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于空載工況時(shí)，沿轉(zhuǎn)子圓周的氣隙磁通密度表示為，

設(shè)定初始時(shí)刻檢測(cè)線圈位于轉(zhuǎn)子N極軸線位置，穿過檢測(cè)線圈的磁通為零，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，穿過檢測(cè)線圈的磁通增加，經(jīng)過t時(shí)間后，穿過檢測(cè)線圈的磁通表示為，

則檢測(cè)線圈所感應(yīng)的交流電勢(shì)表示為：

檢測(cè)線圈是一種磁場(chǎng)測(cè)量線圈，檢測(cè)線圈所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)相似，檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓波形能夠反映發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)波形；發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，氣隙磁場(chǎng)中將出現(xiàn)偶數(shù)次或分?jǐn)?shù)次諧波，這些諧波將在檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓中體現(xiàn)出來；

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)或2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速不同，因此故障特征諧波磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈上感應(yīng)的電壓頻率也不相同；

當(dāng)1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中將出現(xiàn)2次、4次、6次等諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓頻率則為基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，選取2次、4次、6次等諧波作為1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判據(jù)；

當(dāng)2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中將出現(xiàn)1/2次，3/2次、2次、5/2次諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓頻率則為基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，將1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波作為2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判據(jù)

作為優(yōu)選，轉(zhuǎn)子不同槽發(fā)生匝間短路時(shí)，檢測(cè)線圈輸出電壓的時(shí)域波形具有差異；某一槽短路，當(dāng)檢測(cè)線圈掃過該故障槽時(shí)，其輸出電壓將形成了局部的波峰和波谷，局部波峰和波谷的中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為檢測(cè)線圈掃過故障槽的時(shí)刻；通過檢測(cè)線圈的輸出電壓波形判定轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的位置，實(shí)現(xiàn)故障定位。

采用上述技術(shù)方案所帶來的有益效果在于：本發(fā)明的診斷方法具有良好的適應(yīng)性，同時(shí)適用于靜止勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。該方法具有極高的靈敏度，可以對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組絕緣狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠發(fā)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)最輕微的一匝短路故障，并且能夠進(jìn)行故障定位。檢測(cè)線圈在發(fā)電機(jī)制造或大修階段安裝，可靠性高且不干擾發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，這對(duì)于防止汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障惡化、降低非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間造成的經(jīng)濟(jì)損失以及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性都有著重要意義。

現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)明專利“CN201310424228-一種永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷的方法”提出了一種定子繞組匝間短路故障診斷方法，而本專利則是提出了一種基于新型檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法。兩者區(qū)別如下：

1、發(fā)明專利“CN201310424228-一種永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷的方法”的適用對(duì)象是永磁同步電機(jī)，并且針對(duì)的是定子繞組(永磁同步電機(jī)沒有轉(zhuǎn)子繞組)匝間短路故障，而本專利的適用對(duì)象是汽輪發(fā)電機(jī)，并且針對(duì)的是轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，兩個(gè)專利的適用診斷對(duì)象是完全不同的。

2、發(fā)明專利“CN201310424228-一種永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷的方法”利用永磁同步電機(jī)定子繞組零序電壓的基波幅值與三次諧波幅值之比判斷是否存在匝間短路故障，利用零序電壓中基波的初相位和三相相電流基波的初相位的差來判斷故障相。零序電壓是通過常規(guī)的電壓互感器測(cè)量后借助坐標(biāo)變換得到的。本專利提出了在汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部安裝新型檢測(cè)線圈，利用檢測(cè)線圈感應(yīng)的2次、4次、6次等(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次、3/2次、2次、5/2等(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波電壓判斷發(fā)電機(jī)是否存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

兩個(gè)專利所采用的傳感器完全不同，專利“CN201310424228-一種永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷的方法”采用常規(guī)的電壓互感器，由繞組和鐵心構(gòu)成，體積和重量較大，造價(jià)較高，測(cè)量時(shí)需要搬運(yùn)，接線較為復(fù)雜，極為不便；本專利利用永久安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)部的新型檢測(cè)線圈采集數(shù)據(jù)，該新型檢測(cè)線圈只有一匝，沒有鐵心，成本極低，接線簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)方便。

兩個(gè)專利所采集的信號(hào)通道數(shù)量及采用的信號(hào)處理方式不同，專利“CN201310424228-一種永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷的方法”需要采集三相電壓信號(hào)，需要三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，采用坐標(biāo)變換方式求得零序電壓，然后再求取基波和三次諧波的幅值和相位，數(shù)據(jù)采集成本高，信號(hào)處理較為繁瑣；本專利則只需要采集檢測(cè)線圈輸出的一個(gè)通道的信號(hào)，單通道數(shù)據(jù)采集設(shè)備成本更低，信號(hào)處理階段只進(jìn)行常規(guī)的傅里葉分解，求取2次、4次、6次等(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次、3/2次、2次、5/2等(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波電壓幅值，信號(hào)處理更為簡(jiǎn)易。

兩個(gè)專利所采用的故障特征量是完全不同的，專利“CN201310424228-一種永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷的方法”以零序電壓的基波幅值與三次諧波幅值之比、零序電壓中基波的初相位和三相相電流基波的初相位之差作為故障判據(jù)，本專利則以“檢測(cè)線圈感應(yīng)的2次、4次、6次等(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次、3/2次、2次、5/2次等(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波電壓”作為判據(jù)。

發(fā)明專利“CN201210518935-一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障的定位方法”提出了一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的檢測(cè)和定位方法，而本專利提出了一種基于新型檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法。兩者區(qū)別如下：

1、發(fā)明專利“CN201210518935-一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障的定位方法”將定子繞組一條支路作為傳感器獲取故障信號(hào)，需要打開定子一相繞組的并聯(lián)支路端口，其實(shí)施起來是十分困難的。而本專利則是利用安裝在發(fā)電機(jī)內(nèi)部的新型檢測(cè)線圈獲取故障信號(hào)，兩個(gè)專利采用的傳感器完全不同。本專利的信號(hào)采集十分容易實(shí)現(xiàn)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2、發(fā)明專利“CN201210518935-一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障的定位方法”所采用的故障特征信號(hào)是定子支路電壓中“基波和三次諧波有效值變化量的比值以及二次和四次諧波有效值變化量的比值”，而本專利則是以新型檢測(cè)線圈感應(yīng)的2次、4次、6次等(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次、3/2次、2次、5/2等(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波電壓作為故障判據(jù)。

3、發(fā)明專利“CN201210518935-一種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路故障的定位方法”需要打開發(fā)電機(jī)定子任意一相繞組并聯(lián)支路端口，使電機(jī)空載運(yùn)行。這種方法屬于離線檢測(cè)方法，只能利用大修時(shí)機(jī)定期進(jìn)行，檢測(cè)周期較長(zhǎng)(通常為3-5年)，不能實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，本專利提出的方法可以長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，適用于發(fā)電機(jī)不同工況，可以實(shí)時(shí)反映轉(zhuǎn)子繞組健康狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警，防止故障惡化，并且能夠定位故障位置，縮短故障維修時(shí)間，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1是轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)的勵(lì)磁磁勢(shì)示意圖；

圖2是被短路轉(zhuǎn)子繞組通入反向電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)示意圖；

圖3是檢測(cè)線圈的安裝示意圖；

圖4是TA1100-78型發(fā)電機(jī)二維模型示意圖；

圖5是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽0-4匝短路時(shí)檢測(cè)線圈磁通量；

圖6是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽0-4匝短路時(shí)檢測(cè)線圈磁通量；

圖7是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽0-4匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓；

圖8是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽0-4匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓；

圖9是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖10是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組1匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖11是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組2匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖12是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組3匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖13是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組4匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖14是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖15是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組1匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖16是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組2匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖17是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組3匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖18是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組4匝短路時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的諧波；

圖19是發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)U型檢測(cè)線圈定位原理圖。

圖20是發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)U型檢測(cè)線圈定位原理圖。

圖中：1、高阻值電阻，2、U形檢測(cè)線圈，3、定子繞組，4、定子鐵心分段，5、定子鐵心段，6、轉(zhuǎn)子繞組，7、轉(zhuǎn)子鐵心。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明中使用到的標(biāo)準(zhǔn)零件均可以從市場(chǎng)上購買，異形件根據(jù)說明書的和附圖的記載均可以進(jìn)行訂制，各個(gè)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(hào)清單為：P、汽輪發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，通常情況下P＝1或P＝2；i、正整數(shù)，i＝1、2、3、4……；F_f、轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁勢(shì)；△F_f、被短路轉(zhuǎn)子繞組通入反向電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)；θ_r、轉(zhuǎn)子空間電角度；β、轉(zhuǎn)子槽間電角度；α_k、第k槽繞組匝數(shù)；γ、大齒區(qū)占轉(zhuǎn)子圓周的角度；I_f、勵(lì)磁電流；m、短路槽號(hào)；Q、短路匝數(shù)；N、轉(zhuǎn)子總槽數(shù)的四分之一；k、正整數(shù)，k＝1～N；j、正整數(shù)，j＝1、2、3、4……；n、正奇數(shù)，n＝1、3、5、7……；Bn、n次諧波磁通密度幅值；ω_r、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度；ω、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度，ω＝2πf＝314(rad/S)；L、檢測(cè)線圈的軸向有效長(zhǎng)度；R、檢測(cè)線圈的探頭距離轉(zhuǎn)子中心的長(zhǎng)度；A_1/2、1/2次諧波幅值；A₁、基波幅值；A_3/2、3/2次諧波幅值；A₂、2次諧波幅值；A_5/2、5/2次諧波幅值；A₄、4次諧波幅值；A₆、6次諧波幅值。

一種基于檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷裝置，其特征在于：包括在發(fā)電機(jī)內(nèi)部橫跨定子鐵心段5徑向安裝的U形檢測(cè)線圈2，U形檢測(cè)線圈2出口處并聯(lián)高阻值電阻1，U形檢測(cè)線圈2由高強(qiáng)度合金構(gòu)成，包圍定子鐵心段，與定子鐵心段及定子繞組無碰觸，U形檢測(cè)線圈2的底部位于定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中。

高阻值電阻1的阻值大于1000Ω。

一種基于檢測(cè)線圈的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷裝置的診斷方法，包括以下步驟：

A、在發(fā)電機(jī)內(nèi)部橫跨定子鐵心段安裝徑向的U形檢測(cè)線圈2，U形檢測(cè)線圈的輸出端口并聯(lián)高阻值電阻1，利用數(shù)據(jù)在線采集和實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)處理檢測(cè)線圈輸出端的電壓信號(hào)；

B、在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，利用在線采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集U形檢測(cè)線圈出口的電壓信號(hào)，并對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的諧波相對(duì)于基波的百分比含量，將上述百分比含量與設(shè)定閾值相比較，當(dāng)相應(yīng)諧波的相對(duì)含量超出設(shè)定閾值時(shí)，判定該汽輪發(fā)電機(jī)存在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障；根據(jù)U形檢測(cè)線圈出口的電壓信號(hào)的時(shí)域特征判斷故障槽位置。

相應(yīng)諧波的相對(duì)含量與轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障程度成正比。

使用故障特征諧波之和相對(duì)于基波的百分比含量作為故障判據(jù)；

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用以下判據(jù)：

對(duì)于2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用以下判據(jù)：

其中，A₁為基波幅值，A₂為2次諧波幅值，A₄為4次諧波幅值，A₆為6次諧波幅值，A_1/2為1/2次諧波幅值，A_3/2為3/2次諧波幅值，A_5/2為5/2次諧波幅值，a％為故障特征諧波之和相對(duì)于基波的百分比含量。

故障判定閾值設(shè)定為5％。

轉(zhuǎn)子繞組正常情況下，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)為階梯形波，見圖1。通過傅立葉分析可以將勵(lì)磁磁勢(shì)分解為一系列諧波，在靜止坐標(biāo)系下勵(lì)磁磁勢(shì)表示為，

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路故障后，被短路的轉(zhuǎn)子繞組無電流流過，勵(lì)磁磁勢(shì)變得不對(duì)稱，故障磁勢(shì)等于正常磁勢(shì)與被短路匝流過反向電流形成的磁勢(shì)的疊加，反向流過被短路轉(zhuǎn)子繞組的電流形成的磁勢(shì)見圖2，對(duì)其進(jìn)行傅里葉分解，得，

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，出現(xiàn)的2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波是匝間短路故障前沒有的；對(duì)于2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波是匝間短路故障前沒有的；

在發(fā)電機(jī)定子鐵心段上安裝U型檢測(cè)線圈,見圖3。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于空載工況時(shí)，沿轉(zhuǎn)子圓周的氣隙磁通密度表示為，

設(shè)定初始時(shí)刻檢測(cè)線圈位于轉(zhuǎn)子N極軸線位置，穿過檢測(cè)線圈的磁通為零，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，穿過檢測(cè)線圈的磁通增加，經(jīng)過t時(shí)間后，穿過檢測(cè)線圈的磁通表示為，

則檢測(cè)線圈所感應(yīng)的交流電勢(shì)表示為：

檢測(cè)線圈是一種磁場(chǎng)測(cè)量線圈，檢測(cè)線圈所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)相似，檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓波形能夠反映發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)波形；發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，氣隙磁場(chǎng)中將出現(xiàn)偶數(shù)次或分?jǐn)?shù)次諧波，這些諧波將在檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓中體現(xiàn)出來；

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)或2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速不同，因此故障特征諧波磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈上感應(yīng)的電壓頻率也不相同；

當(dāng)1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中將出現(xiàn)2次、4次、6次等諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓頻率則為基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，選取2次、4次、6次等諧波作為1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判據(jù)；

當(dāng)2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中將出現(xiàn)1/2次，3/2次、2次、5/2次諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓頻率則為基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，將1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波作為2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的判據(jù)。

轉(zhuǎn)子不同槽發(fā)生匝間短路時(shí)，檢測(cè)線圈輸出電壓的時(shí)域波形具有差異；某一槽短路，當(dāng)檢測(cè)線圈掃過該故障槽時(shí)，其輸出電壓將形成了局部的波峰和波谷，局部波峰和波谷的中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為檢測(cè)線圈掃過故障槽的時(shí)刻；通過檢測(cè)線圈的輸出電壓波形判定轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的位置，實(shí)現(xiàn)故障定位。

本實(shí)施例以TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)(2對(duì)極)作為算例，機(jī)組參數(shù)見表1，建立的2維電磁場(chǎng)仿真模型如圖4所示。

表1TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

設(shè)置TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子N極12號(hào)槽繞組發(fā)生0-4匝短路，得到在轉(zhuǎn)子一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，穿過檢測(cè)線圈的磁通量的變化規(guī)律如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看到：發(fā)電機(jī)未發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)，穿過檢測(cè)線圈的磁通波形呈現(xiàn)出良好的對(duì)稱特征；發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，對(duì)稱性被破壞，當(dāng)發(fā)生短路的故障極磁通穿過檢測(cè)線圈時(shí)，檢測(cè)線圈內(nèi)部的磁通量明顯小于正常極磁通穿過檢測(cè)線圈時(shí)的磁通量，檢測(cè)線圈磁通量變得不對(duì)稱。

檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓等于穿過檢測(cè)線圈的磁通量的微分，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見：發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后，感應(yīng)電壓波形變得不對(duì)稱。對(duì)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行傅里葉分解，得到感應(yīng)電壓中的各次諧波含量，見圖9—圖18。

由圖9—圖18可以看到：無論發(fā)電機(jī)空載還是帶額定負(fù)載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組短路1匝時(shí)，1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波含量已經(jīng)較轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)有明顯增加，隨著短路匝數(shù)增多，1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波呈現(xiàn)了顯著的增大趨勢(shì)。因此，利用U型檢測(cè)線圈感應(yīng)的特定頻率的諧波電壓診斷汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是非常有效的，可以發(fā)現(xiàn)輕微的1匝短路故障。

針對(duì)上述特征，在對(duì)TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞組短路故障在線診斷時(shí)，可以以上述特征諧波之和相對(duì)于基波的百分比含量作為故障判據(jù)：

將故障診斷的閾值設(shè)定為5％。

為檢驗(yàn)U型檢測(cè)線圈法的故障定位功能，分別設(shè)置轉(zhuǎn)子7-11號(hào)槽繞組發(fā)生1匝短路故障，得到U型檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓，見圖19和圖20。

從圖19可以看到：發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子不同槽發(fā)生匝間短路時(shí)，檢測(cè)線圈輸出電壓的波形具有顯著的差異。某一槽短路時(shí)，在故障槽兩側(cè)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。不同槽短路時(shí)，局部波峰和波谷在時(shí)間上相互錯(cuò)開，整齊排列，相鄰故障槽對(duì)應(yīng)的波形錯(cuò)開的時(shí)間等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒槽所需的時(shí)間。因此，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的位置可以通過檢測(cè)線圈的輸出電壓波形進(jìn)行判定，新型檢測(cè)線圈具有故障定位功能。

從圖20可以看到：發(fā)電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子不同槽發(fā)生匝間短路時(shí)，檢測(cè)線圈輸出電壓的波形也具有顯著的差異。大部分槽短路時(shí)，在故障槽附近均形成了局部的波峰和波谷，但短路槽并不剛好位于局部波峰和波谷的中部，這主要是受發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)扭斜的影響。這一現(xiàn)象并不影響對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的定位，因?yàn)樵谕C(jī)處理故障前，發(fā)電機(jī)需要經(jīng)過空載階段，可以利用空載階段檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓進(jìn)行故障的準(zhǔn)確定位。

檢測(cè)線圈為U形結(jié)構(gòu)，可以在發(fā)電機(jī)制造階段或大修抽出轉(zhuǎn)子安裝，安裝檢測(cè)線圈具有足夠的空間。檢測(cè)線圈跨越一個(gè)定子鐵心段，從定子相鄰槽的兩個(gè)線棒之間穿過，應(yīng)保證檢測(cè)線圈的強(qiáng)度，選擇具有高電阻率、高強(qiáng)度同時(shí)具有一定韌性的合金材料制作而成。應(yīng)采用合理的固定方式，以保持檢測(cè)線圈與定子鐵心段及線棒不發(fā)生接觸。檢測(cè)線圈的氣隙部分的截面積應(yīng)制作得盡可能小，以減小探頭位置在高強(qiáng)度磁場(chǎng)下的渦流損耗。

檢測(cè)線圈檢測(cè)發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)中的2次、4次、6次(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次，3/2次、2次、5/2次(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波，該諧波與檢測(cè)線圈相對(duì)于轉(zhuǎn)子的距離是無關(guān)的，因此，檢測(cè)線圈的探頭不需靠近轉(zhuǎn)子，可以緊貼定子內(nèi)壁，為轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)留下了足夠的空間，應(yīng)用更為安全。

檢測(cè)線圈包圍定子鐵心段，因此，檢測(cè)線圈回路呈現(xiàn)出較大的電感值，且該電感隨著局部磁場(chǎng)的飽和程度而改變。為了保證檢測(cè)線圈輸出信號(hào)不受該電感的影響，在檢測(cè)線圈輸出端并聯(lián)一個(gè)高阻值恒定電阻(1000歐以上)，利用信號(hào)采集裝置直接采集電阻兩端的電壓。檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓值較低，不會(huì)超過常規(guī)信號(hào)采集裝置的電壓上限，利用常規(guī)的數(shù)據(jù)采集裝置直接采集檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓信號(hào)即可，不需要進(jìn)行降壓或放大處理，采集過程簡(jiǎn)單。

利用檢測(cè)線圈感應(yīng)的2次、4次、6次(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次，3/2次、2次、5/2次(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波電壓可以有效診斷出汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，特別適用于對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)輕微轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線檢測(cè)，能夠發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組1匝短路故障。隨著轉(zhuǎn)子繞組匝間短路程度的加重，檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的2次、4次、6次(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次，3/2次、2次、5/2次(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))諧波含量越來越大，因此，本方法還可以反映出轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢(shì)。

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(duì)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(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)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(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。