发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测

    陈权涛，杨向宇

(华南理工大学，广东广州510640)

    摘要：深入分析了小波分析法用于发电机转子绕组匝间短路故障的检测原理，并在探测线圈法的基础上，将小渡变换应用于突变信号的检测，对非平稳故障信号的故障特征进行提取，以实现对转子绕组匝间短路故障的检测及故障点的定位。仿真结果表明，小波分析方法适用于转子绕组匝间短路故障的在线检测。

    关键词：汽轮发电机；小波变换；匝间短路；故障诊断

    中图分类号：TM311；TM306  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)04—0025—03

0引  言

    转子绕组匝间短路是汽轮发电机较常见的故障，也是影响安全运行的主要原因之一。资料统计表明，轻微的匝间短路并不会影响机组的正常运行，所以经常被忽略。但如果故障继续发展，将会使转子电流显著增加，绕组温度升高，无功功率下降，轴承振动增加，甚至导致接地故障发生，使转子磁化，重者还将烧伤轴颈和轴瓦，对机组本身的安全稳定运行构成威胁，因此，对发电机转子绕组匝间短路故障进行在线检测具有重要意义。

    目前，国内外专家学者已对这一课题进行了大量研究^[1-4]。20世纪70年代英国学者Albdght首先提出了探测线圈法；英国学者J．w．Wood提出了回复波检测法；俄罗斯的B．R．Kaumah提出利用转子绕组匝问短路时在定子并联支路中存在环流的现象来检测匝间短路故障。国内对转子绕组匝间短路故障的诊断方法主要有开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流电阻法等。这些检测方法都已应用了多年，并且积累了很多经验。但是大部分都无法实现在线检测或者易受到其他因素的干扰，或者不能对故障点进行定位，实际运行结果不理想。到目前为止，国内外在发电机转子绕组匝间短路在线检测方面，无论在理论上还是实践，都没有实质性的突破，也没有完全有效的检测方法和手段。

    本文在探测线圈法的基础上，将小波变换的分析方法用于故障信号的处理。根据故障信号的特点，通过小波变换，提取其模量极大值特征，实现对故障的诊断和故障点的定位，从而实现对发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测。

1微分探测线圈法

    微分探测线圈法^[4]的基本原理是将运行中的同步发电机气隙中的旋转磁场进行微分，根据微分后的波形分析、诊断转子绕组是否存在匝间短路故障，并准确显示故障槽的位置，这种方法在发电机空载和短路状态下效果较好。

    其方法是在定转子气隙某处固定一只“微型微分线圈”，微分线圈对气隙的旋转磁场采样并进行微分，再将此微分信号引入示波器，对微分波形进行分析即可判断有无匝间短路故障及其所在槽的位置。

    汽轮发电机气隙中的旋转磁场B(t)由空载磁场分量B₀(t)和定子电枢反应磁场分量B_a(t)合成，即：

发电机运行时探测线圈上的感应电势：

气隙旋转磁场穿过探测线圈有效面积A的磁通量Φ为该处磁通密度B(t)与A的乘积，即Φ=AB(t)，所以：

h(t)是角频率为ω_n的高频调幅余弦波，它是转子本身槽漏磁形成的转子齿谐波，与转子槽内有效安匝数成正比。g(t)是包含了电枢反应影响的低频信号，它可以使电势波形严重扭曲以致难以辨认。影响探测线圈上感应电势波形的因素很多，包括转子齿谐波的影响、电枢反应的影响、主磁通的影响、定子漏磁通的影响以及发电机制造的偏差和探测线圈的尺寸及安装位置的影响等等^[5]。

    通过分析探测线圈上感应电势波形，再将此电势波形信号引入示波器或计算机，通过对波形的观察、分析，可以判断是否存在匝间短路。这种方法在发电机空载和短路状态下效果较好，而在发电机负载运行的情况下，由于受电枢反应等因素的影响，探测线圈上感应电势波形不规则，形状比较复杂，很难实现准确诊断。

2小波分析法

    小波分析具有多分辨率分析的特点，在时域和频域