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在線(xiàn)檢測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障方法研究

   2013年04月01日 16:44  
  摘要:
  
  0引言
  
  轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障是發(fā)電機(jī)常發(fā)生的故障之一,由于對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行影響不大或故障特征不明顯,經(jīng)常被忽略,但長(zhǎng)期運(yùn)行下去,匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈1點(diǎn)甚至2點(diǎn)接地,而且發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在故障狀態(tài)也會(huì)對(duì)其壽命產(chǎn)生影響,導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生,因此進(jìn)行匝間短路故障早期預(yù)報(bào)是十分必要的。目前,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定了檢測(cè)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障的方法:測(cè)量轉(zhuǎn)子靜態(tài)下交流阻抗和轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)下氣隙線(xiàn)圈探測(cè)。第1種方法是離線(xiàn)檢測(cè),第2種方法在發(fā)電機(jī)空載和三相短路時(shí)效果較明顯,而在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),由于電樞反應(yīng),效果受到影響。為了克服其不足,本文對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路的故障機(jī)理進(jìn)行了深入分析,確定了故障征兆,找到了一種根據(jù)發(fā)電機(jī)已有的在線(xiàn)電氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷的方法。
  
  1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障機(jī)理分析
  
  1.1故障原因
  
  汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),且受非常大的電磁力及機(jī)械力作用,匝間短路故障可以說(shuō)是一種比較常見(jiàn)的故障,發(fā)生這種故障的主要原因有:
  
  a.發(fā)電機(jī)啟、停時(shí)的離心力或負(fù)荷變化所引起的熱脹冷縮,使轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈發(fā)生位移、變形或局部絕緣損壞,造成匝間短路,尤其對(duì)調(diào)峰運(yùn)行的發(fā)電機(jī),更應(yīng)引起注意。
  
  b.檢修或運(yùn)行時(shí),在轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)槽內(nèi)落入異物,造成轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路。
  
  c.制造質(zhì)量較差,轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈有毛刺或留有異物顆粒等,都可能在運(yùn)行中導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路。
  
  雖然發(fā)電機(jī)在輕微轉(zhuǎn)子匝間短路故障時(shí)仍可在一定條件下堅(jiān)持運(yùn)行,但當(dāng)發(fā)展到一定程度時(shí),會(huì)因匝間短路,減弱發(fā)電機(jī)有效磁場(chǎng),在同樣運(yùn)行工況下需要較大的勵(lì)磁電流,甚至可能因此而降低發(fā)電機(jī)的出力,或由于不對(duì)稱(chēng)短路導(dǎo)致振動(dòng)加劇。此外,短路點(diǎn)處的局部過(guò)熱可能使故障進(jìn)一步擴(kuò)大為轉(zhuǎn)子繞組接地故障[1]。
  
  1.2轉(zhuǎn)子匝間短路電磁特性分析某熱電廠QFNS-200-2型發(fā)電機(jī)由于第1、第2線(xiàn)圈未墊絕緣片,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障,進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)子靜態(tài)下交流阻抗及功率損耗試驗(yàn),整體繞組交流阻抗及功率損耗測(cè)量值見(jiàn)表1。原因在于在匝間短路時(shí),在交流電壓作用下,流經(jīng)短路線(xiàn)圈中的短路電流比正常線(xiàn)圈中的電流大,并有強(qiáng)烈的去磁作用,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子整體繞組交流阻抗下降,功率損耗增加,從而在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),限制了發(fā)電機(jī)無(wú)功出力[1,2]。
  
  當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),氣隙磁勢(shì)在載流導(dǎo)體處發(fā)生跳躍,轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的空間分布應(yīng)為階梯形,可以近似認(rèn)為是梯形,但當(dāng)故障發(fā)生時(shí),有短路匝的磁極的磁勢(shì)產(chǎn)生局部損失,磁勢(shì)峰值和平均值減小,因此匝間短路時(shí)可以認(rèn)為是退磁的磁勢(shì)分布,即短路等效磁勢(shì)反向作用在有短路的磁極主磁場(chǎng)的磁勢(shì)上。總之,轉(zhuǎn)子的短路效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)相對(duì)減弱。在正常條件下,如果轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)用F。表示,短路線(xiàn)匝產(chǎn)生的磁勢(shì)用△F表示,則匝間短路發(fā)生后轉(zhuǎn)子磁勢(shì)變?yōu)镕=Fo-△F。因此,轉(zhuǎn)子匝間短路雖然引起轉(zhuǎn)子電流的增大,但無(wú)功卻相對(duì)減小,這可作為識(shí)別轉(zhuǎn)子發(fā)生匝間短路故障的一個(gè)明顯的特征[3,4]。
  
  從文獻(xiàn)[5]提供的SQF-1OO-2型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),證實(shí)了轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障引起無(wú)功相對(duì)減小的論斷。
  
  1.3故障診斷數(shù)學(xué)模型
  
  在分析發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)時(shí),往往認(rèn)為磁場(chǎng)是不飽和的,磁通勢(shì)全部消耗在氣隙中。在發(fā)電機(jī)不飽和時(shí),發(fā)電機(jī)鐵心處在B-H曲線(xiàn)的直線(xiàn)部分,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流和空載電壓的關(guān)系也處于線(xiàn)性段,這時(shí)的鐵心磁阻較小,相對(duì)于氣隙磁阻來(lái)說(shuō),或可以忽略,或可按鐵心磁阻與氣隙磁阻的比值將氣隙放大,或按實(shí)驗(yàn)的空載特性線(xiàn)性段來(lái)加大氣隙長(zhǎng)度。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在進(jìn)相狀態(tài)時(shí),磁場(chǎng)也是不飽和的,這種情況的匝間短路故障診斷方法可見(jiàn)文獻(xiàn)[3],但是發(fā)電機(jī)通常運(yùn)行在正常勵(lì)磁或過(guò)勵(lì)狀態(tài),氣隙磁場(chǎng)處于飽和狀態(tài),這時(shí)鐵心磁阻的作用明顯增強(qiáng),文獻(xiàn)[3]提出的轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障診斷數(shù)學(xué)模型會(huì)產(chǎn)生較大誤差,本文提出了一種考慮飽和影響的方法。
  
  發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí),其氣隙磁場(chǎng)幾由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Fδ和電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fa共同建立,F(xiàn)f+Fa=Fδ,即Ff=Fδ-Fa。因此,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流包括兩部分:一部分建立氣隙磁場(chǎng)勵(lì)磁電流ifo,另一部分抵消電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的等效勵(lì)磁電流ifao。ifo為發(fā)電機(jī)空載特性曲線(xiàn)上Eδ所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流,ifa可由負(fù)載電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)換算為等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)kaFa求得,其中ka為換算系數(shù)。
  
  圖1是發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行條件下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)的發(fā)電機(jī)氣隙電勢(shì)及電樞電流變化的相量圖,漏磁場(chǎng)不受飽和的影響。
  
  2診斷算例
  
  在已知電壓、電流、無(wú)功等電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的條件下,利用上述公式計(jì)算發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)(良好狀態(tài))下的勵(lì)磁電流if,這個(gè)計(jì)算的勵(lì)磁電流就是*時(shí)的勵(lì)磁電流。采用山東某發(fā)電廠QFSN-300-2水氫氫汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)電機(jī)參數(shù)為:xδ=0.117,ω1=9,ωf=80,kω1=0.921,ka=1.05。發(fā)電機(jī)電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)量在線(xiàn)記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表2所示。
  
  表2是QFSN-300-2型發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)計(jì)算的α,分雖是0.7%和0.9%。表3是SQF100-2型汽輪機(jī)發(fā)生匝間短路故障(轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)側(cè)第18糟短路13匝及汽側(cè)第7糟短路2匝)的α,分別是7.2%,9.0%和4.0%。
  
  3結(jié)束
  
  本文分析了汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)發(fā)生勵(lì)磁電流增加而無(wú)功卻相對(duì)減小的故障特征,并在考慮發(fā)電機(jī)鐵心磁場(chǎng)飽的條件下,建立了轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈匝間短路故障診斷數(shù)學(xué)模型,計(jì)算匝間短路對(duì)無(wú)功輸出的影響,進(jìn)而建立在線(xiàn)識(shí)別轉(zhuǎn)子匝間短路故障的判據(jù),并采用現(xiàn)專(zhuān)長(zhǎng)匝間短路故障記錄數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。

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