本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于穿心螺桿的汽輪發(fā)電機(jī)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大型汽輪發(fā)電機(jī)的常見故障之一，轉(zhuǎn)子繞組受負(fù)荷頻繁變化、振動(dòng)、通風(fēng)不暢、匝間絕緣材質(zhì)、異物進(jìn)入等因素的影響，匝間短路的故障率較高。以廣東省為例，從2007年至2010年先后有9臺(tái)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，僅2009年就發(fā)生了3起，2010年發(fā)生了5起。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路通常不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重危害，但應(yīng)及早處理，以避免故障惡化造成振動(dòng)超標(biāo)、大軸磁化和轉(zhuǎn)子接地等問題，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)十分必要。

目前已有的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在線診斷方法主要包括：探測(cè)線圈法、勵(lì)磁電流法、定子并聯(lián)支路環(huán)流法、虛功率法和軸電壓法等。探測(cè)線圈法在發(fā)電機(jī)定子鐵心間隙沿徑向安裝探測(cè)線圈，探測(cè)線圈的探頭伸入發(fā)電機(jī)氣隙，檢測(cè)轉(zhuǎn)子槽漏磁通，當(dāng)轉(zhuǎn)子某槽有短路故障時(shí)，該槽的槽口漏磁通小于正常槽，在探測(cè)線圈上感應(yīng)的電壓脈沖值也小于正常槽，根據(jù)電壓脈沖值差異即可確定故障位置。該方法既適用于靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，也適用于旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，然而，該方法也存在一個(gè)較為嚴(yán)重的問題，即發(fā)電機(jī)負(fù)載特別是重載運(yùn)行時(shí)的診斷靈敏度不高，容易出現(xiàn)漏報(bào)。勵(lì)磁電流法根據(jù)匝間短路引起勵(lì)磁磁勢(shì)損失的基本原理，通過比較勵(lì)磁電流理論值與實(shí)際值的偏差判斷短路故障，該方法通常只有當(dāng)發(fā)電機(jī)短路匝數(shù)較多(2匝以上)時(shí)勵(lì)磁電流才會(huì)有明顯的增加，此外，該方法需要發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)勵(lì)磁電流值，因此只適用于靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。定子并聯(lián)支路環(huán)流法根據(jù)定子一相兩條支路上特定頻率的環(huán)流判斷匝間短路故障，該方法的靈敏度較高，但實(shí)用性差，原因是當(dāng)前汽輪發(fā)電機(jī)普遍不配置橫差保護(hù)，在定子一相繞組的兩條支路上沒有分別安裝電流互感器，僅有測(cè)量相電流的互感器，不具備測(cè)量環(huán)流的條件。虛功率法利用了匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)的削弱作用，提出根據(jù)電磁功率偏差診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，該方法能夠發(fā)現(xiàn)較輕微的短路故障，但診斷過程需要使用發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，因此，不適用于旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。軸電壓法利用了短路在轉(zhuǎn)子兩端感應(yīng)的特定頻率的軸電壓諧波判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，但受運(yùn)行過程中的油污、碳刷與轉(zhuǎn)軸滑動(dòng)接觸速度較高等因素的影響，碳刷與轉(zhuǎn)軸間的接觸可靠性較差，需要經(jīng)常進(jìn)行清理和維護(hù)。

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穿心螺桿的汽輪發(fā)電機(jī)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。

一種基于穿心螺桿的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法，取發(fā)電機(jī)定子鐵心穿心螺桿的一段，在其兩端通過定子鐵心段間間隙向外引出測(cè)量線，通過引出線采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓；利用在線采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓，并對(duì)采集到的感應(yīng)電壓進(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。

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，對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波的百分比含量作為判斷標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波的百分比含量作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

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6％。

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；

氣隙磁場(chǎng)中出現(xiàn)偶數(shù)次或分?jǐn)?shù)次諧波，這些諧波磁場(chǎng)在以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)將切割靜止的穿心螺桿，在穿心螺桿的感應(yīng)電壓中也將出現(xiàn)偶數(shù)次或分?jǐn)?shù)次諧波。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)在穿心螺桿上感應(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，穿心螺桿的感應(yīng)電壓中將出現(xiàn)2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)穿心螺桿的感應(yīng)電壓頻率則為1次、3次、5次等，選取2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波作為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，穿心螺桿的感應(yīng)電壓中將出現(xiàn)1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)穿心螺桿的感應(yīng)電壓頻率則為1次、3次、5次等，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)。

采用上述技術(shù)方案所帶來的有益效果在于：本發(fā)明的診斷方法不需要在發(fā)電機(jī)內(nèi)部安裝傳感器，將發(fā)電機(jī)的定子穿心螺桿作為磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，只需在穿心螺桿上引出測(cè)量引線即可完成磁場(chǎng)測(cè)量，實(shí)施起來十分安全、方便。本方法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。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。

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TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)穿心螺桿及測(cè)量原理示意圖；

圖4是圖3中A部分的局部放大圖；

圖5是TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)2維仿真模型；

圖6是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽不同短路程度時(shí)單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿處徑向磁密；

圖7是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽不同短路程度時(shí)單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿感應(yīng)電壓波形；

圖8是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖9是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組1匝短路時(shí)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖10是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組2匝短路時(shí)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖11是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組3匝短路時(shí)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖12是發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽繞組4匝短路時(shí)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖13是發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽不同短路程度時(shí)單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿處徑向磁密；

圖14是發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)子12號(hào)槽不同短路程度時(shí)單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿段感應(yīng)電壓波形；

圖15是發(fā)電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖16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)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖17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)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖18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)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖19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)穿心螺桿感應(yīng)電壓頻譜圖；

圖中：1、穿心螺桿，2、測(cè)量引線，3、穿心螺桿與鐵心間的絕緣層，4、定子鐵心分段，5、數(shù)據(jù)采集及分析裝置。

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(gòu)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……；B_n、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)；R、探測(cè)線圈的探頭距離轉(zhuǎn)子中心的長(zhǎng)度。B_r、為穿心螺桿處的氣隙磁密的徑向分量；L、為截取的穿心螺桿長(zhǎng)度；ω_r、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度；R、穿心螺桿與發(fā)電機(jī)中心的距離；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。

一種基于穿心螺桿的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路診斷方法，取發(fā)電機(jī)定子鐵心穿心螺桿的一段，在其兩端通過定子鐵心段間間隙向外引出測(cè)量線，通過引出線采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓；利用在線采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集穿心螺桿的感應(yīng)電壓，并對(duì)采集到的感應(yīng)電壓進(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。

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。

對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波的百分比含量作為判斷標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，使用1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波的百分比含量作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

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6％。

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；

氣隙磁場(chǎng)中出現(xiàn)偶數(shù)次或分?jǐn)?shù)次諧波，這些諧波磁場(chǎng)在以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)將切割靜止的穿心螺桿，在穿心螺桿的感應(yīng)電壓中也將出現(xiàn)偶數(shù)次或分?jǐn)?shù)次諧波。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)在穿心螺桿上感應(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，穿心螺桿的感應(yīng)電壓中將出現(xiàn)2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)穿心螺桿的感應(yīng)電壓頻率則為1次、3次、5次等，選取2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波作為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，穿心螺桿的感應(yīng)電壓中將出現(xiàn)1/2次，3/2次、2次、5/2次等諧波，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)穿心螺桿的感應(yīng)電壓頻率則為1次、3次、5次等，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)子繞組正常情況下，汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁磁勢(shì)為階梯形波，磁勢(shì)在轉(zhuǎn)子各槽處發(fā)生階躍，階躍量與該槽內(nèi)繞組的有效安匝數(shù)成正比。對(duì)于任意P對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，以其中的1對(duì)極為例，勵(lì)磁磁勢(shì)見圖1。

經(jīng)過傅立葉分析，可以將勵(lì)磁磁勢(shì)分解為一系列諧波。在與轉(zhuǎn)子保持同步的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，勵(lì)磁磁勢(shì)可以表示為：

通過上式可知：對(duì)于正常的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，勵(lì)磁磁勢(shì)包含基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，沒有偶數(shù)和分?jǐn)?shù)次諧波。

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后，被短路的轉(zhuǎn)子繞組電流為零，勵(lì)磁磁勢(shì)變得不對(duì)稱。故障下的勵(lì)磁磁勢(shì)等于正常勵(lì)磁磁勢(shì)與被短路匝流過反向電流形成的磁勢(shì)的疊加，被短路匝流過反向電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)如圖2所示。

對(duì)被短路勵(lì)磁繞組流過反向電流形成的磁勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解，得式：

上面兩式相加，即為發(fā)電機(jī)匝間短路后的實(shí)際勵(lì)磁磁勢(shì)。由此可知：當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生勵(lì)磁繞組短路故障后，勵(lì)磁磁勢(shì)中將出現(xiàn)一些新的特征諧波，這些諧波的頻率與發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)無關(guān)。

假定發(fā)電機(jī)氣隙均勻，忽略齒槽效應(yīng)及飽和因素影響，則氣隙磁導(dǎo)為常數(shù)，氣隙磁通密度中將出現(xiàn)與勵(lì)磁磁勢(shì)中相同的諧波。對(duì)于1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī)，2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波是轉(zhuǎn)子繞組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。

為了防止汽輪發(fā)電機(jī)的定子鐵心松動(dòng)，需要借助穿心螺桿進(jìn)行固定。穿心螺桿與定子鐵心的長(zhǎng)度相當(dāng)，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(jìn)行填充，防止因短路引起鐵心過熱而導(dǎo)致鐵心燒壞。穿心螺桿的端部通過絕緣墊塊與鐵心絕緣，防止各個(gè)螺桿通過鐵心短接形成籠型短路結(jié)構(gòu)。

汽輪發(fā)電機(jī)的穿心螺桿與定子鐵心保持了良好的絕緣，是貫穿整個(gè)發(fā)電機(jī)定子鐵心的絕緣導(dǎo)體，這為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的檢測(cè)提供了天然的傳感器，此外，發(fā)電機(jī)定子鐵心沿軸向采用分段式結(jié)構(gòu)，段與段之間為氫氣流通路徑，這為測(cè)量穿心螺桿電壓提供了引線的安裝空間。本文提出在發(fā)電機(jī)一段穿心螺桿的兩端向定子鐵心背部引線，見圖3和圖4。

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，氣隙主磁場(chǎng)切割穿心螺桿，在穿心螺桿上感應(yīng)電壓，穿心螺桿的感應(yīng)電壓可以用下式表示：

e＝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(yīng)電壓波形與穿心螺桿處的氣隙磁密的徑向分量波形完全相同。轉(zhuǎn)子繞組正常情況下，主磁場(chǎng)中只有基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，穿心螺桿也將感應(yīng)同頻率電壓；發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后，氣隙磁場(chǎng)出現(xiàn)偶數(shù)或分?jǐn)?shù)次諧波，穿心螺桿也將感應(yīng)同頻率電壓。因此，可以利用穿心螺桿感應(yīng)的偶數(shù)或分?jǐn)?shù)次諧波電壓診斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。

選擇一臺(tái)TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)(2對(duì)極)作為研究對(duì)象，完成空載和額定負(fù)載工況下的有限元仿真驗(yàn)證，該機(jī)組的參數(shù)見表1。

表1 TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

建立的TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)2維電磁場(chǎng)仿真模型如圖5所示。

為了檢驗(yàn)新型診斷方法在各種工況下的有效性，仿真分為兩種工況進(jìn)行，即發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行和帶額定負(fù)載運(yùn)行。

以發(fā)電機(jī)12號(hào)槽發(fā)生不同匝數(shù)的短路故障為例，圖6為發(fā)電機(jī)空載工況下不同短路程度時(shí)穿心螺桿位置的徑向磁場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律。從圖6中可以看到：受轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的影響，發(fā)電機(jī)各磁極的徑向磁場(chǎng)出現(xiàn)了明顯的不對(duì)稱，穿心螺桿位置的磁場(chǎng)也呈現(xiàn)出不對(duì)稱特點(diǎn)。故障極磁場(chǎng)掃過穿心螺桿時(shí)，其徑向磁密小于轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)的數(shù)值。

在發(fā)電機(jī)穿心螺桿上截取0.1m長(zhǎng)度，在其兩端向外引出電壓測(cè)量線，發(fā)電機(jī)徑向磁場(chǎng)以同步速切割穿心螺桿，該段穿心螺桿的輸出電壓與穿心螺桿處的徑向磁通密度具有相同的波形，見圖7。

對(duì)穿心螺桿感應(yīng)的電壓進(jìn)行傅里葉分解，得到不同短路程度下的電壓頻譜圖，如圖8—圖12所示。從圖8—圖12可以看到：當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)，穿心螺桿感應(yīng)電壓以50Hz(基波)、150Hz(三次諧波)、250Hz(五次諧波)、350Hz(七次諧波)等奇數(shù)次諧波為主，其中50Hz占比最大；隨著轉(zhuǎn)子繞組短路匝數(shù)的增加，穿心螺桿感應(yīng)電壓中出現(xiàn)了明顯的25Hz(1/2次諧波)、75Hz(3/2次諧波)、100Hz(2次諧波)等分?jǐn)?shù)和偶數(shù)次諧波，短路越嚴(yán)重，這些諧波的增大幅度越明顯，成正相關(guān)關(guān)系。

圖13為發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載不同短路程度時(shí)穿心螺桿處的徑向磁密?？梢钥吹剑涸谪?fù)載運(yùn)行時(shí)，匝間短路引起的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)不對(duì)稱也是十分明顯的，故障極磁場(chǎng)被嚴(yán)重削弱，其徑向分量也出現(xiàn)了不同程度的下降。

發(fā)電機(jī)穿心螺桿上感應(yīng)的電壓與穿心螺桿處的徑向磁通密度具有相同的波形，見圖14。

對(duì)穿心螺桿感應(yīng)的電壓進(jìn)行傅里葉分解，得到不同短路程度下的電壓頻譜圖，如圖15—圖19所示。從圖15—圖19可以看到：當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)，穿心螺桿感應(yīng)電壓以50Hz(基波)、150Hz(三次諧波)、250Hz(五次諧波)、350Hz(七次諧波)等奇數(shù)次諧波為主，其中50Hz占比最大；隨著轉(zhuǎn)子繞組短路匝數(shù)的增加，穿心螺桿感應(yīng)電壓中出現(xiàn)了明顯的25Hz(1/2次諧波)、75Hz(3/2次諧波)、100Hz(2次諧波)等分?jǐn)?shù)和偶數(shù)次諧波，短路越嚴(yán)重，這些諧波的增大幅度越明顯，成正相關(guān)關(guān)系。

通過上述仿真結(jié)果可知：利用穿心螺桿感應(yīng)的2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次、3/2次、2次、5/2次等諧波(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))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，穿心螺桿感應(yīng)電壓的2次、4次、6次等偶數(shù)次諧波(1對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))或1/2次、3/2次、2次、5/2次等諧波(2對(duì)極汽輪發(fā)電機(jī))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。