大型发电机转子绕组匝间短路在线检测系统理论基础及设计应用

【摘 要】本文主要阐述大型同步发电机转子绕组匝间短路检测法的理论基础，并结合多年设计实践，介绍波形法检测系统的设计与应用。

【关键词】发电机 转子绕组 匝间短路 波形法 磁通传感器 在线检测

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―342―02

1.0前言

随着我国电力事业的迅速发展，单机容量的不断增大，人们对大型同步发电机转子运行工况的在线检测要求越来越高，现代大型同步发电机转子绕组匝间短路在线检测技术的发展，可以精确的在线检测发电机转子绕组匝间短路程度和发生短路的槽位，这些检测数据，有助于电厂专业工程师准确判断运行中转子绕组绝缘质量及发电机转子产生非正常振动的原因，及时作出正确的处理，避免发展下去造成重大的经济损失。

2.0检测转子绕组匝间短路的必要性

运行中的发电机转子绕组发生匝间短路会造成严重的事故，所以在线检测就十分重要。下面具体分析运行中的转子绕组发生短路的后果。

2.1产生转子不平衡

运行中的转子，在相同冷却条件下，转子绕组短路线圈比没短路线圈工作温度低，这是因为产生热损（I2R）在匝间短路线圈中较小（电流流经短的铜支路），引起转子变形的梯度不对称，发展下去转子变形，造成转子非正常振动幅值超标，被迫停机，亦有可能产生重大事故。

2.2励磁功率增加较大

运行的机组，当发生转子绕组短路，若维持设定的负荷，则短路时的磁场电流TFS和励磁功率PFS为：

TFS=TFN TN/TS （2-1）

式中：TFN-----设定的磁场电流

TN-----设定的转子绕组匝数

TS-----短路后的转子绕组有效匝数

PFS=I2FSRS=（IFN TN/TS）2·RF TS/TN

= I2FN RF TN/TS

PFS=（I2FN RF）（TN/TS） （2-2）

作为例子，若某发电机励磁功率为3600KW转子绕组为100匝，短路了2匝，励磁功率增加了73.47KW，此时就应该考虑限制机组负荷运行。

2.3转子绕组高点温升增加较高

正常运行的发电机转子绕组工作温度为计算值的平均温度，而高点温度才是最为关注的温度，特别是存在匝间短路的情况下，转子高点温升增加较高。实验证明转子匝间短路增加了一个百分点，转子高温温升增加了两个多百分点。

3.0波形法检测转子绕组匝间短路的理论分析

3.1工作原理简述

所谓波形法检测发电机转子绕组匝间短路，也就是通过安装在发电机定子槽契上的磁通传感器（简称探头）检测转子槽径向漏磁通的感应电势波形，分析发电机转子各槽的感应电压幅值，间接判断转子某槽位绕组是否存在短路。

3.2磁通传感器检测感应电势Vm（t）计算。

Vm（t）的计算主要为设计发电机转子绕组匝间短路检测装置提供理论依据，为简化计算，以发电机在额定空载为边界条件进行计算。

Vm（t）的有效值应为Vmδ（t）和Vms（t）有效值的平方和的方根，即VmRMS为：

VmRMS= （3-1）

Vmδ（t）有效值计算

Vmδ（t）波形为有占空比的方波，占空比正好等于Cs。利用级数便可求出Vmδ（t）的表达式：

Vmδ（t）= AMsin?wt

计算推导计算公式时，仅考虑基波分量作为较近似的计算，推到结果为：

VmδRMS=4.0CsfwsBmδ10-8 ----（3-2）

式中f-发电机额定频率

W-磁通传感器线圈匝数

S-磁通传感器线圈平均截面

Bmδ-发电机气隙磁密

Vms（t）有效值计算

Vms（t）有效值应为：

VmsRMS=2∏/ CsfsWSBsm10-8

=2∏/ CsfsWSBsm10-8

=4.44fsrWSBsm10-8 ----（3-3）

式中Bsm-------转子槽径向漏磁密

Bsm≈1-2% Bm

按公式（3-1），（3-2）和（3-3）计算Vm（t）的有效值

4波形法检测装置设计应用

4.1 磁通传感器设计参数

下面给出磁通传感器的设计参数。

H=62±0.5mm

S=0.6cm2

W=300匝

4.2 Vm（t）有效值计算

设发电机Bmδ=12000rc

Bms=12000rc×1%=120 rc

Cs=0.65 Sr=32槽 f=50Hz

VmδRMS=4CsfsWSBmδ10-8=4×0.65×50×300×0.6×12000×10-8=2.81V

VmsRMS=4.44fsrWSBsm·10-8=4.44×50×32×300×0.6×120×10-8=1.53 V

VmRMS= =3.2V

fs频率计算

fs=fsr/Cs=50×32/0.65=2461.54Hz

当考虑发电机负载边界条件较复杂，不做VmRMS计算公式推到了，以发电机空载的计算值作为检测设计的依据已足够，实践证明发电机负载时VmRMS实测值与发电机空载时的VmRMS计算值非常接近。

4.3 检测装置设计

检测装置设计，只提出设计技术，作为产品的依据

4.3.1 Vm（t）测量范围

Vm（t）的P-P值±20V，有效值0-10V。

频率50-3000Hz

测量精度±1%

4.3.2检测程序

当发电机转子绕组正常时，装置检测当前的Vm（t）波形并显示和存储，

当发生短路绕组工控机检测出转子绕组某槽位发生短路并按设定的短路程度给出报警并自动打印出Vm（t）波形图。

4.3.3检测装置应具备功能

测量显示Vm（t）波形图

存储Vm（t）波形图的数据功能

判断短路槽位和短路程度功能

短路报警功能

打印波形功能

4.4应用