发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测分析

发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测分析

韦慧星

（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏常州213300）

摘要：发电电动机在投入使用的过程中难免会发生一些故障，常见的故障就包括励磁绕组匝间短路，一旦出现这种故障就会导致转子励磁的输出无功减小，导致电流增加，这些不良后果的出现如果没有得到及时的处理就会引发一些安全事故。所以通过结合发电电动机在运行过程中容易出现的一些故障，并对故障进行实时的监测，尽早的发现可能存在的一些故障十分重要。这篇文章通过分析中性点电流互感器对励磁绕组匝间短路故障的反映情况，总结了基于中性点不平衡电流的发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测通用方案，阐述了改进的发电电动机在线监测灵敏方案。

关键词：发电电动机；励磁绕组匝间短路；故障；在线监测；分析

引言

随着我国经济以及科技的不断发展，我国人民的生活水平也在不断的得到提高，对于电力的需求量不断增加，巨大的电力需求量促进我国电力行业有了更大的发展，现代社会中使用的电能为交流电能，这种电能是由同步发电机产生的，并且最基本的生产电能的设备就是同步发电机，为保障人们能够更加安全的用电，就要充分保障同步发电机以及电力系统的安全运行。而在同步发电机使用的过程中难免会发生一些故障，其中励磁绕组匝间短路是最为常见的故障，这一故障的存在会严重影响整个电力系统的安全与稳定，因此，对同步发电机进行保护以及故障监测十分重要。

一、研究背景

我国电力工程在不断的发展变化，从传统的水轮发电机到现在的抽水蓄能电站，抽水蓄能电站的安全以及稳定受到更多人的关注，由于其具有一定的复杂性，并且其运行环境比较恶劣，再加上使用年限在不断的增加，就会增加故障发生的概率，例如励磁绕组匝间短路这一故障[1]。

轻微的励磁绕组匝间短路不会严重影响同步发电机的正常运行，但是如果长此以往就会增加短路的匝数，进而导致故障进一步加深。另外励磁绕组匝间短路点的温度还会升高，会导致转子铁芯受到破坏。由此可见，励磁绕组匝间短路会带来多方面的影响，通过对电机运行过程中可能存在的故障进行监控，能够及时的发现正在处于萌芽期的故障，对这些故障进行及时的检修，避免更多故障的出现，确保电力系统的安全运行。

最近几年对于励磁绕组匝间短路故障研究各个国家都非常的深入，并且在经过研究之后提出了检测磁场变化的探测线圈法，并且有多种监测方法对励磁绕组匝间短路情况以及其它的一些故障情况进行监测。实际运行现场最为适用的监测方法是电气量监测方法。

二、中性点电流互感器对励磁绕组匝间短路故障的反映

励磁绕组匝间短路会导致各个分支之间的电流存在不平衡的状况，具体表现在发电机主保护所配置的电流互感器之中[2]，在实时监测的过程中可以结合这一特征进行辅助监测。有关研究显示，在进行励磁绕组匝间短路监测的过程中，应该对不同电路的短路特征进行深入的分析。

三、基于中性点不平衡电流的发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测通用方案

（一）监测量

监测励磁绕组匝间短路故障时有固定的监测公式，有关研究显示，不同次数的定子电流谐波存在不同，一般如果在5次以上则定子电流谐波较小。

（二）报警值

通过进行在线实时监测能够及时的发现处于萌芽阶段的故障，及时的解决这些故障，通过监测最终实现报警。所以应该设置相关的报警值，为确保报警值的可靠性，应该将报警值设置在大于实际运行时的固有不平衡电流所引起监测量的最大可能值。在发电机运行过程中，一般情况下励磁电流与电机固有的不平衡电流的大小之间存在正比例的关系。另外不同的运行工况有相同的固有不平衡电流周期，均为160ms[3]。励磁电流录波数据在发电工况下为1314.9A，励磁电流录波数据在抽水调相工况下为1051.8A，励磁电流录波数据在抽水工况下为1554.34A。

（三）对小匝比励磁绕组匝间短路故障的灵敏性分析

在进行实时监测之前对发电电动机固有的不平衡电流进行了测量，监测量以及报警值都根据相关的公式进行计算。但是现阶段在线监测方式以及装置的灵敏性在一些大型的发电电动机还很难实施。近年来对于发电电机励磁绕组匝间短路故障的研究更加深入，并且取得了一些进展，对于定量计算故障电气量的难题也能够实现基本解决，同时相关的理论也经过了实验证实。

四、改进发电电动机在线监测灵敏方案

通过本次研究发现，励磁绕组匝间短路故障在发电电动机引起的中性点不平衡电流中存在谐波分量的含量最高的次数有，1／8次以及3／8次和5／8次，另外，发电电动机的小匝数励磁绕组匝间短路和中性点固有不平衡电流所引起的不平衡电流有着非常显著的特点，在制定相关的监测方案的时候要结合实际情况，可以将有效值最大的分数次谐波提取出来。通过运用这种方案进行实时监测能够使发电电动机小匝数励磁绕组匝间短路故障更加灵敏，是由于摒弃了7／8、9／8次，能够有效降低报警值，没有很大程度上影响监测量下降的幅度，所以能够提高监测的灵敏性[4]。

通过观察发现，发电电动机正常运行时的中性点固有不平衡电流中的分数次谐波分量较励磁绕组发生匝比为1%的匝间短路故障而言，有更大的分量计算值，这就导致在提取中性点不平衡电流过程中，提取不同的谐波，对于反应发电电动机1%及以下匝比的小匝数励磁绕组匝间短路故障都存在一定的难度，发电电动机固有不平衡电流的大小会影响监测的灵敏性，这也是这种监测方式存在的局限。

通过定量计算小匝数励磁绕组匝间短路故障，同时对监测方案的灵敏性的影响因素进行分析，结合发电电动机存在的一些故障特征以及发电电动机固有不平衡电流的具体特点，能够总结出关于提升监测灵敏性的方案，可以在实际的在线监测过程中运用。在对发电电动机进行在线监测的过程中，如果不能够细致的分辨发电电动机定子中性点不平衡电流中的所有分数次谐波构成监测量，不能够细致的分辨具体的报警值，就会导致报警值较高，还会导致小匝数出现的故障灵敏性较低[5]。可以根据不同发电电动机不同的励磁绕组匝间短路故障特征提出有根据的在线监测改进方案。

五、结语

发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测是一个庞大而又复杂的工作，最为困难的环节就是理论分析结果进行具体实践时，但是做好对故障磁极位置进行定位，并且进行深入的研究非常重要。在研究的过程中，要对发电电动机内部的精度以及速度进行精确的计算，并逐渐构建励磁绕组匝间短路故障的场路结合数学模型，能够在此基础上对分数次和偶数次定子固有不平衡电流含量较大的发电机制定出合理的在线监测方案非常重要。另外还要分析励磁绕组匝间短路故障的具体特征，以便对不同的监测对象制定出更加合理的监测方案。

参考文献：

[1]陈俊，王其敏，王瑞生，等.RCS-985R/S微机发电机保护在岗南抽水蓄能机组上的应用［J］.电力自动化设备监测，2005，25（11）：75-78.

[2]魏炳漳，姬长青，张明宇，等.高速大容量发电电动机转子的稳定性———惠州抽水蓄能电站1号机转子磁极事故的教训［J］.水力发电，2010，36（9）：57-60.

[3]郝亮亮，孙宇光，邱阿瑞，等.基于主保护不平衡电流有效值的转子匝间短路故障监测［J］.电力系统自动化，2011，35（13）：83-87，107.

[4]张超，夏立，吴正国，李国玉，等.同步发电机转子绕组匝间短路故障特征规律分析［J］.高电压技术，2010，36（6）：1506-1512.

[5]桂林，王维俭，孙宇光，陈志安，等.大中型发电机主保护配置方案定量化及优化设计的重要性［J］.电力自动化设备，2004，24（10）：1-6.