核电汽轮发电机转子绕组匝间短路的定子环流特征

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　　摘 要：随着我国新一代核电技术的成熟，未来将有更多先进的核电站投入发电运营。核电机组普遍为半速汽轮发电机，与全速汽轮发电机的结构有所不同，发生转子绕组匝间短路故障时的特征也有一定的差异。本文针对转子绕组匝间短路故障的磁场特征进行了分析，将交流绕组电动势计算方法应用到转子绕组匝间短路故障这一特殊状态，将故障形成的1/2次谐波特征磁场看作主磁场，将定子绕组看作超短距绕组，得到了一对磁极下1/2次谐波电动势的表达式，进一步推导了双极绕组串联后的电动势表达式，建立了谐波电动势与谐波磁场的函数关系式。通过数值仿真研究了并联支路环流波形特征以及频率特征与短路程度的关联性，为并联支路环流法在半速汽轮发电机组上的应用提供了理论参考和数据支撑。
　　关键词：半速汽轮发电机; 转子绕组匝间短路; 谐波分析; 定子环流; 故障诊断与定位
　　DOI：10.15938/j.emc.2020.03.006
　　中图分类号：TM 761文献标志码：A文章编号：1007-449X（2020）03-0045-08
　　Abstract：Nuclear power units are generally half speed turbogenerators. Halfspeed turbine generator is different from fullspeed turbine generator in structure， and the characteristics of rotor windings interturn short circuit fault are also different. In this paper， the magnetic field characteristics of the interturn shortcircuit fault in rotor winding were analyzed. Combining with the calculation method of electromotive force of AC windings， the expression of 1/2 harmonic electromotive force under a pair of poles was obtained， under the condition that the 1/2 harmonic magnetic field generated by the fault being regarded as the main magnetic field and the stator winding is regarded as the ultrashort distance winding. And the functional relationship between harmonic EMF and harmonic magnetic field is established. The expression of electromotive force in series of bipolar windings was further deduced. The waveform characteristics of parallel branch circulating current and the correlation between frequency characteristics and short circuit level were studied by numerical simulation， which provides theoretical reference and data support for the application of parallel branch circulating current method in halfspeed turbine generator.
　　Keywords：halfspeed turbine generator; rotor windings interturn short circuit; harmonic analysis ; stator circulating current; fault diagnosis and location
　　0 引 言
　　近些年，我国核电事业迎来了新一轮发展机遇，相继有一批核电站投产运营。随着我国新一代核电技术的成熟，未来将有更多先进的核电站投入发电运营。为提高发电效率，核电站普遍采用大容量半速汽轮发电机组，核电站特殊环境对机组运行的安全性和稳定性提出了更高的要求，提高在线监测水平、降低恶性故障的发生率一直是核电站追求的重要目标。
　　转子绕组匝间短路是大型汽轮发电机的一种常见故障，我国每年都有一些机组出现转子绕组匝间短路故障[1-2]。转子绕组匝间短路不属于恶性故障，但其所造成的振动问题一直困扰着发电企业，故障引起的转子一点或两点接地、大轴磁化、轴电流超标等可能对发电机造成实质性损害。查找短路故障以及進行故障定位需要花费大量的人力、物力，延长了停机时间，造成的经济损失十分严重。特别是大型核电机组，即使机组长期停运，核燃料依然会定期、定量更换，这时发电量损益即意味着净经济损失，可达每天千万元之多。故障停机不仅影响了正常的发电计划，也给电网的负荷调配和安全稳定带来了较大压力。
　　针对转子绕组匝间短路故障，为了保证诊断的实时性，需要对短路故障进行长期、连续监测和快速判断，离线方法显然无法满足要求，只能依赖在线检测方法。目前国内外已经提出了数种转子绕组匝间短路在线检测方法，例如，文献[3]分析了短路故障造成的发电机励磁磁势损失以及发电机无功与故障励磁电流的关系，提出了基于励磁电流变化量的判据;文献[4]分析了转子槽漏磁通量在短路故障发生后减小的特点，提出通过径向和切向的微型线圈检测和定位匝间短路故障;文献[5]基于励磁电流、励磁磁势与发电机电磁功率的联系，提出利用电磁功率期望值与实际值之差判断转子绕组匝间短路故障;文献[6]建议在定子槽楔下安装大尺寸检测线圈，利用线圈感应的特定频率谐波判断转子绕组匝间短路故障，此外，一些文章还研究了基于空载电动势[7]、轴电压[8-9]以及端部漏磁通[10]等状态量的转子绕组匝间短路故障在线检测方法。这些方法中的少数检测方法如探测线圈法和励磁电流法已经获得了应用，然而，总体来看，上述检测方法在灵敏度、可靠性等方面不够理想，一些方法受到运行工况限制。部分检测方法如励磁电流法、虚功率法依赖于励磁电流的准确测量，不适用于采用无刷励磁方式的核电半速汽轮发电机。一些方法为侵入式检测方法，如探测线圈法[11]、新型探测线圈法[6]、端部漏磁通法[10]等，有传感器安装不便、存在安全隐患等问题。文献[12]根据转子绕组匝间短路故障后励磁磁场不对称现象以及定子一相双分支的结构特点，提出将定子绕组作为传感器，通过并联支路环流判断转子绕组匝间短路故障。该方法属于非侵入式检测方法，不影响发电机正常运行，但受定子绕组出口处的空间限制，目前还无法在每相的2个分支均安装传统电磁式电流互感器。新型小体积的光电式电流互感器技术不断发展，将来可能用于定子绕组各分支电流测量，届时并联支路环流法将具备实际应用条件。因此，对定子并联支路环流的分析和计算是有积极意义的，该方法在过去十余年时间里得到国内外众多学者的深入探索，并取得了一系列可喜的研究成果[13-17]。 　　本文选择核电半速汽轮发电机组作为研究对象，针对其转子磁极结构特点，分析了匝间短路故障后励磁磁场的特有谐波，将交流绕组的感应电动势计算理论应用到转子绕组匝间短路故障这一特殊状态，建立了谐波电动势与谐波磁场的函数关系式。最后，通过有限元仿真验证了并联支路环流与转子绕组匝间短路故障间的关联性，完成了故障特征量的量化工作。
　　1 故障特征谐波分析
　　半速汽轮发电机转子各槽的绕组匝数基本相同，仅靠近大齿的槽内绕组匝数略少，励磁磁势在转子各槽的阶跃量与该槽的有效安匝数成正比例关系。一旦转子某槽绕组发生匝间短路故障，励磁磁势在该槽的阶跃量将下降，励磁磁势如图1所示。图中θr为转子空间机械角度，虚线部分是绕组正常时的对称励磁磁动势，实线部分是短路后的不对称励磁磁动势。
　　对图1中的正常、对称励磁磁势作傅立叶分解，将仅能得到基波和奇数次谐波，对故障、非对称励磁磁势作傅立叶分解，除了得到基波和奇数次谐波外，还将出现1/2次、3/2次、2次和5/2次等谐波。这些谐波磁势将在发电机气隙形成相应的谐波磁场，其中频率较低的1/2次谐波磁场的幅值最大，故理论分析部分仅以1/2次谐波磁场为例。
　　通过以上分析可知：对于核电半速汽轮发电机，定子一相绕组环流可以反映出转子绕组匝间短路故障，但由于空载和负载工况下环流的明显差别，需要分别针对空载和负载不同工况分别设置故障判定阈值。仿真结果表明环流与励磁电流相关性较大，半速汽轮发电机通常采用无刷励磁方式，励磁电流不可直接测量，但主励磁机励磁电流与发电机励磁电流存在着正相关关系，故可以将主励磁机的励磁电流作为阈值设置的参考，形成动态变化的定子环流判据。
　　3 结论
　　本文针对核电半速汽轮发电机的转子绕组匝间短路问题展开研究，分析了定子一相绕组的环流特征，得出以下结论：
　　1）半速汽轮发电机发生转子绕组匝间短路故障后，气隙磁场变得不对称，出现1/2次、3/2次、等谐波磁场。
　　2）定子绕组并联支路中的1/2次、3/2次谐波受短路故障程度的影响，短路越严重，1/2次、3/2次谐波环流幅值越大，故可选择1/2次或3/2次谐波环流作为转子绕组匝间短路的主要特征。
　　3）并联支路环流法为非侵入式检测方法，具有安全、可靠、灵敏度较高等优点，在定子环流可以准确、方便地测量时，该方法将具有技术优势。
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　　（编辑：贾志超）
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