基于開口變壓器法的交流電機定子鐵心短路故障檢測

武玉才, 張龍, 白雨卉, 馬明晗, 趙海森, 許國瑞

(1.華北電力大學 河北省綠色高效電工新材料與設備重點實驗室,河北 保定 071003; 2.華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206)

0 引 言

定子鐵心是交流電機的重要組成部分,為機電能量轉換提供低磁阻磁路,同時也對定子繞組有固定作用[1]。交流電機運行一定年限后定子鐵心性能趨于退化,故障隨之而來,其中最常見的是定子鐵心片間短路?；陔姍C內強磁場的特點,片間短路處的局部渦流遠高于正常的片內渦流,使得故障點溫度迅速升高[2-3],進一步破壞片間絕緣,形成惡性循環,可能使短路疊片數量、短路點體積不斷增大,造成鐵心燒熔、繞組接地等災難性事件[4-6]。大面積更換交流電機定子鐵心代價巨大,因此準確檢測出定子鐵心片間的早期短路故障十分必要,對降低故障經濟損失,提高機組運行安全性具有重要意義[7]。

工業界和學術界對定子鐵心片間短路故障極為重視[8-9]。最初人們主要通過觀察鐵心疊片絕緣和油漆的顏色來判別是否存在短路故障[10]。隨后出現了全磁通檢測法,將多股電纜纏繞于定子鐵軛,通過大功率交流電源對定子鐵心進行全磁通勵磁,利用磁場在故障點的渦流效應,通過紅外成像設備檢測鐵心溫度升高狀態,進而判斷定子鐵心是否發生短路故障[11]。全蘇電力研究所首次使用低勵磁法檢測大型發電機的定子疊片片間短路,該方法同樣使用交流電源和電纜對定子鐵軛進行勵磁,在定子鐵軛內產生2%～4%的額定磁通,使用磁位計獲取檢測區域的磁壓降來確定故障點位置[12-13]。文獻[14]基于定子故障檢測儀(electro-magnetic core imperfection detector,ELCID),將Chattock磁位計獲取的電信號進行pq分解,通過交軸分量電流的大小和位置判斷故障程度和位置。文獻[15]改進了ELCID法,提出一種雙Chattock線圈探頭,提高了對深層故障的靈敏性。文獻[16]基于低勵磁法,提出使用特斯拉計檢測定子鐵心齒部磁場變化來判斷是否發生片間短路故障。文獻[17]提出通過安裝在定子鐵心外部的傳感器檢測定子鐵心故障。文獻[18]研制開發了一種Core Tester工作臺,通過放置于定子齒中的線圈反映定子鐵心的故障情況。文獻[19]提出通過檢測片間短路故障區域的感應電流進行故障判別。文獻[20]提出在定子鐵心槽中用一個小型的實心探頭取代現有的空心探頭,沿槽軸向掃描檢測片間短路故障。文獻[21]同樣采用一種新型探頭,區別在于檢測部位在定子齒部。文獻[22]基于低勵磁原理設計了一種注入性勵磁U型傳感器,可以獲取鐵心故障區域微弱的電氣參量,進而實現故障位置的鎖定和程度的識別。文獻[23]提出通過自適應狀態觀測儀獲取鐵心疊片區域的損耗值,根據損耗值的波動來鎖定故障位置。

以上檢測方法一般針對大型同步發電機,實際工業生產中小容量的交流電機特別是異步電機占比較大。這些電機的工作磁通密度普遍在1.0 T以上,而且同樣存在定子片間短路故障問題。例如:2006年12月,吉林省某開采單位鉆井中的交流電機定子鐵心溫度過高,出現了部分定子疊片短路,使得定子繞組完全破壞[24];2011～2012年,我國西部某風力發電企業出現多次風電機組的定子鐵心片間短路故障,造成數臺電機損壞[25]。

針對以上現實情況,我們對定子鐵心疊片片間短路故障的研究不應局限于大型同步發電機,而應泛化到存在鐵心疊片的所有交流電機領域,針對各種型號的交流電機定子鐵心疊片片間短路故障開展檢測研究。

本文基于低勵磁法,以典型交流電機的定子鐵心疊片短路故障作為研究對象,提出將檢測大型同步發電機轉子繞組匝間短路的開口變壓器法移植到交流電機定子鐵心片間短路故障檢測。首先推導定子鐵心故障前后開口變壓器鐵心中磁通的表達式,進一步得到開口變壓器繞組感應電壓的表達式,獲得感應電壓在故障前后的變化規律;然后以一臺300 MW汽輪發電機為例開展有限元仿真驗證;最后,在一臺小型異步電機定子鐵心上驗證了方法的有效性,擴展開口變壓器法的應用領域,為交流電機定子鐵心片間短路故障的離線檢測提供了新思路。

1 交流電機定子鐵心片間短路故障檢測原理

定子鐵心大多由0.5 mm的硅鋼片疊壓而成,片與片之間有絕緣漆確保不會出現短路故障,定位筋焊接在定子鐵心背部。定子鐵心片間短路故障理論上可以發生在鐵心的任意位置,根據實際工況,大多數是鐵心槽底、槽壁、槽頂會發生極窄的線狀片間短路故障,這時短路故障需要借助鐵心背部定位筋形成如圖1所示短路回路,軛部交變磁通不同在故障點處形成感應電動勢,產生短路回路電流。

圖1 槽底絕緣破壞與定位筋產生的短路電流示意圖Fig.1 Fault current diagram caused by damaged tooth bottom insulation and locating rib

開口變壓器法的檢測系統如圖2所示。勵磁線圈通入交流電源,將鐵心中磁通控制在額定的5%以下,通過調壓器將電壓源調節到所需數值。鐵心沿圓周方向產生磁位梯度,使得相鄰槽之間存在閉合磁路。在檢測時,開口變壓器的兩個斷面能夠與定子鐵心相鄰兩齒齒面貼合,部分槽漏磁通經開口變壓器鐵心形成閉合回路,并在其繞組上感應電壓。開口變壓器貼合定子齒面沿內膛軸向方向從一端移動到另一端,當移動到故障點區域時,交變磁通在短路點、疊片和鐵心背部定位筋間感應出短路環流,該電流產生的磁通部分進入開口變壓器鐵心,使開口變壓器繞組感應電壓發生變化,如圖3所示,基于感應電壓的變化可實現對定子片間短路故障的定位和程度判斷。

圖2 開口變壓器檢測系統示意圖Fig.2 Diagram of open transformer detection system

圖3 開口變壓器測量原理Fig.3 Measurement principle of open transformer

在定子鐵心中心的勵磁線圈上施加交流電壓源,產生的磁通以該線圈為中心閉合,將磁通路徑按介質不同分為4部分:定子鐵心腔內磁通Φ空氣1、齒槽處磁通Φ齒槽、鐵軛處磁通Φ鐵軛、鐵心外部磁通Φ空氣2,如圖4所示。

圖4 勵磁線圈產生的磁通示意圖Fig.4 Magnetic flux diagram generated by the excitation coil

勵磁線圈產生的總磁通表達式為

ΦΣ總=Φ空氣1+Φ齒槽+Φ鐵軛+Φ空氣2。

(1)

使用開口變壓器進行故障檢測,在正常情況下,開口變壓器繞組內部流通的磁通Φ由3部分組成:

1)沿著內部空氣路徑閉合的磁通Φ空氣1的一少部分穿過開口變壓器繞組,這部分可以表示為Φ1,這部分磁通可以表示為

(2)

式中:N為勵磁線圈匝數;i為勵磁電流;l1為空氣1中磁路長度;μ0為空氣磁導率;S1為磁路截面積。

2)齒槽區域的磁通Φ齒槽一部分進入開口變壓器鐵心,這部分可以表示為Φ2。齒槽區域的齒區為鐵磁材料,磁阻小,而槽區空氣的磁阻大,可以認為磁壓降全部損耗在槽區,定子有n槽,則相鄰2個齒的磁壓降可以表示為

(3)

根據磁路歐姆定律,不計開口變壓器與電機齒之間的間隙,則進入開口變壓器鐵心的磁通可以表示為

(4)

式中:l2為齒槽處磁路的長度;μFe為定子齒及開口變壓器鐵心的磁導率;S2為磁路的等效面積。

3)電機鐵心及傳感器硅鋼片渦流效應所形成的磁通Φ3,這部分磁通由開口變壓器區域內硅鋼片的片內渦流引起,認為各片的片內渦流大小等相位,用ie表示。

根據磁路歐姆定律,該磁通表達式為

(5)

式中k為開口變壓器區域硅鋼片的片數。

正常情況下,不考慮飽和及渦流效應,按磁通疊加原理分析,流過開口變壓器繞組的磁通相量表達式為

(6)

該磁通在開口變壓器繞組上的感應電動勢為

(7)

式中N1為開口變壓器的繞組匝數。

由上式可知,開口變壓器的感應電壓主要受勵磁線圈的電流、匝數、鐵心兩齒之間的磁壓降影響,這些因素在檢測過程中不會發生太大變化,因此正常狀態下開口變壓器檢測各槽的感應電壓不會有顯著差別。

當定子鐵心發生故障,疊片間產生較大的短路循環電流ig,該短路電流產生的磁通表示為Φ4,該表達式為

(8)

式中:λ為短路程度系數;l3為短路電流產生磁路的長度;S3為磁路的等效面積。

根據磁通的疊加原理,故障狀態下不考慮飽和及渦流效應,流過開口變壓器鐵心的磁通相量表達式為

(9)

根據以上公式,定子鐵心正常和故障時的磁場變化如圖5所示。

圖5 正常和故障定子鐵心磁場變化圖Fig.5 Magnetic field variation of normal and fault stator core

圖5中,Φ1、Φ鐵軛是勵磁電流產生的磁通,定子齒B的磁勢要大于定子齒A,開口變壓器連接兩齒,磁通Φ2從B到A。鐵心故障時,故障點會通過鐵心背部的定位筋感應出短路電流,相當于一個纏繞鐵心的矩形線圈,該短路電流產生與Φ鐵軛相反的磁通,與Φ1方向相同的磁通Φ4,因此正常和故障狀態下的開口變壓器繞組的感應電壓相位相同,故障狀態下幅值增加。

2 有限元仿真

本文以一臺QFSN-300-2型汽輪發電機定子鐵心作為研究對象,基本參數如表1所示,建立仿真模型如圖6所示。發電機定子鐵心外圍均勻排布18個定位筋,定位筋與鐵心之間緊密連接。電氣上,定位筋將全部沿軸向排布的鐵心硅鋼片短接。勵磁線圈設置在定子鐵心中心,使鐵軛內的磁通沿半徑方向均勻分布,勵磁線圈匝數設置為20匝。

表1 汽輪發電機定子基本參數Table 1 Basic parameters of turbine generator stator

圖6 定子有限元仿真模型Fig.6 Stator finite element simulation model

仿真模型所使用的汽輪發電機工作磁密在1.4～1.7 T(特斯拉)范圍內,施加的交流勵磁電壓為27.89 V,勵磁電流10 A,得到的磁通密度云圖如圖7所示,鐵軛部分的磁通密度在0.059 4～0.072 6 T之間,約為額定磁通的4.2%,磁力線在定子鐵心內部均勻分布,如圖8所示。

圖7 磁通密度云圖Fig.7 Magnetic flux density cloud

圖8 磁力線分布圖Fig.8 Distribution of magnetic field lines

2.1 故障位置仿真

選取定子鐵心的1號槽、14號槽、28號槽和42號槽作為待測槽,用開口變壓器進行檢測,仿真獲取開口變壓器繞組的感應電壓波形,如圖9所示。

圖9 開口變壓器繞組的感應電壓Fig.9 Induced voltage of open transformer

圖9中,4個定子槽在開口變壓器繞組上感應的電壓波形吻合,表明定子槽空間排布的差異性不影響開口變壓器的檢測效果,因此,可以僅以某一槽為例開展故障模擬仿真。

選取定子鐵心的14號槽,在該槽槽底、槽壁中部和槽壁頂部分別設置金屬性短路故障點,如圖10所示,其故障點的短路電流仿真波形如圖11所示?？梢钥闯?短路電流幅值遠大于正常渦流,且故障點位置不同導致短路電流的幅值存在差別,表明短路電流受故障點位置的影響。

圖10 故障點位置示意圖Fig.10 Fault location diagram

圖11 故障點短路電流Fig.11 Short circuit current at fault point

定子鐵心故障引起的短路電流進一步影響定子的氣隙磁密,設置貼近定子齒端處的圓形路徑,如圖12所示,從起始點到終點逆時針獲取在1 s時刻該圓形路徑上的磁密波形圖,如圖13所示。

圖12 圓形路徑示意圖Fig.12 Circular path diagram

圖13中,正常和故障狀態下磁密波形在非故障區域極為接近,幅值大致相同接近為0。從正常區域過渡到故障區域的磁通密度發生突變,幅值顯著增加,且隨著故障位置的不同,磁通密度有所變化,以故障點在槽壁頂部為例,故障區磁通密度幅值相對于底部下降接近75%。

在開口變壓器檢測時,變化的磁通穿過開口變壓器繞組,在繞組上感應的電壓如圖14所示。

圖14 不同故障位置的開口變壓器繞組感應電壓Fig.14 Induced voltage of open transformer winding with different fault locations

由圖14可知,鐵心正常情況下開口變壓器繞組感應電壓幅值很小,發生故障后繞組的感應電壓幅值顯著增加。

2.2 故障程度仿真

設置14槽槽底、槽壁發生1/6、1/3、1/2、2/3面積的短路,如圖15所示,14槽槽底和槽壁處的短路電流如圖16所示。

圖15 故障點故障程度示意圖Fig.15 Fault point fault degree diagram

圖16 槽底和槽壁故障點短路電流Fig.16 Short-circuit current at fault point of slot bottom and slot wall

圖16中,14槽不同短路程度處的短路電流相位相同,幅值隨短路程度的加深而逐漸變大,短路電流遠大于片內渦流,由此產生的磁場遠高于渦流所產生的磁場,在定子模型內設置圓形路徑(見圖11),獲取不同短路程度下1 s時刻該圓形路徑上的磁密波形,如圖17所示。

圖17 槽底和槽壁不同程度短路的磁密波形圖Fig.17 Magnetic density waveforms with different short circuit levels at solt bottom and solt wall

對比圖17(a)和圖17(b),故障區域的磁通密度幅值突增,槽底故障的磁通幅值大于槽壁處故障,隨著故障程度加深,磁通密度變化更為明顯。

氣隙磁密的變化進一步影響了開口變壓器感應電壓,如圖18所示。

圖18 槽底和槽壁不同短路程度的開口變壓器繞組感應電壓Fig.18 Induced voltage of open transformer winding with different short-circuit levels at slot bottom and slot wall

對比圖18(a)和圖18(b),槽底故障在開口變壓器繞組的感應電壓高于槽壁,以1/6短路為例,槽底故障的感應電壓為槽壁故障的2.12倍,感應電壓隨短路程度的加深而增加。

3 實驗驗證

搭建交流電機定子鐵心短路檢測平臺如圖19所示。實驗平臺中,定子鐵心主要參數如表2所示,鐵軛上部纏繞150匝線圈,電氣回路中串入1 Ω電阻用于電流采樣,單相調壓器調節勵磁電壓分別為20、30、40和50 V,勵磁電流分別為0.35、0.42、0.5和0.56 A,采集儀采集電源電壓、電路電流和開口變壓器感應電壓的數據。

表2 交流電機定子參數Table 2 Stator parameters of AC electric machine

圖19 交流電機定子系統實驗平臺Fig.19 AC electric machine stator subsystem experimental platform

在定子的檢測線圈加壓20、30、40、50 V下,開口變壓器測得的1～5號槽(見圖20)的感應電壓如圖21所示。

圖20 定子槽標號圖Fig.20 Stator slot labeling diagram

圖21 不同勵磁電壓時的開口變壓器感應電壓Fig.21 Induced voltage of open transformer under different excitation voltages

對比圖21(a)～圖21(d)可以看出,在相同的勵磁電壓下,1～5號槽在開口變壓器繞組的感應電壓幅值大致相等,相位相同。開口變壓器繞組的感應電壓隨著勵磁電壓的增大而增大,但增速較勵磁電壓慢。

在3號槽底和槽壁滴入焊錫模擬短路故障(保證焊錫故障點長度相同),如圖22所示。在勵磁電壓為20～50 V下,開口變壓器繞組在故障槽的感應電壓如圖23所示。

圖22 不同部位故障Fig.22 Different parts of the fault

圖23 正常和故障狀態的開口變壓器感應電壓Fig.23 Induced voltage of open transformer in normal and fault state

對比圖23(a)～圖23(d)可以看出,鐵心正常狀態下開口變壓器感應電壓波形大致相同,故障和正常狀態的感應電壓波形相位相同,但感應電壓明顯增大,且底部故障感應電壓幅值大于槽壁故障,可以作為判斷故障是否發生及發生位置的依據,同時證明了開口變壓器法檢測交流電機定子鐵心短路的有效性。

4 結 論

本文理論分析了開口變壓器檢測交流電機定子鐵心片間短路故障的原理,結合數值仿真和模擬實驗進行驗證,得到以下結論:

1)定子鐵心片內渦流遠小于勵磁電流,齒頂處的開口變壓器繞組感應電壓主要受勵磁電流和磁壓降產生磁通的影響,正常情況下的開口變壓器檢測各槽的感應電壓很小且不會存在較大差別。

2)定子鐵心故障槽發生片間短路,該處的磁通相較于正常狀態發生突變,幅值顯著增加,且隨著短路程度的加深而增大。

3)故障狀態下故障點的短路電流和開口變壓器感應電壓均會發生變化,幅值有顯著提高,因此開口變壓器法可以有效診斷交流電機定子鐵心片間短路故障。