本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種同步發(fā)電機(jī)定子鐵心與穿心螺桿短路故障的監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

同步發(fā)電機(jī)的定子鐵心采用硅鋼沖片疊裝而成，為了防止鐵心沖片在運(yùn)行中發(fā)生位移和振動(dòng)切割定子繞組絕緣，需要借助穿心螺桿向鐵心沖片施加軸向壓力，使鐵心沖片緊固。為防止鐵心沖片短路引起局部渦流或環(huán)流造成過(guò)熱損壞，在穿心螺桿與沖片之間設(shè)置了絕緣材料，見(jiàn)圖1。

為了避免穿心螺桿在鐵心端部通過(guò)壓圈等結(jié)構(gòu)短路，穿心螺桿的端部設(shè)置了絕緣墊，這樣，同步發(fā)電機(jī)的全部穿心螺桿形成了空間圓柱體分布的全絕緣結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

穿心螺桿的上述結(jié)構(gòu)在一定程度上能減少穿心螺桿與定子鐵心間發(fā)生短路的幾率，但發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中穿心螺桿的渦流損耗引起的溫升可能導(dǎo)致絕緣層的快速老化和性能下降，引發(fā)短路故障，此外，鐵心松動(dòng)造成部分沖片切割穿心螺桿與定子鐵心間的絕緣層也是短路的重要誘因。在同步發(fā)電機(jī)的定子鐵心短路故障中，穿心螺桿與定子鐵心間的短路故障占了比較大的比例。以某汽輪發(fā)電機(jī)為例，其定子鐵心共有5處損壞，其中三處鐵心損壞均是穿心螺桿與鐵心短路引起的，還有一處大面積損壞的誘因也是穿心螺桿與定子鐵心短路。

同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，穿心螺桿處于“懸浮”的全絕緣狀態(tài)，即使定子鐵心中的一片與穿心螺桿發(fā)生短路，由于未形成回路，也不產(chǎn)生環(huán)流，僅使得短路點(diǎn)的渦流略有增加，但若短路點(diǎn)面積較大包含多片鐵心，則短路點(diǎn)將產(chǎn)生較大的渦流，促使故障點(diǎn)擴(kuò)大化，見(jiàn)圖3。若多處穿心螺桿與定子鐵心間的絕緣失效，則在穿心螺桿、定子鐵心、背部定位筋之間形成了閉合回路。穿心螺桿位于主磁場(chǎng)中，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)有較大的感應(yīng)電壓，將在閉合回路產(chǎn)生較大的環(huán)流，造成短路點(diǎn)的快速擴(kuò)大化，見(jiàn)圖4。近年來(lái)已經(jīng)發(fā)生了多起穿心螺桿與定子鐵心的短路事故，開(kāi)發(fā)穿心螺桿與定子鐵心短路故障的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法是避免鐵心發(fā)生大面積融化的有效措施，對(duì)于降低故障損失具有重要的意義。

同步發(fā)電機(jī)處于完全封閉的狀態(tài)，已有技術(shù)還無(wú)法在線(xiàn)監(jiān)測(cè)穿心螺桿與定子鐵心間的短路故障，只能在制造階段或大修期分別測(cè)量穿心螺桿和定子鐵心的絕緣狀態(tài)。其中，穿心螺桿的絕緣狀態(tài)是通過(guò)測(cè)量穿心螺桿的絕緣電阻實(shí)現(xiàn)的，例如某水輪發(fā)電機(jī)大修期間進(jìn)行穿心螺桿的絕緣測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)：絕緣值不達(dá)標(biāo)有105根，其中82根絕緣值在0.5MΩ以下，有11根絕緣值已經(jīng)為零。對(duì)定子鐵心短路故障的檢測(cè)方法有兩種，即：鐵損試驗(yàn)法和ELCID。鐵損試驗(yàn)法是一種傳統(tǒng)的定子鐵心短路故障檢測(cè)方法，該方法在發(fā)電機(jī)抽出轉(zhuǎn)子后進(jìn)行，在定子鐵心上纏繞大功率絕緣導(dǎo)線(xiàn)，并向?qū)Ь€(xiàn)中注入交流電流，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)沿整個(gè)定子鐵心閉合，磁場(chǎng)的周期性交變?cè)阼F心上產(chǎn)生發(fā)熱損耗，當(dāng)定子鐵心存在片間短路故障時(shí)，短路處的渦流損耗更大，發(fā)熱量更高，用紅外測(cè)溫儀觀察發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫度即可找到短路點(diǎn)。該方法只能觀測(cè)到物體表面的溫度分布狀況，對(duì)定子鐵心與穿心螺桿間的短路故障則無(wú)法有效反映出來(lái)。此外，試驗(yàn)設(shè)備電壓、電流大，造價(jià)昂貴，還可能因試驗(yàn)導(dǎo)致故障進(jìn)一步惡化。ELCID法利用便攜式設(shè)備在發(fā)電機(jī)定子鐵心相鄰尺槽間產(chǎn)生交變的局部磁場(chǎng)，若定子鐵心存在片間短路，將產(chǎn)生局部故障渦流，該電流將被Chattock線(xiàn)圈檢測(cè)到。此方法已被國(guó)際電力行業(yè)廣泛地采用，然而，該方法也有明顯的缺點(diǎn)，即只能發(fā)現(xiàn)定子齒槽部位的短路故障，對(duì)于穿心螺桿與定子鐵心之間的短路故障不能靈敏反應(yīng)。

綜上所述，目前僅有單獨(dú)診斷穿心螺桿絕緣狀態(tài)和定子鐵心短路故障的檢測(cè)方法，且均屬于離線(xiàn)檢測(cè)方式，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致故障惡化。其中鐵損試驗(yàn)法和ELCID法均無(wú)法發(fā)現(xiàn)位于定子鐵心深處的穿心螺桿與定子鐵心間的短路故障，而穿心螺桿與定子鐵心間的短路故障恰恰是發(fā)生率最高、破壞性最強(qiáng)的定子鐵心故障類(lèi)型，因此，開(kāi)發(fā)在線(xiàn)的、高靈敏度的穿心螺桿與定子鐵心短路故障的檢測(cè)方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種同步發(fā)電機(jī)定子鐵心與穿心螺桿短路故障的監(jiān)測(cè)方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高此類(lèi)故障的診斷水平。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。

一種同步發(fā)電機(jī)定子鐵心與穿心螺桿短路故障的監(jiān)測(cè)方法，將同步發(fā)電機(jī)定子鐵心穿心螺桿經(jīng)串聯(lián)的高阻值電阻和采樣電阻接地，在線(xiàn)采集采樣電阻兩端的電壓瞬時(shí)值，將該電壓瞬時(shí)值與故障判定閾值相比較，當(dāng)其超出故障判定閾值時(shí)，判定該同步發(fā)電機(jī)的穿心螺桿與定子鐵心發(fā)生短路故障。

作為優(yōu)選，使用采樣電阻兩端的交流電壓最大值或有效值判斷短路點(diǎn)的位置；短路點(diǎn)和接地點(diǎn)之間距離的大小變化趨勢(shì)與上述電壓值的大小變化趨勢(shì)相同。

作為優(yōu)選，故障判定閾值設(shè)定為0.1V。

作為優(yōu)選，高阻值電阻和采樣電阻安裝于同步發(fā)電機(jī)定子鐵心背部與同步發(fā)電機(jī)機(jī)殼之間的間隙內(nèi)。

作為優(yōu)選，高阻值電阻連接在同步發(fā)電機(jī)定子鐵心穿心螺桿的中部或者端部。

采用上述技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果在于：本發(fā)明提出的診斷方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)穿心螺桿與定子鐵心短路故障的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，相對(duì)于常規(guī)的離線(xiàn)檢測(cè)方法，本方法具有發(fā)現(xiàn)故障更及時(shí)、靈敏度更高、能避免惡性故障等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的短路故障位于定子鐵心內(nèi)部，這是常規(guī)離線(xiàn)檢測(cè)方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)的，有效地彌補(bǔ)了常規(guī)離線(xiàn)診斷方法的監(jiān)測(cè)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子鐵心短路故障的全覆蓋檢測(cè)。本方法的實(shí)現(xiàn)也十分簡(jiǎn)單，同步發(fā)電機(jī)定子鐵心采用分段式或整體式結(jié)構(gòu)。對(duì)于分段式鐵心，接地點(diǎn)可以設(shè)置在穿心螺桿的中部，接地線(xiàn)從相鄰鐵心段間間隙引出；對(duì)于整體式鐵心，接地點(diǎn)可以設(shè)置在穿心螺桿的端部，接地線(xiàn)從穿心螺桿端部直接引向定子鐵心背部。本發(fā)明對(duì)于同步發(fā)電機(jī)出現(xiàn)定子鐵心大面積融化具有重要的預(yù)防作用，為發(fā)電機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

附圖說(shuō)明

圖1是發(fā)電機(jī)定子鐵心及穿心螺桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是發(fā)電機(jī)的穿心螺桿示意圖；

圖3是穿心螺桿與鐵心一點(diǎn)短路示意圖；

圖4是穿心螺桿與鐵心二點(diǎn)短路示意圖；

圖5是穿心螺桿與鐵心短路故障檢測(cè)方法示意圖；

圖6是穿心螺桿短路及測(cè)量原理圖；

圖7是TA1100-78型汽輪發(fā)電機(jī)2維仿真模型；

圖8是單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿處徑向磁密；

圖9是單旋轉(zhuǎn)周期穿心螺桿感應(yīng)電壓；

圖10是采集電壓波形。

圖中：1、穿心螺桿，2、穿心螺桿感應(yīng)的分布電壓，3、絕緣層，4、定子鐵心段間間隙，5、數(shù)據(jù)采集及分析裝置；6、鴿尾槽；7、定子鐵心；8、定位筋；9、短路點(diǎn)；10、定子線(xiàn)棒；11、槽楔；12、高阻值電阻；13、采樣電阻。

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(mǎi)，異形件根據(jù)說(shuō)明書(shū)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。

一種同步發(fā)電機(jī)定子鐵心與穿心螺桿短路故障的監(jiān)測(cè)方法，將同步發(fā)電機(jī)定子鐵心的穿心螺桿1經(jīng)串聯(lián)的高阻值電阻12和采樣電阻13接地，使用數(shù)據(jù)采集及分析裝置5在線(xiàn)采集采樣電阻13兩端的電壓瞬時(shí)值，將該電壓瞬時(shí)值與故障判定閾值相比較，當(dāng)其超出故障判定閾值時(shí)，判定該同步發(fā)電機(jī)的穿心螺桿1與定子鐵心7發(fā)生短路故障。使用采樣電阻13兩端的交流電壓最大值或有效值判斷短路點(diǎn)的位置；短路點(diǎn)和接地點(diǎn)之間距離的大小變化趨勢(shì)與上述電壓值的大小變化趨勢(shì)相同。故障判定閾值設(shè)定為0.1V。高阻值電阻12和采樣電阻13安裝于同步發(fā)電機(jī)的定子鐵心7背部與同步發(fā)電機(jī)機(jī)殼之間的間隙內(nèi)。高阻值電阻12連接在穿心螺桿1的中部或者端部。

同步發(fā)電機(jī)定子鐵心有整體式和分段式兩種結(jié)構(gòu)。以分段式鐵心結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機(jī)為例，相鄰鐵心段間為氣隙(圖1)，在氣隙處可見(jiàn)穿心螺桿部分，這為從穿心螺桿向外引出連接線(xiàn)提供了條件。本發(fā)明提出的穿心螺桿1與定子鐵心7短路故障在線(xiàn)檢測(cè)方法原理如圖5所示。圖5中，在每個(gè)穿心螺桿1的中間部位經(jīng)過(guò)一個(gè)10000Ω+100Ω的電阻接地。當(dāng)穿心螺桿1與定子鐵心7無(wú)短路點(diǎn)時(shí)，無(wú)法形成閉合回路，接地電阻支路的電流為零；一旦穿心螺桿1與定子鐵心7間出現(xiàn)短路點(diǎn)，構(gòu)成了閉合回路，回路內(nèi)有交變電勢(shì)，則形成環(huán)流。由此可見(jiàn)，電阻回路是否有電流可以作為判斷穿心螺桿1與定子鐵心7有無(wú)短路點(diǎn)的依據(jù)。

同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，單根穿心螺桿1感應(yīng)的電壓最大不會(huì)超過(guò)1000V，即使短路形成了閉合回路，由于回路內(nèi)串入了10000Ω的高阻值電阻12，回路電流將限制在0.1A以?xún)?nèi)，不會(huì)對(duì)定子鐵心7構(gòu)成威脅。100Ω電阻為采樣電阻13，其兩端直接連接數(shù)據(jù)采集及分析裝置5(量程為±10V)，實(shí)時(shí)采集其電壓值，見(jiàn)圖6。一旦該電壓超過(guò)設(shè)定閾值，即可判定該穿心螺桿1與定子鐵心7發(fā)生短路故障。

為了驗(yàn)證新型監(jiān)測(cè)方法的有效性，選擇某核電廠一臺(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)載工況下的仿真驗(yàn)證，該機(jī)組的參數(shù)見(jiàn)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7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。發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，切割穿心螺桿的磁場(chǎng)是穿心螺桿處磁通密度的徑向分量，因此，仿真獲取發(fā)電機(jī)某穿心螺桿位置的徑向磁場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，見(jiàn)圖8。

從圖8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)各磁極的磁場(chǎng)出現(xiàn)了明顯的不對(duì)稱(chēng)，因此，穿心螺桿位置的磁場(chǎng)也呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)。故障極磁場(chǎng)掃過(guò)穿心螺桿式時(shí)，其徑向磁密小于轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)的數(shù)值。

發(fā)電機(jī)主磁場(chǎng)的徑向分量以同步速切割穿心螺桿，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，整個(gè)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(jiàn)圖9。

假定發(fā)電機(jī)穿心螺桿的1/4處在0.2S時(shí)刻與定子鐵心間發(fā)生金屬性短路故障，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的電壓波形見(jiàn)圖10：

從圖10可以看到：當(dāng)穿心螺桿與定子鐵心間未發(fā)生短路時(shí)，并未形成閉合回路，采樣電阻兩端電壓為零；一旦穿心螺桿與定子鐵心間發(fā)生短路，采樣電阻兩端電壓立即上升，有顯著的交流分量出現(xiàn)，因此，可以將該電壓作為穿心螺桿與定子鐵心短路故障的判據(jù)。

該交流電壓的幅值與發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況、短路點(diǎn)位置等因素有關(guān)，特別是短路點(diǎn)位置，短路點(diǎn)越靠近接地點(diǎn)，采集到的電壓值越低，短路點(diǎn)越靠近穿心螺桿的中部，采集到的電壓值越低，為了保證診斷的靈敏度，應(yīng)合理設(shè)置故障閾值，以發(fā)現(xiàn)靠近穿心螺桿接地點(diǎn)的短路故障，針對(duì)本例，故障閾值設(shè)定為0.1V。

通過(guò)上述仿真結(jié)果可知：通過(guò)在同步發(fā)電機(jī)穿心螺桿上引出接地線(xiàn)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)穿心螺桿與鐵心短路故障的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)采集電壓超出設(shè)定閾值，就可以判斷穿心螺桿與定子鐵心間發(fā)生了短路故障，根據(jù)采集電壓的大小還可以判定短路的大致位置。接地線(xiàn)可以在發(fā)電機(jī)制造或大修階段安裝，具有簡(jiǎn)單、安全的特點(diǎn)。本方法能夠發(fā)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)鐵心內(nèi)部短路故障，有效彌補(bǔ)了常規(guī)離線(xiàn)檢測(cè)方法僅能發(fā)現(xiàn)鐵心表面短路故障的缺點(diǎn)。此外，本方法還具有診斷成本低，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“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(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)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(shū)及其等效物界定。