基于新型探测线圈的交流电机绕组内部故障在线监测方法

Concerning the limitation of the available protection, detection and diagnosis of the common internal faults in stator and rotor windings of AC machines (especially the stator inter-turn short circuits and field inter-turn short circuits in the typical turbo-generators with only two poles), this project presents an on-line faults monitoring method, using the EMF induced in the novel air-gap search coils. The search-coil has two sides fixed under the stator notches, and is arranged according to the certain rules that the number, position, pitch and connection pattern are determined by the stator winding of the machine. Monitoring the EMF of the specific search coils induced by the additional space harmonics of the air-gap magnetic field , the winding internal faults in stator and rotor can be not only detected but also distinguished from each other by the frequency of EMF. Based on the rigorous theoretical analysis and accurate quantitative calculation, extraction methods of the characteristics for different faults will be studied, and the monitoring schemes and the setting values presented. The location method will be further explored for the inter-turn short circuits of field windings in synchronous generators. This project will devote to the principle researches on main equipment relay protection and faults monitoring. Meanwhile some of electric manufacturing plants agree the feasibility of the search coil presented in this project.

为解决现有的保护、检测及诊断等方法对交流电机常见的绕组内部故障（尤其是汽轮发电机定子绕组匝间短路和励磁绕组匝间短路）的局限性，本项目提出了基于一种新型探测线圈感应电动势的故障在线监测方法。将每个探测线圈的两边固定于定子槽口，根据电机定子绕组的形式，按照一定的规则（包括线圈个数、空间位置、节距和联接方式等）布置探测线圈，通过在线监测探测线圈感应电动势来提取内部故障产生的气隙磁场附加谐波，可以同时反应交流电机的定子和转子绕组内部故障、并根据感应电动势的频率特征来区分具体的故障类型。在对各种故障进行严密的理论分析和准确的定量计算的基础上，研究各种故障特征量的提取方法，由此提出针对各种故障的监测方案和整定值，并进一步探索励磁绕组匝间短路的故障定位方法。该方法是对主设备继电保护和故障监测的原理性研究，同时其可行性也得到了部分电机制造厂的认可。

传统三相同步发电机定子绕组内部短路的故障保护、励磁绕组匝间短路的故障监测，必须配置分支电流互感器，无法应用于大多数汽轮发电机、工作于移动体的多相整流发电机等交流电机。本项目提出了一种按照特殊规则布置在电机气隙中的新型探测线圈，理论上可以反映各种内部故障引起的气隙磁场空间附加谐波，用来研究多种交流电机的内部不对称故障检测。.考虑探测线圈的个数、空间位置、联接方式和节距，建立了三相同步发电机定子内部短路和励磁绕组匝间短路故障的探测线圈感应电动势数学模型。在极对数分别为3和1的小型三相同步样机上设计并安装了两类新型探测线圈，计算出探测线圈在正常运行时的端口电压为0、而在定子内部短路和励磁绕组匝间短路故障中产生了频率不同的交流电压，通过各种故障实验验证了探测线圈电压计算方法的正确性，也说明了利用新型探测线圈反映电机内部故障、并区分定子与转子故障的可行性。.多相整流发电机系统经常应用于舰船、航天器等移动平台电力系统中，对可靠性要求较高，但受空间条件等限制很难采用传统三相电机常用的基于电流互感器的各种保护方法。本项目建立了多相整流发电机系统定子内部匝间和相间短路、励磁绕组匝间短路以及永磁转子局部失磁故障的数学模型；设计并定制了电励磁和永磁转子的两种多相实验样机，都安装了新型探测线圈；在电励磁样机上进行了各种定子内部短路、励磁绕组匝间短路实验，在永磁样机上进行了不同程度的转子部分失磁实验。各种实验结果、尤其是故障后探测线圈的端口电压，均与计算结果基本吻合，验证了数学模型和计算方法的准确性。.基于新型探测线圈中产生的特定频率的交流电压信号，提出了普通三相同步发电机和十二相整流同步发电机定子内部短路故障的保护方案和整定值、励磁绕组匝间短路故障的监测方案和报警值，以及六相整流永磁同步转子局部失磁故障的监测方案和报警值。