一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路及方法

技术领域

本发明涉及发电机在线监测技术领域，特别是一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路及方法。

背景技术

发电机定子铁芯拉紧螺杆是发电机定子铁芯硅钢片紧固的重要结构，在大中型水轮发电机中由于定子铁芯高度高，面积大，常采用金属螺杆从定子铁芯轭部穿过的方式拉紧铁芯，称其为定子铁芯穿心螺杆。定子铁芯在机组运行时存在磁通密度较大的交变磁场，将在穿心螺杆上产生较大的感应电压。

当前对发电机定子铁芯穿芯螺杆的绝缘状况检测主要有两种方法：第一种采用兆欧表进行绝缘电阻测量，该方法需在发电机停运状况下进行，不能实现实时在线测量。第二种方法由华北电力大学(保定)武玉才发明的《同步发电机定子铁心与穿心螺杆短路故障的监测方法》，见图1和图2。其原理为穿心螺杆感应电动势E＝BLV，将穿心螺杆分为均等长度的若干份，每一份的感应电压相同。当穿心螺杆绝缘良好时，串联电阻回路电流为0，测量电阻两端的电压也为0。当位置1出现接地时，将与电阻串联回路形成闭合回路，产生接地电流，测量电阻两端产生压降，即可判断穿心螺杆有接地故障；通过测量100Ω电阻的电压可计算装置接线与接地点之间的感应电压，从而测量接地点的位置。

该测量方法虽然能在线实时测量穿心螺杆的绝缘状况，但仍存在较多不足之处。缺点一：需要在定子穿心螺杆中部位置接测量线，该600MW水轮发电机通风沟高度6mm，穿心螺杆与铁芯背面距离205mm，理论上可以通过拆除空气冷却器从发电机定子铁芯背部中段进行接线。引线连接难度大，若引线绝缘处理不当，容易导致穿心螺杆直接与铁芯接触，导致穿心螺杆接地，同时空冷与空冷间隔之间的定子铁芯处于全封闭状态将不能从中部进行引线，从而不能进行在线监测。缺点二：只能测出接地点与装置引线的距离，对应的是上下2个点，不能精准的判断接地点。缺点三：判断接地点位置误差较大，(一)、穿心螺杆的感应电压与发电机定子出线电压成正比，当发电机在非额定电压运行时，接地点位置测量存在偏差，应乘以额定电压与运行电压的比值作为修正。(二)、在接地电阻较大时，如对地电阻达到10000Ω时，测量接地点位置仅为实际接地位置的1/2。由污秽物聚集造成绝缘电阻偏低是缓慢发展的过程，该方法只适用于测量较低接地电阻值的穿心螺杆绝缘监测，而不能有效的发现绝缘劣化的发展趋势。缺点四：穿心螺杆单点接地时产生的接地电流几乎为0(可能造成局部铁芯硅钢片短路，由于硅钢片片间的感应电势差为mV级别，如非金属性稳定短路且短路片数较多，短路电阻接近为0时将不会立即造成铁芯损坏)，不能作为紧急事故停机的必要条件，该装置只能测量一点接地，当两个接地点分别位于装置引线位置两侧时，由于感应电流通过两个接地点形成环流，电阻串联回路电流几乎为零，导致该装置判断穿心螺杆无绝缘故障。

综上所述，目前测量发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障最有效的方法是采用离线的方式测量对地绝缘电阻。在线测量方法难以全面覆盖穿心螺杆、且存在安全隐患，同时对于发电机定子铁芯破坏性极强的穿心螺杆两点接地不能有效发现。因此亟须开发一种在线的、高精确度、实施简便、安全可靠的定子铁芯穿心螺杆绝缘故障检测装置及方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是无法实现发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障的在线监测。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路，其包括主体单元，包括穿心螺杆，所述穿心螺杆通电后感应出第一电阻、第一电源、第二电阻、第二电源、第三电阻和第三电源交替串联的等效电路；测量单元，包括第一电压表和第二电压表，所述第一电压表一端与穿心螺杆的一端相连，其另一端接地，第二电压表两端分别与穿心螺杆两端相连；保护单元，包括两块相同的熔断器，所述熔断器与第二电压表相串联。

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路的一种优选方案，其中：所述穿心螺杆两端分别用带屏蔽层的电缆连接引出至第二电压表。

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路的一种优选方案，其中：所述第一电压表和第二电压表均选用高内阻的电压表，内阻不低于10MΩ。

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路的一种优选方案，其中：所述熔断器的保护阈值为0.5A。

为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法，通过上述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路实现，包括以下步骤：计算穿心螺杆感应电压E；通过第一电压表测量穿心螺杆的一端对地电压U

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的一种优选方案，其中：所述穿心螺杆感应电压E计算公式为：

其中，其中U0为发电机额定相电压，N为单相绕组串联定子线棒数量，其中L

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的一种优选方案，其中：所述一点接地故障阈值Y

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的一种优选方案，其中：所述两点接地故障阈值Y

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的一种优选方案，其中：当发生一点接地故障时，所述上端对地电压U

作为本发明所述发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的一种优选方案，其中：当第二电阻和第二电源两端发生两点接地故障时，按照如下公式计算，U

R7＝R5+R6

I＝E

U

U2＝E

其中，R5和R6分别为此时两点接地电阻，R7为R5和R6的等效电阻，I为等效电路的感应电流，E

本发明的有益效果：

本发明直接在穿心螺杆两端部进行接线，可在发电机检修时进行，接线方便可靠，因接线导致穿心螺杆绝缘不良的可能性极小；本方法可在线实时监测穿心螺杆绝缘状况，及时、有效的发现其一点接地、多点接地及接地电流变化情况，为发电机安全运行、紧急停机检修提供参考依据；本发明对同步发电机定子铁芯因穿心螺杆绝缘故障出现大面积烧损事故具有提前准确预判作用，确保了发电机长期安全稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施条例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为现有技术的一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路；

图2为现有技术的一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路另一形式；

图3为本发明所述的发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路的示意图；

图4为本发明所述的发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路的各个状态示意图；

图5为本发明所述的发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路的两点接地等效状态示意图；

图6为本发明所述的发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性地与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路，包括主体单元100，包括穿心螺杆C，穿心螺杆C通电后感应出第一电阻R1、第一电源E1、第二电阻R2、第二电源E2、第三电阻R3和第三电源E3交替串联的等效电路；测量单元200，包括第一电压表V1和第二电压表V2，第一电压表V1一端与穿心螺杆C的一端相连，其另一端接地，第二电压表V2两端分别与穿心螺杆C两端相连；保护单元300，包括两块相同的熔断器Fu，熔断器Fu与第二电压表V2相串联。

穿心螺杆C两端分别用带屏蔽层的电缆连接引出至第二电压表V2。

第一电压表V1和第二电压表V2均选用高内阻的电压表，内阻不低于10MΩ。

熔断器Fu的保护阈值为0.5A。

这里用穿心螺杆C两端引线测量，取代了现有技术的中间测量方式。

实施例2

参照图3～6，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法，通过上述的发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测电路实现，包括以下步骤：计算穿心螺杆感应电压E；通过第一电压表V1测量穿心螺杆C的一端对地电压U

穿心螺杆感应电压E计算公式为：

其中，其中U0为发电机额定相电压，N为单相绕组串联定子线棒数量，其中L1为定子铁芯磁轭宽度，L2为穿心螺杆距离磁轭底部定位筋的距离。

一点接地故障阈值Y1取0.45～0.55倍穿心螺杆感应电压E值。

两点接地故障阈值Y

当发生一点接地故障时，所述上端对地电压U

当第二电阻R2和第二电源E2两端发生两点接地故障时，按照如下公式计算，根据U

R7＝R5+R6

I＝E

U

U2＝E

其中，R5和R6分别为此时两点接地电阻，R7为R5和R6的等效电阻，I为等效电路的感应电流，E

发电机定子铁芯穿心螺杆两端头分别用带屏蔽层的电缆引出至测量装置进线端子，分别接入0.5A的熔断器Fu作为保护，分别测量穿心螺杆上端对地电压、上下端之间的电压，如图4所示。

发电机定子铁芯穿心螺杆在磁场中产生的感应电压，可视为多个电源与电阻串联的电路图，如图5所示采用三组电源电阻串联结构表示穿心螺杆绝缘良好、一点接地、两点接地三种工作状态，由于在运行状态下接地电阻往往随着粉尘油污的增加呈现逐步降低的状态，并非0电阻接地，使用电阻R4、R5、R6表示接地电阻。测量上端对地电压U

当定子铁芯穿心螺杆绝缘良好时U

当穿心螺杆两点通过R5、R6两个电阻接地时，电路、电流示可简化如图6所示，R7＝R5+R6，电流I＝E2/(R2+R7)，R7两端的电压U

由于穿心螺杆感应电压E与发电机定子出口相电压成正比，对于发电机定子出口电压变化幅度较大的机组(如经常与额定电压偏差超过±5％)，应引入发电机实时出口电压与额定电压之比值对在线监测系统电压阈值进行修正，提高测量的准确性。水轮发电机运行电压一般规定为额定电压的90％-110％，对测量精度没有过高要求时，阈值设置时可适当放大躲过正常运行电压波动。

实施例3

本发明第三个实施例，为检验本发电机定子铁芯穿心螺杆绝缘故障监测方法的效果，采用如下型号的水轮发电机进行试验：

表1试验水轮发电机参数

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每槽由上层下层两颗线棒，定子线棒数量为2倍定子槽数，即900颗，定子连接方式为6支路，单相单支路串联线棒数量为900/(3*6)，即50颗，每颗线棒感应电压

通过发电机额定电压运行时测量绝缘合格的穿心螺杆两端之间的感应电压值为U2为136.4V-138.2V，在正常范围以内。

将一根空载感应电压为137.2V的穿心螺杆将穿心螺杆下端部通过一电阻箱(0-99999Ω，额定电流0.5A)接地模拟穿心螺杆一点接地现象，电阻箱起始电阻调到99999Ω，逐渐向0Ω调节，测量两端之间的电压U

将穿心螺杆上下端之间连接阻值为0-50Ω，额定电流为5A的滑动变阻器模拟穿心螺杆两点接地现象，滑动变阻器初始值调到最大的50Ω，逐步减小滑动变阻箱阻值至电流为5A，测量电流为3A、4A、5A时两端部电压分别为129.4V、126.8V、124.4V，分别为绝缘状况良好时两端部电压137.2V的94％、92％、91％，低于0.95倍两端电压阈值，判断存在两点及以上接地故障。当接地短路电阻越小、接地电流越大时，两端部间电压越低，对发电机定子铁芯的危害就越大。因此可以根据发电机定子铁芯可承受接地电流的大小来设置两端电压的大小作为一级报警值、二级报警值及紧急停机报警值。为防止端部接线断线造成监测装置误判，一级报警后可采取串联一个100左右的电阻接入两端部引出线上，测量流经电阻的电流，若电流值很低甚至为0时(可设置阈值为0.1A)，判断存在引线断线现象，可屏蔽报警信号，并在机组停机后进行引线处理。

通过以上的模拟试验结果可知，通过引出发电机定子铁芯穿心螺杆两端部引线，分别测量上端部对地电压、上下端部之间的电压，可实时地监测穿心螺杆绝缘状况，有效的发现其一点接地并计算接地点大概位置、两点及以上接地短路故障及其故障发展的速度(监视两端电压下降速度)。具有接线简单、安全可靠、成本较低、功能齐全，弥补了现有技术的盲区。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。