华北电力大学武玉才教授团队提出一种基于空间支路环流比较的水轮发电机定子不圆度检测方法

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导语

目前,水轮发电机定子不圆度检测主要依据气隙监测传感器在线测量，但气隙监测传感器受测点限制（一般整个圆周仅布置8个）较难反映定子整体圆度状态，仍需在机组计划检修期间通过静态气隙测量与定子测圆等离线方式进一步确定定子内腔圆度状况，但离线方式需在机组计划检修期间进行测量，具有检测不及时、测量工作量大且操作复杂等缺点。为此，华北电力大学电机教研室武玉才教授团队基于支路绕组空间分布特点提出了通过同相支路环流比较法来检测定子不圆度状态。

研究背景

大型水轮发电机定子制造公差、叠片拼装接缝不均匀等问题难以避免，定子内腔无法保证理想圆度，运行中机械和电磁振动以及温度变化引起的热膨胀也容易导致定子铁心松动变形，定子铁心形貌将发生巨大改变。严重的铁心变形和强烈振动容易导致机座焊缝开裂、铁心叠片松动或滑出、齿端铁片断裂、定转子碰磨、定子绕组绝缘磨损，甚至酿成绝缘击穿与定子接地事故，严重危害发电机运行安全和使用寿命。

长期以来，定子不圆度引发的水轮发电机定子铁心局部温度和振动超标在我国各地发电厂中多次出现，定子不圆度故障在线监测技术的研究与应用十分必要。

论文所解决的问题及意义

定子支路环流比较法通过实时比较不同空间位置定子支路的环流大小差异，非侵入式、低成本地实现对定子铁心不圆度的在线检测与评估，具备空间分辨能力，可提供定子圆周不同位置的相对不圆度信息，有效定位局部变形。

该方法对渐进性不圆度敏感，能通过环流微小变化反映不圆度早期发展趋势。该方法特别适用于大型水轮发电机，能充分利用其同相并联支路多且空间分布广的结构特点进行故障定位。如果同相支路数量较少或未能均匀覆盖整个圆周，则比较不同相的同相支路环流差异，以此推断不同空间位置段的不圆度相对大小。

论文方法及创新点

依据网孔电流法与基尔霍夫第二定律推导了发电机同相多支路环流表达式，得出同相各支路所在定子区域气隙差异将使支路电动势幅值与相位出现差异，得到环流特征谐波与定子不圆度故障程度的关联规律。

图1 定子绕组A相并联支路等效电路图

随后以一台334MVA水轮发电机为例搭建了有限元电磁仿真模型，提取到与预测频率一致的奇数次特征谐波环流，分析了环流时、频域特征与定子变形范围、径向位移、凹凸极点之间的关联规律，得到环流与支路所在区域定子铁芯形变间的关系。

图2 定子不圆度下定子齿与定子磁轭内径

图3 定子不圆度下磁通密度分布

图4 发电机单支路区域定子不圆度故障环流

最后在一台凸极同步发电机上模拟了定子外凸不圆度故障，通过比较各相的支路环流，确定了支路所在区域的相对形变大小，检测了定子不圆度状况。

图5 发电机定子改造

图6 发电机定子支路绕组空间分布

结论

1）定子不圆度状态下，水轮发电机各支路所在区域的气隙存在差异，故障磁导谐波将使支路感应电动势在幅值与相位上产生差异，定子同相支路间出现奇数次谐波环流。

2）定子不圆度状态下，各支路区域定子不圆度在变形范围、形变量上差异越大，则支路间环流谐波越高。

3）定子铁心内凹引起的环流谐波特征与外凸相近，在仅存在铁心内凹情况下，内凹极点数越多，奇数次谐波环流也越高。

团队介绍

本文由华北电力大学电气设备状态监测与故障诊断研究团队完成，研究团长长期针对电气设备和智能监测领域的重大科学技术需求开展工作，承担国家自然科学基金项目2项、河北省自然科学基金面上项目3项，主持和参与河北省重点研发计划纵、横向科研课题30余项，主编出版学术著作3部，发表学术论文100余篇，SCI或EI检索60余篇，授权发明专利30余项，获得河北省科学技术奖二等奖、三等奖等各类科技奖励合计7项。

武玉才

博士，教授，研究方向为电气设备状态监测与故障诊断。

张广翔

硕士研究生，研究方向为电气设备状态监测与故障诊断。

本工作成果发表在2026年第6期《电工技术学报》，论文标题为“基于支路环流的水轮发电机定子不圆度故障检测“。本课题得到国家自然科学基金项目、河北省自然科学基金项目和云南省科技人才与平台计划项目资助。

引用本文

武玉才, 张广翔, 岳建锋, 杨光勇, 刀亚娟. 基于支路环流的水轮发电机定子不圆度故障检测[J]. 电工技术学报, 2026, 41(6): 1986-2000. Wu Yucai, Zhang Guangxiang, Yue Jianfeng, Yang Guangyong, Dao Yajuan. Fault Detection of Stator Non-Roundness in Hydro-Generator Based on Branch Circulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(6): 1986-2000.

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