CN101592698B - 水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三种水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法及装置，属于水轮发电机转子监测保护技术；旨在提供三种可对水轮发电机转子匝间短路进行在线监测定位的方法及装置。用感应线圈对已编号定位的各磁极的感应电势波形作同步实时采集，传给微机，算出各磁极感应电势峰值平均值e_p、极点平均值v_p，将感应电势最小峰值e_min、感应电势最小极点值v_min与e_p、v_p对应比较并作出判断。装置一包括定位识别标识(11)、第一、二隔离电路(13、7)、微机(3)、位置传感器(12)、滤波放大电路(8)、、A/D转换电路(4)、磁极感应线圈(9)、分频电路(15)和整形电路(16)以及显示器(5)；在此基础上装置二增加极点放大电路(6)。

Description

水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法及装置

技术领域：本发明涉及三种发电机转子匝间短路在线监测定位方法，尤其涉及三种水轮发电机转子匝间短路在线监测定位的方法；本发明还涉及分别实现上述方法的装置。

背景技术：在目前发电机转子匝间短路技术中，研究汽轮发电机的很多，而研究水轮发电机的很少。由于汽轮发电机是隐极式的，只有两个磁极，其匝间短路反映在转子的槽内；而水轮发电机是凸极式的，有很多个磁极，其匝间短路反映在转子的磁极内。汽轮发电机的转子槽内匝数较少，一般只有几匝，当发生匝间短路时其特征较明显，容易辨别；而水轮发电机转子磁极内匝数较多，一般为几十匝，当发生匝间短路时其特征不明显，不容易辨判别。水轮发电机的结构不同于汽轮发电机，因而用气隙感应电势波形来分析、判断匝间短路的方法也相应不同。

众所周知，水轮发电机转子线圈相邻匝间的绝缘层材料很薄，转子也比较庞大，受转子旋转离心力的作用以及层间绝缘老化的影响，发电机转子匝间短路时有发生。水轮发电机转子匝间短路的危害极大：它会使转子电流增大、绕组温度升高，尤其是短路点局部温度过高将会损坏转子线圈及其铁芯，扩大事故；同时，由于转子磁力不平衡，还会加剧机组振动，威胁发电机的安全运行。

目前，主要采用以下三种方法来判别水轮发电机转子匝间是否发生短路：①直流电组测试法，②作发电机空载、短路试验，③测量转子的交流阻抗和功率损耗试验。然而，由于转子绕组的电阻很低，采用方法①很难发现匝间短路故障；受到测量装置精度的影响，方法②同样也很难发现匝间短路故障。方法③虽能够发现匝间短路故障，但必须退出电网运行或停机检修时才能进行，不能动态检测；即便如此，也必须花费大量的时间去查找短路点的具体位置，这无疑会严重影响发电机的经济效益。

目前，还没有一种能够在线监测定位水轮发电机转子发生匝间短路故障的方法，更没有一种能够对水轮发电机转子发生匝间短路故障进行在线监测定位的装置。

发明内容：针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法，利用该方法不仅能够对水轮发电机转子是否发生匝间短路故障、以及发生故障的具体位置作出快速、准确的判断，从而达到缩短停机检修时间、提高经济效益的目的；本发明的另一个目的是提供另外一种灵敏度更高的水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法；另外，本发明的目的还在于提供两种分别实现上述方法的两种装置。

为了实现上述目的，本发明所提供的方法一采用以下技术方案：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势波形，再进行滤波放大后，通过同步实时采集，将各磁极的感应电势波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势波形数据，算出转子一个周期内各磁极的感应电势峰值e_i，并根据e_i按下列公式算出各磁极的感应电势峰值平均值e_p、各磁极的感应电势峰值与平均值的相对值γ_i；并在各个γ_i中找出最小相对值γ_imin：

$e_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i}{g}$

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{e_i}{e_p}\×100\%$

其中，g为磁极的个数、i为第某个磁极；

4)按躲过发电机正常运行时的最小磁极波电势相对值γ_imin′确定匝间短路整定值γ_zd＝γ_imin′×k，将γ_zd输入微机，k为灵敏系数；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若γ_imin≤γ_zd，则表明转子的第i号磁极发生匝间短路。

为了提高检测灵敏度，本发明方法一可采用以下优选方案：步骤3)中各磁极感应电势峰值平均值e_p按公式 $e_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i-e_{\min }}{g-1}$ 计算；其中，e_min为各磁极的感应电势峰值e_i中的最小值。

为了实现上述目的，本发明所提供的方法二采用以下技术方案：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势波形，经滤波放大，由极点检波放大电路将该感应电势波形中的近似直线段的中间部分自动去掉、留下的峰值部分经再次放大后得到峰值极点放大波形，通过同步实时采集将其波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势极点波形数据，算出转子一个周期内各磁极的感应电势波峰极点值v_i，并根据v_i按下列公式算出各磁极的感应电势波峰极点平均值v_p、各磁极的感应电势波峰极点值与极点平均值的相对值β_i；并在各个β_i中找出最小相对值β_imin：

$v_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i}{g}$

${\mathrm{\β}}_i=\frac{v_i}{v_p}\×100\%$

4)按躲过发电机正常运行时的最小波峰极点相对值β_imin′确定匝间短路整定值β_zd＝β_imin′×k，将β_zd输入微机；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若β_imin≤β_zd，则表明转子的第i个磁极发生匝间短路。

为了提高检测灵敏度，本发明方法二可采用以下优选方案：步骤3)中各磁极的感应电势波峰极点平均值v_p按公式 $v_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-v_{\min }}{g-1}$ 计算；v_min为各磁极的感应电势波峰极点值v_i中的最小值。

为了实现上述目的，本发明所提供的方法三采用以下技术方案：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势经滤波放大后的波形，或将再由极点检波放大电路将该感应电势波形中的近似直线段的中间部分自动去掉、留下的峰值部分经再次放大后得到波峰极点放大波形，通过同步实时采集将其波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势波形数据或极点波形数据，通过小波变换，得到一组含有明显故障奇异性特征的波形数据，从中找出转子一个周期内最大绝对值W_i；

4)按躲过发电机正常运行时经小波变换后的最大绝对值w_zd′确定匝间短路整定值w_zd＝w_zd′×k，将w_zd输入微机；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若W_i≥w_zd，则表明转子的第i个磁极发生匝间短路。

为了实现上述方法一，本发明所提供的装置一采用以下技术方案：它包括设置在转子大轴上与任意一个磁极位置对应的定位识别标识，设置在发电机支架上并通过第一隔离电路与微机连接的位置传感器，设置在发电机内壁上并依次通过滤波放大电路、第二隔离电路以及A/D转换电路与微机连接的磁极感应线圈，接在微机与第二隔离电路之间的分频电路和整形电路，与微机连接的显示器和按键。

微机通过串行隔离通讯电路与上位微机连接，匝间短路报警电路与微机连接。

为了实现上述方法二和方法三，本发明所提供的装置二采用以下技术方案：它包括设置在转子大轴上与任意一个磁极位置对应的定位识别标识，设置在发电机支架上并通过第一隔离电路与微机连接的位置传感器，设置在发电机内壁上并依次通过滤波放大电路、第二隔离电路、极点检波放大电路以及A/D转换电路与微机连接的磁极感应线圈，接在微机与第二隔离电路之间的分频电路和整形电路，与微机连接的显示器和按键。

微机通过串行隔离通讯电路与上位微机连接，匝间短路报警装置与微机连接。

在上述装置一、装置二的技术方案中，滤波放大电路的作用是通过低通滤波器将高次谐波滤掉，并将电势信号放大以便于微机处理；第一隔离电路、第二隔离电路是为了与现场隔离，增加硬件抗干扰能力；极点检波放大电路是将最能表征匝间短路故障的波顶部分进行放大，以提高故障识别能力和匝间短路保护灵敏度；A/D转换电路将模拟量转换为数字量；整形电路和分频电路一方面是为了进行频率计算用，以便实现同步采样，另一方面是在没有位置信号时作为波形同步显示；串行隔离通讯电路是将各个磁极的工作状态、匝间短路情况以及故障点的位置送往上位微机，以便实现远程监测；匝间短路报警电路由隔离电路和继电器组成，当发生匝间短路时便可发出故障报警信号；位置传感器用于确定匝间短路故障的位置。

工作原理：将设置有定位识别标识的磁极定为1^#磁极，然后依次对各磁极进行编号，在转子旋转过程中，当1^#磁极经过位置传感器时就会产生一个信号，该信号就表示1^#磁极在转子上所处的物理位置；同时，当1^#磁极经过感应线圈时，其感应电势波形就是1^#磁极的波形；于是，其它各个磁极的物理位置便可依次确定。在转子旋转过程中，各个磁极磁场经过感应线圈时会产生感应电势，若某磁极的匝间存在短路，则该磁极的磁场强度就会相应减小，并通过感应线圈的电势波形反映出来。

与现有技术比较，本发明方法由于采用了上述技术方案，利用气隙感应电势波形来分析、判断转子匝间短路，因此彻底克服了传统方法不能在线监测、不能在线定位的缺陷；同时，由于采用了同步采样方式，因此避免了发电机频率变化带来的测量误差，提高了检测灵敏度。另外，本发明装置由于采用了上述技术方案，因此不需要停机即可在发电机运行中快速诊断转子是否存在匝间短路，保证了发电机的运行安全；同时，还能在线诊断短路点的物理位置，减少了查找故障点的时间、提高了经济效益。本发明对匝间短路故障点所在磁极位置的判断准确率为100％，磁极感应电势测量相对值误差、磁极感应电势波峰极点相对值误差为0.5％，分辨率为0.1％，频率测量误差为0.1％。

附图说明：

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是水轮发电机各磁极的感应电势波形图；

图3是水轮发电机感应电势波形图经极点检波放大后的峰值放大图；

图4是水轮发电机各磁极感应电势经小波变换后的波形图。

图中：上位微机1  匝间短路报警电路2  微机3  A/D转换电路4显示器5  极点检波放大电路6  第二隔离电路7  滤波放大电路8磁极感应线圈9  转子大轴10  定位识别标识11  位置传感器12  第一隔离电路13  串行隔离通讯电路14  分频电路15  整形电路16  按键17

具体实施方式：下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明：

实施例1，如图2所示，本发明所提供的方法一通过以下步骤实现：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)磁极感应线圈安装于定子内壁上或内壁通风孔处，利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势波形，再进行滤波放大后，通过同步实时采集，将各磁极的感应电势波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势波形数据，算出转子一个周期内各磁极的感应电势峰值e_i，并根据e_i按下列公式算出各磁极的感应电势峰值平均值e_p、各磁极的感应电势峰值与平均值的相对值γ_i；并在各个磁极波电势相对值γ_i中找出最小磁极波电势最小相对值γ_imin：

$e_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i}{g}$

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{e_i}{e_p}\×100\%$

其中，g为磁极的个数、i为第某个磁极；

4)按躲过发电机正常运行时的最小磁极波电势相对值γ_imin′确定匝间短路整定值γ_zd＝γ_imin′×k，将γ_zd输入微机；k为灵敏系数，在此k取99％；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若γ_imin≤γ_zd，则表明转子的第i号磁极发生匝间短路。

例如：假设水轮发电机每个磁极有25匝线圈，正常运行时最小磁极波电势比值γ_imin′＝99.8％，则匝间短路整定值γ_zd＝γ_imin′×k＝99.8×99％＝98.8％；当第3^#磁极的某匝发生短路，则γ₃min下降为100％-1/25＝96％，其值小于整定值，则微机判断为3号磁极发生匝间短路。

为了提高判断精度，步骤3)中各磁极感应电势峰值平均值e_p可按公式 $e_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i-e_{\min }}{g-1}$ 计算；其中，e_min为各磁极的感应电势峰值e_i中的最小值。

实现上述方法一的装置如图1所示：在转子大轴10上对应于任意一个磁极的位置设置定位识别标识11，在发电机支架上设置通过第一隔离电路13与微机3连接的位置传感器12，在发电机内壁上或内壁的通风口处设置磁极感应线圈9，该磁极感应线圈依次通过滤波放大电路8、第二隔离电路7以及A/D转换电路4与微机3连接，分频电路15和整形电路16接在第二隔离电路7与微机3之间，显示器5与微机3连接。为了输入数据，在微机3上设有案键17；为了能够发出报警信号，在微机3上还可以接有匝间短路报警电路2；为了便于远程监测，微机3还可以通过串行隔离通讯电路14与上位微机1连接。

实施例2，如图3所示，本发明所提供的方法二通过以下步骤实现：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)磁极感应线圈安装于定子内壁上或内壁通风孔处，利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势波形，经滤波放大，由极点检波放大电路将该感应电势波形中的近似直线段的中间部分自动去掉(即图2中的ab之间的区域)、留下的峰值部分经再次放大后得到波峰极点放大波形，通过同步实时采集将其波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势极点波形数据，算出转子一个周期内各磁极的感应电势波峰极点值v_i，并根据v_i按下列公式算出各磁极的感应电势波峰极点平均值v_p、各磁极的感应电势波峰极点值与极点平均值的相对值β_i；并在各个磁极的感应电势波峰极点相对值β_i中找出最小相对值β_imin：

$v_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i}{g}$

${\mathrm{\β}}_i=\frac{v_i}{v_p}\×100\%$

4)按躲过发电机正常运行时的最小磁极感应电势波峰极点相对值β_imin′确定匝间短路整定值β_zd＝β_imin′×k，并将β_zd输入微机；在此k取99％；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若β_imin≤β_zd，则表明转子的第i号磁极发生匝间短路。

例如：假设水轮发电机每个磁极有25匝线圈，正常运行时最小磁极感应电势波峰极点相对值β_imin′＝99.8％，则匝间短路整定值β_zd＝β_imin′×k＝99.8×99％＝98.8％；当第3^#磁极的某匝发生短路，则β_imin下降为100％-10×1/25＝60％(以10倍放大倍数计算)，其值小于整定值，则微机判断为3号磁极发生匝间短路。该方法具有很高的灵敏度。

为了提高判断精度，步骤3)中各磁极感应电势波峰极点平均值v_p可按公式 $v_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-v_{\min }}{g-1}$ 计算；其中，v_min为各磁极的感应电势波峰极点值v_i中的最小值。

实现上述方法二的装置如图1所示：其基本结构与实施例1中的装置相同，不同之处是在第二隔离电路7与A/D转换电路4之间增加连接一个极点检波放大电路6。

实施例3，如图4所示，本发明所提供的方法三通过以下步骤实现：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势经滤波放大后的波形，或将再由极点检波放大电路将该感应电势波形中的近似直线段的中间部分自动去掉、留下的峰值部分经再次放大后得到波峰极点放大波形，通过同步实时采集将其波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势波形数据或极点波形数据，通过小波变换，得到一组含有明显故障奇异性特征的波形数据，从中找出转子一个周期内最大绝对值W_i；

4)按躲过发电机正常运行时经小波变换后的最大绝对值w_zd′确定匝间短路整定值w_zd＝w_zd′×k，将w_zd输入微机；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若W_i≥w_zd，则表明转子的第i个磁极发生匝间短路。

实现上述方法三的装置如图1所示：由于其结构与实施例2中的装置相同，故在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法，其特征在于：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势波形，再进行滤波放大后，通过同步实时采集，将各磁极的感应电势波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势波形数据，算出转子一个周期内各磁极的感应电势峰值e_i，并根据e_i按下列公式算出各磁极的感应电势峰值平均值e_p、各磁极的感应电势峰值与平均值的相对值γ_i；并在各个γ_i中找出最小相对值γ_imin：

$e_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i}{g}$

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{e_i}{e_p}\×100\%$

其中，g为磁极的个数、i为第某个磁极；

4)按躲过发电机正常运行时的最小磁极波电势相对值γ_imin′确定匝间短路整定值γ_zd＝γ_imin′×k，将γ_zd输入微机，k为灵敏系数；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若γ_imin≤γ_zd，则表明转子的第i号磁极发生匝间短路。

2.根据权利要求1所述的水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法，其特征在于：步骤3)中各磁极感应电势峰值平均值e_p按公式 $e_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i-e_{\min }}{g-1}$ 计算；其中，e_min为各磁极的感应电势峰值e_i中的最小值。

3.一种水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法，其特征在于：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势波形，经滤波放大，由极点检波放大电路将该感应电势波形中的近似直线段的中间部分自动去掉、留下的峰值部分经再次放大后得到峰值极点放大波形，通过同步实时采集将其波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势极点波形数据，算出转子一个周期内各磁极的感应电势波峰极点值v_i，并根据v_i按下列公式算出各磁极的感应电势波峰极点平均值v_p、各磁极的感应电势波峰极点值与极点平均值的相对值β_i；并在各个β_i中找出最小相对值β_imin：

$v_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i}{g}$

${\mathrm{\β}}_i=\frac{v_i}{v_p}\×100\%$

4)按躲过发电机正常运行时的最小波峰极点相对值β_imin′确定匝间短路整定值β_zd＝β_imin′×k，将β_zd输入微机；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若β_imin≤β_zd，则表明转子的第i个磁极发生匝间短路。

4.根据权利要求3所述的水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法，其特征在于：步骤3)中各磁极的感应电势波峰极点平均值v_p按公式 $v_p=\frac{\underset{i=1}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-v_{\min }}{g-1}$ 计算；其中，v_min为各磁极的感应电势波峰极点值v_i中的最小值。

5.一种水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法，其特征在于：

1)在转子的某个磁极上设置定位识别标识，将该磁极定为1^#磁极，并依次对各磁极进行编号；利用设置在发电机支架上的位置传感器将采集到的1^#磁极位置信号传送给微机；

2)利用感应线圈获得转子一个周期内各磁极的感应电势经滤波放大后的波形，或将再由极点检波放大电路将该感应电势波形中的近似直线段的中间部分自动去掉、留下的峰值部分经再次放大后得到波峰极点放大波形，通过同步实时采集将其波形数据传送给微机；

3)微机根据采集到的感应电势波形数据或极点波形数据，通过小波变换，得到一组含有明显故障奇异性特征的波形数据，从中找出转子一个周期内最大绝对值W_i；

4)按躲过发电机正常运行时经小波变换后的最大绝对值w_zd′确定匝间短路整定值w_zd＝w_zd′×k，将w_zd输入微机；

5)微机根据以上计算结果作出判断：若W_i≥w_zd，则表明转子的第i个磁极发生匝间短路。

6.一种实现权利要求1或2所述的水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法的装置，其特征在于：包括设置在转子大轴(10)上与任意一个磁极位置对应的定位识别标识(11)，设置在发电机支架上并通过第一隔离电路(13)与微机(3)连接的位置传感器(12)，设置在发电机内壁上并依次通过滤波放大电路(8)、第二隔离电路(7)以及A/D转换电路(4)与微机(3)连接的磁极感应线圈(9)，接在微机(3)与第二隔离电路(7)之间的分频电路(15)和整形电路(16)，与微机(3)连接的显示器(5)和按键(17)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：微机(3)通过串行隔离通讯电路(14)与上位微机(1)连接，匝间短路报警电路(2)与微机(3)连接。

8.一种实现权利要求3或4或5所述的水轮发电机转子匝间短路在线监测定位方法的装置，其特征在于：包括设置在转子大轴(10)上与任意一个磁极位置对应的定位识别标识(11)，设置在发电机支架上并通过第一隔离电路(13)与微机(3)连接的位置传感器(12)，设置在发电机内壁上并依次通过滤波放大电路(8)、第二隔离电路(7)、极点检波放大电路(6)以及A/D转换电路(4)与微机(3)连接的磁极感应线圈(9)，接在微机(3)与第二隔离电路(7)之间的分频电路(15)和整形电路(16)，与微机(3)连接的显示器(5)和按键(17)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：微机(3)通过串行隔离通讯电路(14)与上位微机(1)连接，匝间短路报警电路(2)与微机(3)连接。

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