CN102044862A - 水轮发电机转子绕组匝间短路的故障特征提取方法 - Google Patents

Abstract

水轮发电机转子绕组匝间短路的故障特征提取方法，属于电力系统主设备继电保护技术领域，其特征在于，只需从发电机机端采集进入不完全纵差保护、裂相横差保护或零序电流型横差保护的电流，将采集到的电流分为两路输出，其中一路较另一路延时1/(2f₀)秒，将两路电流叠加，利用叠加后电流的稳态有效值进行故障监测。通过对一台典型水轮发电机额定联网负载运行时发生的转子绕组匝间短路的计算与分析表明，本发明提出的方法可实现转子绕组匝间短路故障特征的最大程度有效提取，特征量随转子短路匝数的增加而线性增加，应用该方法可实现对水轮发电机转子绕组匝间短路故障有效的在线监测与保护。

Description

水轮发电机转子绕组匝间短路的故障特征提取方法

技术领域

本发明属于电力系统主设备继电保护技术领域，尤其涉及一种水轮发电机转子绕组匝间短路的故障特征提取方法。

背景技术

转子绕组匝间短路是发电机的一种较常见的电气故障，轻微的短路不会对发电机运行产生严重影响，但如果故障继续发展，会造成励磁电流增大、输出无功减小、转子振动加剧等不良影响。短路点处局部过热还可能使故障演化为转子接地故障，损坏转子铁心并有可能引起转子大轴磁化，给机组的安全运行带来巨大威胁。上世纪90年代我国某火电厂4台300MW发电机中就有3台因转子匝间短路等原因最终导致大轴磁化，其中两台还烧坏护环。2005年凤滩水电站6号发电机的转子匝间短路故障还引起了主保护的动作。

转子旋转中励磁绕组承受离心力造成绕组间的相互挤压及移位变形、励磁绕组的热变形、通风不良造成的局部过热等是造成发电机转子绕组匝间短路的重要原因，这些原因引起的故障在通常只有在发电机实际工况运行时才有所显现。因此，实现对转子绕组匝间短路故障的在线监测与保护显得尤为必要。目前检测发电机转子匝间短路故障的传统方法主要包括：开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流阻抗法、空载及短路特性试验法等，这些检测方法都无法在实际运行工况下检测。微分线圈动测法虽可实现在线检测，但需要安装附加装置，影响了其应用范围。

利用发电机运行中的电气量实现对转子绕组匝间短路故障的实时在线监测与保护不需附加装置，也不需对发电机进行改造。研究表明，故障后定子各分支电流不再相等，会出现1/P、2/P......等不平衡分数次故障特征电流(P为发电机极对数)。但在短路匝数较少时，该电流的各次谐波分量均非常小，而在较大匝数短路时以频率接近基波的分数次谐波电流为主，这为故障特征的提取带来了极大的困难。为了提高大型水轮发电机运行的安全可靠性，有必要研究对转子匝间短路的故障特征的有效提取方法。

发明内容

本发明的目的是为水轮发电机提供一种转子绕组匝间短路的故障特征有效提取方法。

为了提高大型水轮发电机运行的安全可靠性，本发明提出了一种转子绕组匝间短路故障特征的有效提取方法。只需从发电机机端采集进入不完全纵差保护、裂相横差保护或零序电流型横差保护的电流，按照一定方法滤取得到该电流的各分数次谐波电流的稳态有效值，实现故障特征的有效提取。本发明的特征在于，所述方法是在计算机中依次按以下步骤进行的：

步骤(1)，在发电机机端对进入不完全纵差保护装置、或裂相横差保护装置、或零序电流型横差保护的电流进行采样，并将采样数据送入计算机；

步骤(2)，将步骤(1)采集到的电流分为两路，一路电流i_s是将采集的电流直接送到加法器，另一路电流i′_s是将采集的电流经过一个1/(2f₀)秒的延时电路后再送入到加法器，f₀＝50Hz；

步骤(3)，所述加法器将两路电流i_s、i′_s叠加得到含有各分数次谐波的电流i_d，并按下式求出该电流i_d的稳态有效值I_d，将I_d作为所述水轮发电机转子绕组匝间短路的全部短路故障特征量输出：

$I_d=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}_d^2\·\mathrm{dt}},$

其中：T为电流i_d的周期，t为时间，T＝P/f₀，P为极对数。

电流i_d的稳态有效值I_d包含了发电机转子绕组匝间短路的全部故障特征量，利用I_d可实现故障特征的有效且最大程度提取，本发明的原理框图如图1所示。

通过对一台典型水轮发电机额定联网负载运行时发生的转子绕组匝间短路的计算与分析表明，本发明提出的方法可实现转子绕组匝间短路故障特征的最大程度有效提取，特征量I_d随转子短路匝数的增加而线性增加，应用该方法可实现对水轮发电机转子绕组匝间短路故障有效的在线监测与保护。

附图说明

图1为本发明中的原理框图。

图2为水轮发电机的转子坐标示意图。

图3为一台典型水轮发电机所配置的主保护。

图4为进入完全裂相横差保护和不完全纵差保护的不平衡电流波形：4.1为发生故障后过渡过程的波形，4.2为稳态电流波形。

图5为进入零序电流型横差保护的不平衡电流波形：5.1为发生故障后过渡过程的波形，5.2为稳态电流波形。

图6为电流i_d的稳态有效值与短路匝数的关系。

具体实施方式

首先结合附图来说明一下本发明的原理。

同步电机发生转子绕组匝间短路后，励磁绕组被分为正常励磁回路与故障附加回路。不考虑磁路饱和，将故障后励磁磁动势看作正常励磁回路产生磁动势与故障附加回路产生磁动势的叠加。正常励磁回路产生的磁动势在每极下的分布情况相同、而相邻极下由于励磁绕组绕向相反而方向相反，在空间上一对极重复一次，包含空间基波和3、5次等奇数谐波磁动势。因此只需分析励磁故障附加回路产生的磁动势即可完成对故障后励磁磁动势的分析。

如图2所示，假设第1极下的w匝励磁绕组发生匝间短路，这w匝励磁绕组流过直流电流I时，将产生矩形波磁动势，对其进行谐波分析，在整个电机圆周[-Pπ，Pπ]区间，有

$F\left(x\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{F}_k\cos \mathrm{kxk}=\frac{1}{P},\frac{2}{P},...$

由于矩形波磁动势对转子坐标d轴对称，所以上式中只有余弦项。式中

$F_k=\frac{1}{\mathrm{P\π}}{\∫}_{-\mathrm{P\π}}^{\mathrm{P\π}}F\left(x\right)\cos \mathrm{kxdx}=\frac{2}{\mathrm{kP\π}}\mathrm{Iw}\sin \frac{\mathrm{k\β\π}}{2}$

上式中，P为极对数；x为建立在转子上的坐标(电角度，原点取在转子d轴上)；β为励磁线圈短距比，由于凸极机的励磁绕组为集中的整距绕组，因此β＝1。

因此：

$F_k=\frac{2}{\mathrm{kP\π}}\mathrm{Iw}\sin \frac{\mathrm{k\π}}{2}$

从上式可以看出，当k为偶数时，F_k等于零。因此，励磁故障附加回路产生的磁动势不含偶数次谐波，含基波、奇数次谐波及1/P、2/P等分数次谐波。这些磁动势作用于不均匀气隙中将产生一系列谐波磁场，以k＝v/P(v＝1，2...)次磁动势为例：

B(x)＝F_k(x)·λ_δ(x)

在不考虑齿、槽影响的前提下，气隙磁导系数为

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\δ}}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2}+\underset{l=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{2l}\cos 2\mathrm{lx}$

因此

$B\left(x\right)=\frac{2}{\mathrm{kP\π}}{\mathrm{Iw}}_k\sin \frac{\mathrm{k\β\π}}{2}\cos \mathrm{kx}\·(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2}+\underset{l=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{2l}\cos 2\mathrm{lx})$

$=\frac{1}{\mathrm{v\π}}{\mathrm{Iw}}_k\sin \frac{\mathrm{v\β\π}}{2P}\{{\mathrm{\λ}}_0\cos \frac{v}{P}x+\underset{l=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{2l}[\cos (\frac{v}{P}+2l)x+\cos (\frac{v}{P}-2l)x\left]\right\}$

从上式可知，励磁故障附加回路直流分量电流产生磁场含基波、奇数次及分数次谐波。其中，含λ₀的项表示与励磁磁动势同次的空间磁场，而由于气隙磁导谐波的影响，气隙磁场还含有(v/P±2l)次谐波，这些磁场都随转子同步旋转。

发电机绕组设计的基本原则是：对应于空间基波磁场，同相各分支位置相同。因此，对于各种多分支同步电机，励磁电流直流分量产生的空间基波及奇数次谐波磁场在同相所有分支都会感应出相同的电动势，联网运行时同相各分支会感应出同相位的基波和奇数次谐波电流。而空间分数次谐波磁场在同相各分支感应出的电动势相位可能不同，从而产生相应频率的不平衡分支电流，同相各分支之和等于零，所以相电流中没有相应频率的分量。因此，励磁电流直流分量产生的磁场会在定子相绕组内部产生分数次谐波环流，这一分数次谐波环流可通过发电机配置的主保护反应，下面通过具体计算予以详细说明。

如图3所示为一台典型水轮发电机配置的主保护，该发电机的极对数为40，额定相电流为22500A，励磁绕组总匝数1080，利用基于多回路模型的转子匝间故障分析技术对该发电机联网额定负载运行时发生的转子绕组匝间短路故障进行计算，图4为进入完全裂相横差保护及不完全纵差保护的不平衡电流波形，左边的波形是故障前后整个过渡过程的波形，在t＝40s时励磁绕组发生匝间短路，那么t＜40s的波形代表故障前的正常稳态运行状态，t＞40s的波形代表发生故障后的过渡过程；右边的图代表故障后的稳态波形(下同)。对该不平衡稳态电流进行傅里叶分析，结果见表1。

表1转子绕组匝间短路故障时进入完全裂相横差保护及不完全纵差保护中不平衡稳态电流的谐波分析

同样，计算故障后进入零序电流型横差保护的不平衡电流如图5所示，该电流的傅里叶分析结果见表2。

表2转子绕组匝间短路故障时进入零序电流型横差保护中不平衡稳态电流的谐波分析

从表1和表2可以看到，该发电机发生转子绕组匝间短路故障后有明显的不平衡电流流进完全裂相横差保护、不完全纵差保护和零序电流型横差保护等主保护，并且不平衡电流中只含1/40、2/40等分数次谐波，这些谐波均是由转子绕组匝间短路故障引起。理论上，可以选用这些谐波进行故障监测与保护，但存在如下问题：

1)励磁绕组20％匝间短路时，进入完全裂相横差保护(和不完全纵差保护)及零序电流型横差保护的不平衡电流中幅值最大的分量是频率接近50Hz的39/40次和41/40次谐波，如果提取这两种谐波作为参考量，整定合适的动作值，理论上完全可以反应这个故障。但发电机正常运行时由于互感器及电机制造的误差也会给主保护带来不平衡电流，并且以基波和三次谐波为主，其大小可达相电流的10％，由于39/40次和41/40次谐波的频率都非常接近于基波，实现这个动作判据较为困难。

2)大型水轮发电机一般极数很多，使得发生在某一极绕组内的匝间短路较难通过定子电流的某次谐波来检测。比如本文计算的三峡VGS发电机共80极，即使1极绕组全部短路(短路1.25％)，进入完全裂相横差保护及零序电流型横差保护最大的是1/40次谐波，分别为1142.2A和775.7A，而额定基波相电流达到了22500A，在实际检测中会比较困难。

3)单次谐波的有效值并不一定随短路匝数的增加而增大，例如励磁绕组短路20％时进入主保护不平衡电流中的1/40次谐波比短路1.25％时还要小，这无疑给保护的整定带来了困难。

考虑到不平衡电流中的这些谐波均由转子绕组匝间短路故障引起，若能将电机正常运行时可能含有的基波和奇数次谐波滤除，将余下的不平衡交流电流的有效值作为参考量，可包含所有的故障特征量，实现故障特征的最大程度提取，可能解决依靠单一分数次谐波所带来的一系列问题，为转子绕组匝间短路故障的监测与保护提供了一条有效的途径。

设定子分支电流为：

式中：k为定子分支电流谐波次数；I_sk、

分别为定子分支电流k次谐波有效值和相角；ω₀＝2πf₀为同步角速度，其中f₀同步频率。

若将定子分支电流各次谐波在t轴方向向左平移1/(2f₀)，这时：

将(1)(2)两式相加，得：

从上式可见，将定子分支电流与其在t轴方向左移1/(2f₀)后的波形相加后得到的电流中不再含有基波及奇数次谐波，却保留了1/P、2/P等分数次谐波，而这些谐波分量恰恰是励磁绕组匝间短路的故障特征分量。

不论发电机是处于正常运行还是定子匝间短路或机端外部短路时，电流i_d均为零。而当发生转子匝间短路时，电流i_d中的各次谐波均为故障特征量，可由该电流的稳态有效值作为故障判断的依据，实现故障特征量的最大提取，灵敏性很高。表3为转子不同匝数匝间短路时基于完全裂相横差保护和不完全纵差保护得到的电流i_d的有效值，图6画出了电流i_d稳态有效值I_d与短路匝数的关系。

表3 转子绕组不同匝数匝间短路时电流i_d的稳态有效值

从图6可见，在短路匝数从1到13的变化过程中，电流i_d的稳态有效值I_d与短路匝数近似成线性关系，这为保护的定值整定提供了良好的条件。

通过上面的计算与分析，说明了本发明提出的水轮发电机转子绕组匝间短路的故障特征提取方法能彻底消除发电机定子相绕组不平衡电流中固有的基波及奇数次谐波的影响，而保留转子绕组匝间短路的故障特征分量，通过求解滤除基波及奇数次谐波后的不平衡电流有效值可实现转子绕组匝间短路故障特征的最大程度有效提取。方法简单且有效，按本发明设计的水轮发电机转子绕组匝间短路故障监测与保护装置具有极高的灵敏性和选择性。

Claims (1)

1.水轮发电机转子绕组匝间短路故障特征提取方法，其特征在于，所述方法是在计算机中依次按以下步骤进行的：

步骤(1)，在发电机机端对进入不完全纵差保护装置、或裂相横差保护装置、或零序电流型横差保护的电流进行采样，并将采样数据送入计算机；

步骤(2)，将步骤(1)采集到的电流分为两路，一路电流i_s是将采集的电流直接送到加法器，另一路电流i ′_s是将采集的电流经过一个1/(2f₀)秒的延时电路后再送入到加法器，f₀＝50Hz；

步骤(3)，所述加法器将两路电流i_s、i′_s叠加得到含有各分数次谐波的电流i_d，并按下式求出该电流i_d的稳态有效值I_d，将I_d作为所述水轮发电机转子绕组匝间短路的全部短路故障特征量输出：

$I_d=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}_d^2\·\mathrm{dt}},$

其中：T为电流i_d的周期，t为时间，T＝P/f₀，P为极对数。

Images