CN102360054A - 一种大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法 - Google Patents

一种大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法 Download PDF

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Abstract

一种大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法，属测试技术领域。它首先测取故障发电机的定子振动信号、定子电流、励磁电流和发电机内功角，并利用这些信号和发电机正常运转时的定子振动信号、定子电流、励磁电流、发电机内功角以及发电机参数计算励磁绕组短路匝数与总匝数的比值，同时计入匝间短路位置对短路程度的影响，得到励磁绕组匝间短路的故障程度值。本发明具有简单易行、诊断结果可靠等优点，很好地弥补了以转子振动特性为主的传统监测技术只能判定发电机是否存在励磁绕组匝间短路故障而无法估测短路故障程度的不足，可为发电机的维护和维修提供重要的参考资料。

Description

一种大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法
技术领域
本发明涉及一种诊断大型发电机转子励磁绕组匝间短路故障程度的方法，属测试技术领域。
背景技术
励磁绕组匝间短路是大型发电机最常见的电气故障之一，匝间短路故障将导致转子振动，甚至发展为转子接地、转子绕组烧损、发电机失磁、发电机部件磁化等，危及发电机和系统的安全。
针对匝间短路故障的诊断方法多种多样，但现有技术大多只能对发电机是否存在有匝间短路故障进行判定，无法根据已有传感技术所能测取的数据对匝间短路的故障程度进行估测和识别。这样便无法根据故障的具体情况采取最合理的处理措施。一旦发现匝间短路故障，即使是在一些不宜停机的关键时期出现了轻微故障，也只能被迫采取停机措施，给工业生产和人们的生活带来极大的不便。而不能在匝间短路形成和发展初期采取及时有效的保护措施遏制故障的发展，并合理控制针对此故障的停机检修时间，最大程度地减小损失。若能在现有技术基础上研发出一种简便实用，能客观鉴定转子励磁绕组匝间短路故障程度的方法，不仅能解决以上问题，而且对于发电机的安全稳定运行具有积极意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种简单易行、可靠性高的大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法，所述方法首先测取故障发电机的定子振动信号、定子电流、励磁电流和发电机内功角，并利用这些信号和发电机正常运转时的定子振动信号、定子电流、励磁电流、发电机内功角以及发电机参数计算励磁绕组短路匝数与总匝数的比值，同时计入匝间短路位置对短路程度的影响，得到励磁绕组匝间短路的故障程度值；
具体步骤如下：
a.采用振动速度传感器测取转子励磁绕组匝间短路故障发电机的定子振动速度信号；
b. 利用快速傅立叶变换将测取的定子振动速度信号变换成频谱信号；
c. 测取发电机定子相电流                                                、励磁电流
Figure 328069DEST_PATH_IMAGE002
以及发电机内功角
Figure 337613DEST_PATH_IMAGE003
；
d.通过联立下列公式
Figure 981084DEST_PATH_IMAGE004
                                （1），
Figure 785092DEST_PATH_IMAGE005
                       （2），
Figure 982855DEST_PATH_IMAGE006
      （3），
Figure 61670DEST_PATH_IMAGE007
                                    （4），
                                    （5），
Figure 252665DEST_PATH_IMAGE009
                                           （6），
式中，
Figure 468883DEST_PATH_IMAGE010
与为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的转子磁势幅值；
Figure 641555DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 584104DEST_PATH_IMAGE013
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的定子磁势幅值，
Figure 740147DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 160764DEST_PATH_IMAGE015
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的励磁电流，n为励磁绕组匝数，
Figure 102176DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 418887DEST_PATH_IMAGE001
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的定子相电流有效值，p为发电机极对数，W为发电机定子绕组每相一条支路串联匝数，q为每极每相槽数，a为每相绕组并联支路数，w c 为每个槽中的线圈匝数，k w1为定子基波磁动势绕组因数，k q1为定子绕组的基波分布因数，k y1为定子绕组的基波节距因数，α 1为槽间角，y为节距，τ为极距，F d1为发电机励磁绕组匝间短路故障产生的反向磁势的基波幅值；F d2为发电机励磁绕组匝间短路故障产生的反向磁势的二次谐波幅值；n m 为短路匝数，α r 为励磁绕组短路槽夹角，F c 为发电机正常运行时气隙基波合成磁势幅值；
Figure 344118DEST_PATH_IMAGE017
为发电机励磁绕组匝间短路故障后的气隙基波合成磁势幅值；
Figure 37268DEST_PATH_IMAGE018
与
Figure 82453DEST_PATH_IMAGE003
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的内功角；y f 为发电机励磁绕组匝间短路故障后实测定子振动速度信号的通频振动烈度；y n 为正常运行时振动数据样本的通频振动烈度；y ni 与y fi 分别为正常运行与故障后振动数据样本的第i个数据点的振动速度，m为采样点数；a 2f 、a 3f 、a 4f 分别为故障后实测定子振动速度频谱中二倍频、三倍频和四倍频的幅值；a 2n 为发电机正常运行时定子振动数据样本频谱中二倍频的振动速度幅值，和
Figure 248172DEST_PATH_IMAGE020
分别为发电机正常运行时功角和功率因数角，
Figure 479433DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 661016DEST_PATH_IMAGE022
分别为发电机故障时功角和功率因数角。
计算得到发电机励磁绕组匝间短路程度
Figure 585110DEST_PATH_IMAGE023
的三组值
Figure 203042DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 769152DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 274083DEST_PATH_IMAGE026
，再对此三组值取平均，求得大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度f d   ：
Figure 369078DEST_PATH_IMAGE027
，式中f d1  、f d2  、f d3 为三个中间变量；发电机正常运行时，由于n m =n，α r =0，f d =0；当
Figure 756197DEST_PATH_IMAGE028
，表明发电机存在转子励磁绕组匝间短路故障，综合考虑信号采集误差、发电机各参数误差以及现场实际运行经验，当f d  的数值大于等于3%时，判定发电机存在转子励磁绕组匝间短路故障。
上述大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法，所述发电机正常运行时定子振动数据样本、定子相电流、励磁电流与内功角获取方法为：
在发电机组装机调试完毕后且各项指标均趋于正常状态时，测取定子振动速度、定子相电流、励磁电流与内功角各十组，分别求解每十组数据的平均值，得到定子相电流、励磁电流与内功角的样本数值，然后将振动数据的平均值滤波去噪后采用FFT算法变换为频谱信号，提取并记录定子一倍频至四倍频振动特征和幅值，同时计算并记录样本数据定子通频振动烈度y n  。
本发明根据发电机正常运行和励磁绕组匝间短路时的定子振动速度信号、励磁电流信号、定子电流信号以及发电机参数来鉴定大型发电机励磁绕组匝间短路故障的故障程度，具有简单易行、诊断结果可靠等优点，很好地弥补了以转子振动特性为主的传统监测技术只能判定发电机是否存在匝间短路故障而无法估测短路故障程度的不足，可为发电机的维护和维修提供重要的参考资料。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的信号测取方法示意图；
图2是发电机转子励磁绕组匝间短路故障的故障程度检测流程图。
图中各标号为：1、发电机，2、振动速度传感器，3、发电机功角仪，4、励磁电流互感器，5、励磁机，6、上位机，7、下位机。
文中所用各符号的意义：、发电机正常运行时的转子磁势幅值；
Figure 203545DEST_PATH_IMAGE011
、发电机励磁绕组匝间短路时的转子磁势幅值；、发电机正常运行时的定子磁势幅值，
Figure 78277DEST_PATH_IMAGE013
、发电机励磁绕组匝间短路时的定子磁势幅值，
Figure 720611DEST_PATH_IMAGE014
、发电机正常运行时的励磁电流，
Figure 731292DEST_PATH_IMAGE015
、发电机励磁绕组匝间短路时的励磁电流，n 、励磁绕组匝数，
Figure 168090DEST_PATH_IMAGE016
、发电机正常运行时的定子相电流有效值， 
Figure 982331DEST_PATH_IMAGE001
、发电机励磁绕组匝间短路时的定子相电流有效值，p、发电机极对数，W 、发电机定子绕组每相一条支路串联匝数，q 、每极每相槽数，a 、每相绕组并联支路数，w c   、每个槽中的线圈匝数，k w1 、定子基波磁动势绕组因数，k q1 、定子绕组的基波分布因数，k y1 、定子绕组的基波节距因数，α 1 、槽间角，y 、节距，τ、极距，F d1  、发电机励磁绕组匝间短路故障产生的反向磁势的基波幅值；F d2 、发电机励磁绕组匝间短路故障产生的反向磁势的二次谐波幅值；n m  、短路匝数，α r  、励磁绕组短路槽夹角，F c  、发电机正常运行时气隙基波合成磁势幅值；
Figure 897197DEST_PATH_IMAGE017
 、发电机励磁绕组匝间短路故障后的气隙基波合成磁势幅值；
Figure 496806DEST_PATH_IMAGE018
、发电机正常运行时的内功角；
Figure 635663DEST_PATH_IMAGE003
、发电机励磁绕组匝间短路时的内功角；y f  、发电机励磁绕组匝间短路故障后实测定子振动速度信号的通频振动烈度；y n  、正常运行时振动数据样本的通频振动烈度；y fi  、故障后振动数据样本的第i个数据点的振动速度，y ni  、正常运行时振动数据样本的第i个数据点的振动速度，m 、采样点数；a 2f 、a 3f 、a 4f 分别为故障后实测定子振动速度频谱中二倍频、三倍频和四倍频的幅值；a 2n  、正常运行时定子振动数据样本频谱中二倍频的振动速度幅值；、
Figure 655757DEST_PATH_IMAGE020
分别为发电机正常运行时功角和功率因数角，、
Figure 419631DEST_PATH_IMAGE022
分别为发电机故障时功角和功率因数角；f d  、短路故障程度；f d1  、f d2  、f d3 为三个中间变量。
具体实施方式
本发明是针对现有监测技术只能对发电机是否存在有励磁绕组匝间短路故障进行判定，无法对匝间短路的故障程度进行估测和鉴定这一问题而专门设计的。
本发明需要解决四个问题：一是通过发电机运行过程中的哪些参数量来实现对转子励磁绕组匝间短路故障的故障程度判定；二是采用何种方法科学有效地对这些用于判定转子励磁绕组匝间短路故障程度的参数进行测取；三是如何通过应用这些测取到的参数量来衡量鉴定发电机转子励磁绕组匝间短路故障的严重程度。
参看图1和图2，针对第一个问题，本发明通过以下参数量来实现对发电机转子励磁绕组匝间短路故障的故障程度判定：发电机正常运行和励磁绕组匝间短路时定子振动的通频振动烈度y n 、y f 和各频率成分的振动幅值a 2n 、a 2f 、a 3f 、a 4f ,以及定子相电流有效值
Figure 959197DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 12604DEST_PATH_IMAGE001
，励磁电流
Figure 321225DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 519994DEST_PATH_IMAGE015
，内功角
Figure 812435DEST_PATH_IMAGE018
与
Figure 138374DEST_PATH_IMAGE003
。
参看图1，针对第二个问题，本发明采用振动速度传感器2来测取定子振动信号，根据定子结构特点，传感器通过底部磁铁垂直吸附于发电机1的定子中上端，振动速度信号2通过下位机7进行A/D转换、滤波去噪和采样并最终输入至上位机6中进行存储；本发明通过二次侧测量的原理来得到发电机定子相电流与励磁电流，并通过发电机功角仪测量功角和功率因数角，利用公式（6）求得内功角，这与现场操作是吻合的。图1中3为功角仪，接于发电机1的定子绕组出线端，用于测取定子相电流、线电压、功角和功率因数角，4为电流互感器，接于励磁机电流输出端，用于测量发电机的励磁电流，图中画法为示意画法，用于说明定子相电流、内功角和励磁电流的测取方法。
参看图2，针对第三个问题，本发明在确定发电机存在转子励磁绕组匝间短路故障后，测取发电机运行过程中的定子相电流有效值、励磁电流
Figure 953064DEST_PATH_IMAGE015
、发电机内功角、定子振动速度数据并进行FFT操作，同时得到实际测取的通频振动烈度与正常振动数据样本通频振动烈度比值的根号值
Figure 592259DEST_PATH_IMAGE030
、实际测取的定子振动速度二倍频幅值与正常振动数据样本中振动速度二倍频幅值比值的根号值、实际测取的定子振动速度三倍频幅值与正常振动数据样本中振动速度二倍频幅值比值的根号值
Figure 166777DEST_PATH_IMAGE032
、实际测取的定子振动速度四倍频幅值与正常振动数据样本中振动速度二倍频幅值比值的根号值。将这些得到的数值代入至式（5）中，先联立式（1）-（4）和（5）中最后一个式子得到
Figure 835972DEST_PATH_IMAGE034
的表达式为
Figure 222960DEST_PATH_IMAGE035
，将其分别代入至式（5）前三个表达式中，得到发电机转子励磁绕组匝间短路故障程度
Figure 481903DEST_PATH_IMAGE023
的三个数值f d1、f d2与f d3。此处故障程度表达式
Figure 439495DEST_PATH_IMAGE023
由
Figure 910928DEST_PATH_IMAGE036
与
Figure 434313DEST_PATH_IMAGE037
两部分组成，前面一部分是励磁绕组短路匝数与总匝数的比值，为励磁绕组匝间短路故障程度的显性因子，后面一部分为考虑匝间短路位置对短路程度的影响所计入的因数，为励磁绕组匝间短路故障程度的潜性因子。分别按照公式
Figure 67419DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 27154DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 567857DEST_PATH_IMAGE040
来计算f d1、f d2与f d3，并以这三个数值作为中间变量并对其取平均值得到发电机励磁绕组匝间短路故障程度的最后结果。

Claims (2)

1.一种大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法，其特征是，该方法首先测取故障发电机的定子振动信号、定子电流、励磁电流和内功角，并利用这些信号和发电机正常运行时的定子振动信号、定子电流、励磁电流、发电机内功角以及发电机参数计算励磁绕组短路匝数与总匝数的比值，同时计入匝间短路位置对短路程度的影响，得到励磁绕组匝间短路的故障程度值；
具体步骤如下：
a.采用振动速度传感器测取存在转子励磁绕组匝间短路故障发电机的定子振动速度信号；
b. 利用快速傅立叶变换将测取的定子振动速度信号变换成频谱信号；
c. 测取发电机定子相电流                                                
Figure 523478DEST_PATH_IMAGE001
、励磁电流
Figure 88452DEST_PATH_IMAGE002
以及发电机内功角；
d.通过联立下列公式：
Figure 383353DEST_PATH_IMAGE004
                                （1），
                         （2），
Figure 574480DEST_PATH_IMAGE006
               （3），
Figure 293037DEST_PATH_IMAGE007
                                （4），
Figure 747152DEST_PATH_IMAGE008
                               （5），
                                    （6），
式中，与
Figure 899151DEST_PATH_IMAGE011
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的转子磁势幅值；
Figure 207772DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 157274DEST_PATH_IMAGE013
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的定子磁势幅值，
Figure 449715DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 775654DEST_PATH_IMAGE015
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的励磁电流，n为励磁绕组匝数，
Figure 188049DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 839611DEST_PATH_IMAGE001
为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的定子相电流有效值，p为发电机极对数，W为发电机定子绕组每相一条支路串联匝数，q为每极每相槽数，a为每相绕组并联支路数，w c 为每个槽中的线圈匝数，k w1为定子基波磁动势绕组因数，k q1为定子绕组的基波分布因数，k y1为定子绕组的基波节距因数，α 1为槽间角，y为节距，τ为极距，F d1为发电机励磁绕组匝间短路故障产生的反向磁势的基波幅值；F d2为发电机励磁绕组匝间短路故障产生的反向磁势的二次谐波幅值；n m 为短路匝数，α r 为励磁绕组短路槽夹角，F c 为发电机正常运行时气隙基波合成磁势幅值；
Figure 353769DEST_PATH_IMAGE017
为发电机励磁绕组匝间短路故障后的气隙基波合成磁势幅值；
Figure 217819DEST_PATH_IMAGE018
与为发电机正常运行和励磁绕组匝间短路下的内功角；y f 为发电机励磁绕组匝间短路故障后实测定子振动速度信号的通频振动烈度；y n 为正常运行时振动数据样本的通频振动烈度；y ni 与y fi 分别为正常运行与故障后振动数据样本的第i个数据点的振动速度，m为采样点数；a 2f 、a 3f 、a 4f 分别为故障后实测定子振动速度频谱中二倍频、三倍频和四倍频的幅值；a 2n 为发电机正常运行时定子振动数据样本频谱中二倍频的振动速度幅值；
Figure 53324DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 320357DEST_PATH_IMAGE020
分别为发电机正常运行时功角和功率因数角，
Figure 988099DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 860240DEST_PATH_IMAGE022
分别为发电机故障时功角和功率因数角；
同时根据发电机励磁绕组匝间短路故障特征，将
Figure 119183DEST_PATH_IMAGE023
作为故障程度表达式，由一个显性故障程度因子和一个潜性故障程度因子组成，表达式前面一部分是励磁绕组短路匝数与总匝数的比值，是励磁绕组匝间短路故障程度的显性成分，后面一部分
Figure 797475DEST_PATH_IMAGE025
为考虑匝间短路位置对短路程度的影响所计入的因数，为励磁绕组匝间短路故障程度的潜性成分，
 求得大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度f d：  
Figure 320860DEST_PATH_IMAGE026
，式中f d1  、f d2  、f d3 为三个中间变量；当f d 的数值大于等于3%时，判定发电机存在转子励磁绕组匝间短路故障。
2.根据权利要求1所述大型发电机励磁绕组匝间短路故障程度的诊断方法，其特征是，所述发电机正常运行时定子振动数据样本、定子相电流、励磁电流与内功角获取方法为：
在发电机组装机调试完毕后且各项指标均趋于正常状态时，测取定子振动速度、定子相电流、励磁电流与内功角各十组，分别求解每十组数据的平均值，得到定子相电流、励磁电流与内功角的样本数值，然后将振动数据的平均值滤波去噪后采用FFT算法变换为频谱信号，提取并记录定子二倍频振动速度幅值a 2n ，同时计算并记录样本数据定子通频振动烈度y n 。
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