CN102998591A - 一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，所述方法为：打开发电机定子任意一相并联支路端口，使电机空载运行，采集定子端口打开相的绕组支路电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子支路电压频谱图，然后计算其基波、二次、三次、四次谐波有效值相对于无故障电机的变化量,进而得到基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值，最后将这两个比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在动态匝间短路故障的线圈。本发明具有定位准确度高、适用范围广等优点，它可以及时发现转子绕组动态匝间短路故障，防止故障进一步蔓延造成重大损失。

Description

一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法
技术领域
本发明涉及一种能够确定发电机转子线圈动态匝间短路故障位置的方法，属于发电机技术领域。
背景技术
转子线圈匝间短路故障是汽轮发电机的频发故障，一般有静态和动态匝间短路两种形式。静态匝间短路不随转子转动状态和运行工况而变化，可在停机时检测出来；动态匝间短路是由于转子运行过程中的离心作用，导致励磁绕组之间压力过大，压破邻近绕组间绝缘而形成的，在发电机停止运行时，励磁绕组之间的压力减小，短路消失，因此停机时很难进行检测。
目前，检测转子线圈动态匝间短路故障的方法主要有励磁电流增幅检测法、基于转子振动与励磁电流正相关性的判断方法、基于定转子振动特性改变的方法、基于定子绕组并联支路间的偶次谐波环流分析方法以及气隙磁场探测线圈等方法。
励磁电流增幅检测法是根据匝间短路故障后励磁电流增大和无功减小的原理来检测转子匝间短路故障。由于励磁电流增幅常常不是佷明显，且受调节时多种因素的影响，因此，一般作为判断转子存在匝间短路的参考判据。
基于转子振动与励磁电流正相关性的判断方法，其基本原理是：转子线圈出现匝间短路后，转子振动出现异常，且转子的轴振值随励磁电流的变化而变化，两者之间存在正相关性。当转子的轴振值与励磁电流之间存在明显的正相关性或随动性时，即可诊断转子绕组存在匝间短路故障。
基于定转子振动特性改变的方法监测转子匝间短路故障所依据的原理是：转子线圈出现匝间短路后，定、转子振动出现异常。根据定子和转子的振动轨迹是否异常来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障。
基于定子绕组并联支路间的偶次谐波环流分析方法，其基本原理是：转子线圈出现匝间短路后，气隙磁场中出现偶次谐波，在定子绕组中感应偶次谐波电势，对于定子具有两条并联支路的电机来说，偶次谐波电势会在并联支路间产生环流。通过检测定子绕组并联支路间是否存在偶次谐波环流来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障。
气隙磁场探测线圈法是预先在发电机定子膛的通风沟处安装一个探测线圈，当转子旋转时，该探测线圈可以检测到气隙中磁场的变化情况。通过对气隙旋转磁场进行微分，然后分析信号微分后的波形来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障以及故障槽的位置。所述方法的缺点是需要将探测线圈装在定子铁心的空气隙表面，对已经投运的电机安装探测线圈难度较大，因此使所述方法的应用范围受到了限制。
除此之外，还有基于励磁电流是否存在谐波、轴电压信号中是否出现与定子齿槽数对应的特征谐波等方法，以及借助于数学方法如神经网络、小波分析建立诊断规则从而诊断转子绕组是否存在匝间短路等方法。
以上涉及的方法中除探测线圈法外，其它方法虽然能够诊断转子匝间短路的程度，但诊断匝间短路线圈的位置比较困难。
总之，尽管国内外对转子绕组匝间短路故障的检测十分重视，但现有的各种方法实现匝间短路线圈的定位还存在一定的困难。发电厂因发生转子绕组匝间短路故障后未能及时发现而造成严重后果的事例屡见不鲜，因此有必要进一步提高此类故障的诊断水平。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，以提高此类故障的诊断水平。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，所述方法为：打开汽轮发电机定子任意一相绕组并联支路端口，使电机空载运行，采集定子端口打开相绕组的一条支路电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子支路电压频谱图，然后计算其基波、二次、三次、四次谐波有效值相对于事先存储的无故障电机在相同励磁电流下的谐波有效值的变化量,进而得到基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值，最后将这两个比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在动态匝间短路故障的线圈。
上述发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，所述方法包括以下步骤：
a. 利用有限元方法分别计算汽轮发电机无故障以及转子不同线圈匝间短路时的磁场分布，得到不同线圈短路时的气隙磁密分布；然后对气隙磁密进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，将电机无故障与存在匝间短路时的磁密相比较，计算基波幅值的变化量                                                
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE001
、二次谐波幅值的变化量
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE002
、三次谐波幅值的变化量
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE003
和四次谐波幅值的变化量
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE004
；
b.计算气隙磁密的基波与三次谐波幅值变化量的比值
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE005
以及二次谐波和四次谐波幅值变化量的比值
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE006
；
c.计算定子支路空载电压中基波与三次谐波有效值变化量的比值
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE007
以及二次谐波和四次谐波有效值变化量的比值
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE012
分别为定子绕组基波、二次、三次和四次谐波的绕组因数，将各个线圈匝间短路时的两个比值建立数据库；
d.打开被测汽轮发电机定子任意一相并联支路的端口，对被测电机进行空载实验，利用电气参数数据采集仪采集汽轮发电机空载运行时的定子绕组端口打开相的支路空载电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子绕组支路电压频谱图，获得空载电压的各次谐波有效值；
e.将定子空载电压的各次谐波有效值与事先存储的无故障电机相同励磁电流下的谐波有效值进行比较，计算其基波有效值的变化量、二次谐波有效值的变化量
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE014
、三次谐波有效值的变化量、四次谐波有效值的变化量
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE016
；
f.计算支路空载电压的基波与三次谐波有效值变化量的比值
Figure DEST_PATH_IMAGE017
以及二次和四次谐波有效值变化量的比值
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE018
；
g.将步骤f的计算结果与步骤c的计算结果相比对，在步骤c所建立的数据库中找到与步骤f的计算结果相接近的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测发电机的故障，从而判定出匝间短路线圈的位置。
上述发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，在计算出被检测发电机的基波有效值的变化量
Figure 234632DEST_PATH_IMAGE013
、二次谐波有效值的变化量
Figure 707202DEST_PATH_IMAGE014
、三次谐波有效值的变化量、四次谐波有效值的变化量
Figure 417986DEST_PATH_IMAGE016
之后，应先判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障，然后再对故障进行定位，判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障的方法是：如果定子支路空载电压的各次谐波变化量超过预先设置的阈值，且电机并网运行时励磁电流的变化量超过预先设置的阈值，可判定励磁绕组存在匝间短路故障。
Figure DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE020
 、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 201210518935X100002DEST_PATH_IMAGE022
的阈值分别设定为5%、20%、10%、20%，励磁电流变化量的阈值设定为3%。
本发明无需在发电机定子膛内安装探测线圈就可实现转子绕组动态匝间短路故障的定位，具有定位准确度高、适用范围广等优点，采用本方法可及时发现转子绕组动态匝间短路故障，防止短路故障进一步蔓延给发电厂造成重大损失。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是转子槽及绕组编号示意图；
图2是模型机空载试验接线图；
图3是空载短路25匝时A相一条支路空载电压波形。
文中各符号清单为：
Figure 455343DEST_PATH_IMAGE001
为气隙磁密基波幅值的变化量，
Figure 782419DEST_PATH_IMAGE002
为气隙磁密二次谐波幅值的变化量，
Figure 4453DEST_PATH_IMAGE003
为气隙磁密三次谐波幅值的变化量，
Figure 354663DEST_PATH_IMAGE004
为气隙磁密四次谐波幅值的变化量，
Figure 117083DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 236349DEST_PATH_IMAGE010
、、分别为定子绕组基波、二次、三次和四次谐波的绕组因数，为定子空载电压基波有效值的变化量、
Figure 68989DEST_PATH_IMAGE014
为定子空载电压二次谐波有效值的变化量、
Figure 695143DEST_PATH_IMAGE015
为定子空载电压三次谐波有效值的变化量、
Figure 19945DEST_PATH_IMAGE016
为定子空载电压四次谐波有效值的变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为汽轮发电机励磁磁动势，i fd 为通入同心式励磁线圈中的直流电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
分别为转子N极和S极下第i个励磁线圈的有效匝数；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
分别为转子N极和S极下第i个励磁线圈的短距比；N是各个磁极下实际同心式励磁线圈数； k为谐波次数，Λ为气隙单位面积的磁导，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为定子一条支路串联的线圈匝数，为定子绕组k次谐波的绕组因数，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为k次谐波磁通量。
具体实施方式
汽轮发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法所依据的原理如下：
在忽略电机饱和的前提下，两极汽轮发电机励磁磁动势空间分布的解析表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
   (1)
式(1)中，i fd 为通入同心式励磁线圈中的直流电流；
Figure 824301DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 980476DEST_PATH_IMAGE025
分别为转子N极和S极下第i个励磁线圈的有效匝数；
Figure 715214DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 324050DEST_PATH_IMAGE027
分别为转子N极和S极下第i个励磁线圈的短距比；N是各个磁极下实际同心式励磁线圈数； k为谐波次数，为正整数，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
。
电机无故障，转子绕组正常时的励磁磁动势为：
            (2)  
式(2)表明，转子绕组正常时两极汽轮发电机励磁磁动势只含有奇数次谐波。
转子绕组存在匝间短路时，其有效匝数
Figure DEST_PATH_IMAGE034
比绕组正常时减少。两极汽轮发电机转子绕组匝间短路后励磁磁动势为：
    (3)
式(3)表明，在励磁电流不变的情况下，当励磁绕组匝间短路后，励磁磁动势中由于励磁线圈有效匝数减少引起奇数次谐波幅值变化，并且出现了2,4等偶数次谐波。
当转子绕组只有一个线圈存在匝间短路时，假设第j个线圈中存在匝间短路，短路匝数为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
。各次谐波幅值的变化量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，   
Figure 248275DEST_PATH_IMAGE032
           （4）
因此，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
                                       （5）
Figure DEST_PATH_IMAGE039
                                        （6）
由式（5）、（6）可知，不同谐波幅值变化量的比值仅与存在匝间短路线圈的位置（短距比）有关，而与短路匝数以及励磁电流的大小无关。
在认为转子表面光滑且不计磁场饱和的前提下，气隙磁密与磁势成正比。因此，两极汽轮发电机转子绕组匝间短路后空载气隙磁场中除了含有奇数次谐波外还含有偶数次谐波。
考虑到电机实际运行过程中，常处于饱和状态，另外，定转子存在齿和槽，气隙并不均匀，气隙磁通密度k次谐波幅值B km：
                                                (7)
其中Λ为气隙单位面积的磁导。
定子相绕组中某条支路感应的基波和各次谐波电势的有效值为：
                     (8)
其中k为谐波次数，k=1、2、3…..，f 为频率，
Figure 134322DEST_PATH_IMAGE028
为定子一条支路串联的线圈匝数，
Figure 39961DEST_PATH_IMAGE029
为定子绕组k次谐波的绕组因数，为k次谐波磁通量。
所以当定子绕组对称，定子每相绕组的一条支路中，谐波电势的有效值变化量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
                 （9）
谐波电势的有效值变化量之比满足如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
                （10）
Figure DEST_PATH_IMAGE044
                （11）
由式（4）和（9）可见，转子绕组匝间短路后，定子支路电势中各次谐波有效值的变化量与短路匝数的多少以及存在匝间短路线圈的短距因数成正比。短路匝数越多，各次谐波的变化量越大；存在匝间短路线圈的位置（短距比）不同，各次谐波的变化量也不同。由于绕组因数仅与定子绕组结构有关，所以由式（10）和（11）可知：当匝间短路发生在不同的转子线圈时，上述两个电势变化量的比值是不一样的。
因此，根据电机空载运行时，定子支路空载端电压中各次谐波较正常情况下有效值的变化量可以诊断转子绕组是否存在匝间短路以及匝间短路的程度；将定子空载端电压中谐波变化量的比值
Figure DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
与事先得到的比值进行比较，即可判定转子匝间短路的位置。
本发明以广泛应用的定子相绕组具有两条并联支路的两极汽轮发电机作为研究对象，通过以下步骤可实现转子动态匝间短路线圈的定位。
（1）利用有限元方法分别计算汽轮发电机无故障以及转子不同线圈匝间短路时的磁场分布，得到不同线圈短路时的气隙磁密分布；然后对气隙磁密进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，将电机无故障与存在匝间短路时的磁密相比较，计算基波、二次、三次、四次等各次谐波幅值的变化量（
Figure 463618DEST_PATH_IMAGE001
、、
Figure 123586DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 310985DEST_PATH_IMAGE004
）；
（2）计算气隙磁密的基波与三次谐波幅值变化量的比值（）以及二次和四次谐波幅值变化量的比值（
Figure 543700DEST_PATH_IMAGE006
）；
（3）计算定子绕组支路空载电势中基波与三次谐波有效值变化量的比值（）以及二次和四次谐波有效值变化量的比值（
Figure 605514DEST_PATH_IMAGE008
）；将各个线圈匝间短路时的两个比值建立数据库；
（4）打开被测汽轮发电机定子任意一相并联支路的端口，对被测发电机进行空载实验，采集定子绕组端口打开相的支路空载电压信号，并对实验结果进行频谱分析，获得空载电压的各次谐波有效值；
（5）将定子空载电压的各次谐波有效值与事先存储的无故障电机相同励磁电流下的谐波有效值进行比较，计算其基波、二次、三次、四次等各次谐波有效值的变化量（
Figure 382977DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 863637DEST_PATH_IMAGE014
 、
Figure 93762DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 950859DEST_PATH_IMAGE016
）；
（6）计算支路空载电压的基波与三次谐波有效值变化量的比值
Figure 582829DEST_PATH_IMAGE017
以及二次和四次谐波有效值变化量的比值
Figure 172073DEST_PATH_IMAGE018
；
（7）将第6步的实验结果与第3步的计算结果相比对，与之相近的线圈即为存在匝间短路的线圈，从而可判定匝间短路线圈的位置。
    下面以一台实验室7.5kW两极汽轮发电机的故障模拟机为例说明上述具体实施方案：
7.5kW汽轮发电机的励磁线圈按图1所示的顺序编号。
仿真计算
采用有限元方法计算电机无故障以及各个线圈分别短路不同匝数时的二维磁场分布，并对其气隙磁密进行谐波分析。表1给出了1号、6号、8号线圈分别短路不同匝数时的气隙磁密谐波幅值变化量的比值。
表1  气隙磁密谐波幅值变化量的比值
Figure DEST_PATH_IMAGE047
由表1可以看出，不同线圈匝间短路时，上述两个比值并不完全一样，这是由于短路匝数不同，磁路的饱和程度不同。
根据磁密计算结果，计算定子支路空载电压的各次谐波有效值变化量之比
Figure DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。表2给出了1号、6号、8号线圈分别短路20匝和25匝时，定子支路空载电势的各次谐波有效值变化量之比。
表2  定子支路空载电压的各次谐波有效值之比
Figure DEST_PATH_IMAGE050
由于电机在实际运行过程中，常处于饱和状态，转子短路匝数不同，磁路的饱和程度也不同，因此，短路匝数不同时，上述比值稍有变化，但变化范围并不大，如表1和2所示。
验证实例
对上述动模实验室7.5kW汽轮发电机的模拟机进行了空载时励磁绕组匝间短路实验，其中原动机部分与模型机的励磁部分均通过三相电源调压整流得到，实验接线如图2所示。
由于机组转子绕组的出线所限，只进行了转子1号线圈短路25匝的实验。将定子并联支路一端打开，采集了各分支电压数据，A相一条支路的空载电压波形如图3所示，根据频谱分析结果计算得到其空载电压（即电势）之比为：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
=3.05，   
Figure DEST_PATH_IMAGE052
=3.12。实验结果与仿真结果相比较，可判断1号线圈匝间短路，与实际情况一致。

Claims (3)

1.一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，其特征是，打开发电机定子任意一相绕组并联支路端口，使电机空载运行，采集定子端口打开相绕组的一条支路电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子支路电压频谱图，然后计算其基波、二次、三次、四次谐波有效值相对于事先存储的无故障电机在相同励磁电流下的谐波有效值的变化量,进而得到基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值，最后将这两个比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在动态匝间短路故障的线圈。
2.根据权利要求1所述的一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
a. 利用有限元方法分别计算汽轮发电机无故障以及转子不同线圈匝间短路时的磁场分布，得到不同线圈短路时的气隙磁密分布；然后对气隙磁密进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，将电机无故障与存在匝间短路时的磁密相比较，计算基波幅值的变化量                                                
Figure 281902DEST_PATH_IMAGE001
、二次谐波幅值的变化量
Figure 201210518935X100001DEST_PATH_IMAGE002
、三次谐波幅值的变化量
Figure 136726DEST_PATH_IMAGE003
和四次谐波幅值的变化量；
b.计算气隙磁密的基波与三次谐波幅值变化量的比值
Figure 854146DEST_PATH_IMAGE005
以及二次谐波和四次谐波幅值变化量的比值
Figure 201210518935X100001DEST_PATH_IMAGE006
；
c.计算定子支路空载电压中基波与三次谐波有效值变化量的比值
Figure 187039DEST_PATH_IMAGE007
以及二次谐波和四次谐波有效值变化量的比值，其中，
Figure 939094DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 699240DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别为定子绕组基波、二次、三次和四次谐波的绕组因数，将各个线圈匝间短路时的两个比值建立数据库；
d. 打开被测汽轮发电机定子任意一相并联支路的端口，对被测电机进行空载实验，利用电气参数数据采集仪采集汽轮发电机空载运行时的定子绕组端口打开相的支路空载电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子绕组支路电压频谱图，获得空载电压的各次谐波有效值；
e.将定子空载电压的各次谐波有效值与事先存储的无故障电机相同励磁电流下的谐波有效值进行比较，计算其基波有效值的变化量
Figure 903956DEST_PATH_IMAGE013
、二次谐波有效值的变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、三次谐波有效值的变化量
Figure 40539DEST_PATH_IMAGE015
、四次谐波有效值的变化量；
f.计算支路空载电压的基波与三次谐波有效值变化量的比值
Figure 584784DEST_PATH_IMAGE017
以及二次和四次谐波有效值变化量的比值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
g.将步骤f的计算结果与步骤c的计算结果相比对，在步骤c所建立的数据库中找到与步骤f的计算结果相接近的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测发电机的故障，从而判定出匝间短路线圈的位置。
3.根据权利要求2所述的一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，其特征是，在计算出被检测发电机的基波有效值的变化量
Figure 515831DEST_PATH_IMAGE013
、二次谐波有效值的变化量、三次谐波有效值的变化量
Figure 944855DEST_PATH_IMAGE015
、四次谐波有效值的变化量之后，应先判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障，然后再对故障进行定位，判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障的方法是：如果定子支路空载电压的各次谐波变化量超过预先设置的阈值，且电机并网运行时励磁电流的变化量超过预先设置的阈值，即可诊断励磁绕组存在匝间短路故障；、 、
Figure 15077DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的阈值分别设定为5%、20%、10%、20%，励磁电流变化量的阈值设定为3%。
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