CN103792463A - 基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，所述方法首先假定汽轮发电机转子绕组无匝间短路故障，并利用发电机运行状态信息和发电机的基本参数，求得对应的电磁功率（称为虚功率），然后比较虚功率与发电机实际电磁功率的偏差，得到故障判据a%，若a%超出设定阈值，则判定该汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。本发明不需要额外安装传感器，仅根据汽轮发电机现有的运行状态信息即可准确判定其是否存在转子绕组匝间短路故障及故障程度，既可以对发电机的转子绕组进行在线监测，也可离线分析，这对防止故障恶化、减小经济损失和提高电力系统稳定性有着重要意义。

Description

基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种能够在线诊断汽轮发电机转子绕组是否存在匝间短路故障的方法，属于发电机技术领域。

背景技术

近年来汽轮发电机转子绕组匝间短路故障频发，尤其是电力系统主力600MW机型，目前已有多起转子绕组匝间短路故障的报道。以某省为例，2007年至2010年已有9台大型汽轮发电机先后出现了转子绕组匝间短路故障，其中有7台是600MW等级以上的大型发电机，两台是400MW等级的发电机。仅在2009年，一年之内就发生了3起；在2010年，一年之内就发生了5起。转子绕组匝间短路故障严重影响了发电任务的顺利完成，也造成了巨大的经济损失，同时给区域电网的安全稳定运行带来挑战。因此，对大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障进行监测和预报是十分必要的。

汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的诊断方法分为离线和在线两类。其中离线检测方法不能及时发现故障，且无法检测出动态转子绕组匝间短路故障，其应用受到了限制。因此，在线的转子绕组匝间短路故障检测方法是未来的发展趋势，高灵敏性、高可靠性的转子绕组匝间短路在线检测方法拥有广阔的应用前景。

目前在大型汽轮发电机上采用的转子绕组匝间短路故障在线诊断方法主要是线圈探测法、励磁电流法和轴电压法。线圈探测法的原理是：在发电机定子铁心段之间伸入探测线圈检测转子绕组的槽漏磁通，由于发生转子绕组匝间短路的槽绕组有效匝数减少，其漏磁通比转子另一磁极对应槽漏磁通小，通过对比探测线圈切割各槽漏磁通所感应的脉冲电动势幅值即可诊断汽轮发电机是否存在转子绕组匝间短路故障。该方法有如下缺点：①发电机负载时定子绕组的漏磁场对探测线圈信号形成干扰，发电机重载时情况尤为严重，导致故障不明显，故障识别的灵敏性急剧下降；②汽轮发电机转子槽窄而深，当转子绕组匝间短路故障发生在转子槽底层且短路匝数较少时，对槽口漏磁通的影响有限，不足以形成明显的故障特征，因此该方法不适用检测发生在槽底部的轻微转子绕组匝间短路故障。③线圈探测法通常需要专业技术人员通过观察探测线圈波形判断是否存在转子绕组匝间短路故障，从故障发生到故障判定有较长时间的延迟，实际上不能算作实时的故障检测方法。

励磁电流法的原理是：汽轮发电机出现转子绕组匝间短路故障后气隙磁动势的幅值下降，发电机励磁电流会有所增加，将励磁电流的理论值与实际值进行比较，当两者的偏差超过一定范围时即可断定发电机存在转子绕组匝间短路故障。该方法通常设置励磁电流的相对变化量阈值为2.5%，只有汽轮发电机发生2匝以上的匝间短路故障时才可以有效判定。

基于轴电压的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法目前应用范围较小，尽管现场的故障实例中证明了其有效性，但由于环境积污、碳刷与转轴滑动接触速度较高等因素的影响，可能出现碳刷与转轴接触不可靠问题，需要定期清理和维护。

总之，尽管目前对汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测十分重视，但现有的各种诊断方法在应用中都还存在一定不足，发电厂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，提供一种简单、实用、具有高灵敏性和高可靠性的基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，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：

一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，所述方法首先利用实时运行数据和基本参数求得转子绕组健康状况下发电机的电磁功率（称为虚功率）                                                

，然后将虚功率

与发电机实际电磁功率P_M比较，得到故障判据：

，若a%超出设定阈值，则判定该汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

上述基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，所述虚功率

利用下式求得：

， 

，

，

，

其中：m表示相数，U表示发电机实测相电压，

表示功角，表示虚空载电动势，I_f表示发电机实测励磁电流，I表示发电机实测相电流，x_s表示发电机同步电抗，r_a表示定子绕组电阻，P表示实测有功功率，Q表示实测无功功率，

表示功率因数角。

上述基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，发电机实际的电磁功率P_M利用下式求得：

 

其中：表示发电机定子绕组铜耗，由下式求得：

上述基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，根据故障判据a%的大小判断转子绕组匝间短路故障的程度：a%数值越大，则说明转子绕组匝间短路故障程度越严重。

上述基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，计算发电机实际的电磁功率P_M和虚功率

所需的发电机的相电压U、相电流I、有功功率P、无功功率Q从DCS(分散控制系统)上获取。

本发明不需要额外安装传感器，仅根据汽轮发电机现有的运行数据即可判定其是否存在转子绕组匝间短路故障及故障程度，既可以对汽轮发电机转子绕组进行在线监测，也可定期从DCS上取得发电机运行状态数据，离线分析发电机转子绕组健康状态，这对于防止汽轮发电机转子绕组匝间短路故障恶化、降低非计划停运时间造成的经济损失以及提高电力系统稳定性都有着重要意义。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是汽轮发电机的电动势向量图；

图2是汽轮发电机的功率流程图；

图3是汽轮发电机转子绕组短路故障诊断流程图；

图4是QFSN-300-2-20B型汽轮发电机功率变化趋势；

图5是QFSN-300-2-20B型汽轮发电机转子绕组端部变形情况；

图6是QFSN-300-2型汽轮发电机功率变化趋势；

图7是QFSN-600-2-22C型汽轮发电机转子端部融化情况；

图8是QFSN-600-2-22C型汽轮发电机功率变化趋势。

文中各符号清单为：为发电机虚功率，P_M为发电机实际电磁功率，a%为故障判据，m为相数，为功角，

为实际空载电动势，

为虚空载电动势， U为发电机实测相电压，I为发电机实测相电流，x_s为发电机同步电抗，r_a为定子绕组电阻，

为气隙电动势，P为实测有功功率，Q为实测无功功率，

为发电机实际功率因数角，

为转子绕组短路后的励磁磁势，

为转子绕组正常时的励磁磁势，

为匝间短路造成的励磁磁势下降量，P₁为原动机输入机械功率，p_m为机械损耗功率，p_fe为铁耗功率，p_ad为附加损耗功率，p_cua为定子绕组铜耗功率，

为转子绕组正常时的相电压，为转子绕组正常时的相电流，

为转子绕组正常时的有功功率，

为转子绕组正常时的无功功率，

为转子绕组正常时的励磁电流，

为转子绕组正常时的功率因数角。

具体实施方式

汽轮发电机在—定的运行条件下，如果存在转子绕组匝间短路故障，由于转子绕组的有效匝数减少导致磁势局部损失，进一步造成有效磁场的减弱，短路后的励磁磁势可以用式（1）表示：

                                 (1)

式中：

表示转子绕组正常时的励磁磁势；

表示匝间短路造成的励磁磁势下降量。

励磁磁动势下降，对应的空载电动势较正常时有明显的减小。为了诊断汽轮发电机转子绕组的匝间短路故障，采用反向推理法分析问题，基本思想如下：

对于一台存在转子绕组匝间短路故障的汽轮发电机，其时空相矢图见图1的实线部分。

如果忽略定子绕组电阻值，汽轮发电机的实际电磁功率可以用式（2）表示：

                                (2)

式中：m表示发电机相数；U表示发电机实测相电压；E₀表示实际空载电动势；x_s表示同步电抗；

表示功角。

上述发电机作为待诊断对象，并不知道其转子绕组是否存在匝间短路故障，因此假定该发电机处于健康状态，其励磁磁势和空载电动势如图1的虚线部分所示，则其电磁功率的表达式为：

                                  (3)

    式中，为假定发电机健康状态下的空载电动势，称之为“虚空载电动势”，对应的电磁功率

称之为“虚功率”。

    从上面分析能够看到发电机的虚功率与实际电磁功率的差别：

                        (4)

    可见虚功率比发电机的实际电磁功率大，两者相差越多则说明匝间短路故障越严重，这是本专利方法的理论基础。

    上面从原理上介绍了虚功率原理的基本思路，实际应用中虚功率

和发电机实际电磁功率P_M应按照下面的方法获取。

    图2为汽轮发电机的功率流程图，其中：P₁为原动机输入机械功率；p_m为机械损耗功率；p_fe为铁耗功率；p_ad为附加损耗功率；p_cua为定子绕组铜耗功率；P为发电机输出电功率。

    从功率流程图上得到发电机实际电磁功率表达式，即：

                                    (5)

    其中：

。

    因此，根据发电机运行数据可以求出任意时刻的实际电磁功率。

汽轮发电机虚电磁功率表达式为，发电机相数m、同步电抗x_s均为已知，相电压U可以通过运行数据中的线电压计算得到，因此求电磁功率的关键是求得空载电动势

和功角

。汽轮发电机并网稳定运行状态下气隙电动势

大小基本不变，发电机磁场的饱和程度维持不变。因此，空载电动势基本上与励磁电流之间呈线性关系，可以利用发电机正常运行时的若干组历史数据（取电网频率为50Hz时的发电机运行数据，运行数据包括相电压

、相电流

、有功功率

、无功功率

和励磁电流

）得到空载电动势：

                (6)

    其中：。

然后，将励磁电流

和空载电动势

形成数组，通过曲线拟合得到虚空载电动势关于励磁电流的函数：

                                (7)

这样，根据任意时刻发电机的励磁电流值即可算得转子绕组正常且电网频率为50Hz时发电机的虚空载电动势值。

功角

的求取则需借助于发电机的电动势向量图1。

    图1中存在如下关系：

                          (8)

    得到功角

后便可依据式（3）得到发电机的虚功率数值。

   选取发电机某一运行时刻作为研究对象，根据上述方法分别计算出电磁功率和虚功率。然后，对比电磁功率

与虚功率

差别，其偏差表示为式（9）。

                             (9)

    当a%超过设定的阈值时，即可判定汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障，否则判定发电机为正常运行状态，诊断汽轮发电机转子绕组匝间短路故障的流程见图3。

    2012年3月印尼某电厂一台300MW汽轮发电机出现转子绕组匝间短路故障，该发电机额定参数见表1，现场记录了故障发生前后的发电机运行数据及功率偏差，见表2，发电机虚功率与实际电磁功率分布见图4。

表1 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机参数

表2 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机运行数据

从表2能够明显看到，在2013年3月12日发电机升负荷过程（第1至第5组数据）虚功率与实际电磁功率的偏差极小，a%小于0.2%，说明发电机转子绕组无转子绕组匝间短路故障；但2012年3月23号的降负荷过程中，a%有明显的增加，见表2的第6、7、8、9组数据，表明发电机已经出现了轻微转子绕组匝间短路故障，4组数据的a%差别较大，表明匝间短路程度在动态变化，第10组数据a%重新降至0.15%，转子绕组又恢复了正常。若此时能及时采取措施则可以避免转子绕组匝间短路故障恶化，但由于当时未发现机组状态异常，继续运行至2012年3月27日，此时发电机的转子绕组匝间短路故障特征已经十分明显，a%最高已达到15.5%。发电机停机进行故障处理，并于2012年5月7日恢复运行，但从表2可以看到，转子绕组匝间短路故障仍未被排除。最后该发电机不得不将转子拔护环检修，确定故障原因为：转子绕组端部发生变形和短接（见图5），造成了5号和6号槽的几乎全部绕组都被短路，经处理后发电机重新投入电网恢复了正常运行。

又如某地电厂8#发电机是一台QFSN-330-2型汽轮发电机，额定参数见表3。该机组2012年出现运行异常现象，采用本发明所提方法分析后判断其存在转子绕组匝间短路故障，现将数据列举如表4。

表3 QFSN-330-2型汽轮发电机参数

表4 QFSN-330-2型汽轮发电机运行数据

从表4可以看到，2007年1月4日，a%的数值极小，转子绕组处于健康状态，但在2012年12月12日，a%已经达到2.05%，此时转子绕组匝间短路故障已经发生，在接下来的运行时间里故障程度在不断恶化，在2013年10月21日，故障判据a%已达到8.44%，发展为较严重的匝间短路故障。发电机虚功率与实际电磁功率偏差见图6。目前该厂正在积极筹备检修以防止故障进一步恶化。

再如，2010年9月21号某电厂一台600MW汽轮发电机转子接地保护报警，延时20S后机组跳闸。发电机的额定参数见表5。维修过程发现故障原因：发电机转子汽端护环下N、S极2个8号槽线圈发生了匝间短路，且线圈顶匝与护环短路接地，线圈出现融化附着物，见图7。

表5 QFSN-600-2-22C型汽轮发电机参数

采用本专利所提方法分析发电机故障前后的运行数据，结果见表6，发电机虚功率与实际电磁功率偏差见图8。可见：机组跳闸前a%一直维持较小的数值，而检修前的运行数据对应的a%则高达13%，说明机组发生了突然的、严重的匝间短路故障。

表6 QFSN-600-2-22C型汽轮发电机运行数据

通过采用本专利提出的方法对上述三个故障实例数据的分析表明：虚功率与实际电磁功率偏差可以反映汽轮发电机的转子绕组匝间短路故障，当汽轮发电机转子绕组无匝间短路故障时，a%一直处于较小的数值，汽轮发电机的转子绕组一般有160匝左右，即使发生1匝短路a%也会超过0.5%，因此将故障判定的阈值设置为0.5%，这样，即使最轻微的转子绕组匝间短路故障（1匝短路）也能够被成功检测出来。随着短路程度的加重，a%的数值越来越大，因此所述方法还可以反映出转子绕组匝间短路故障的严重程度和发展趋势。该方法的另一个优点是：虚功率是在50Hz标准电网频率下得到的，实际电磁功率表达式（2）的分子中包含空载电动势

、分母中包含同步电抗x_s，两者均与电网频率成正比，因此发电机的实际电磁功率与电网频率无关，故任何时刻采用式（5）算得的发电机实际电磁功率都等于在50Hz标准电网频率下用式（2）算得的结果。因此，计算故障判据值a%时不需要电网频率数据，计算结果也不受电网频率波动的影响，诊断具有极高的灵敏性和可靠性。

Claims (5)

1.一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征是，所述方法首先利用实时运行数据和基本参数求得转子绕组健康状况下发电机的电磁功率、称为虚功率                                                

，然后将虚功率

与发电机实际电磁功率P_M比较，得到故障判据：

，若a%超出设定阈值，则判定该汽轮发电机存在转子绕组匝间短路故障。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征是，所述虚功率

利用下式求得：

，，

，

，

其中：m表示相数，

表示功角，

表示虚空载电动势，I_f表示发电机励磁电流，

表示发电机相电压，I表示发电机相电流， x_s表示发电机同步电抗，r_a表示定子绕组电阻，P表示有功功率，Q表示无功功率，

表示功率因数角。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征是，发电机实际的电磁功率P_M利用下式求得：

 ，

其中：

表示发电机定子绕组铜耗，由下式求得：

。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征是，根据故障判据a%的大小判断转子绕组匝间短路故障的程度：a%数值越大，则说明转子绕组匝间短路故障程度越严重。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚功率原理的汽轮发电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征是，计算发电机实际的电磁功率P_M和虚功率

所需的发电机的相电压U、相电流I、有功功率P、无功功率Q从DCS上获取。

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