CN104345247B - 抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法，本发明利用主保护所配置的分支组电流互感器，从每相电流中提取特定谐波分量，计算其总有效值作为故障特征量，并由电机正常运行工况下近似与励磁电流成正比的分支电流固有分数次谐波分量来构成监测报警值，当故障特征量大于监测报警值时发出励磁绕组匝间短路故障的故障报警信号。本发明通过对发电电动机额定联网发电运行工况下时发生励磁绕组匝间短路的分析，提取出励磁绕组匝间短路区别于定子内部短路和各种机端外部短路等其它电机常见故障的独有特征，实现对每相七分支发电电动机励磁绕组匝间短路的在线监测。

Description

抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法

技术领域

本发明是一种抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法，特别是一种针对每相七分支抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法，属于抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法的创新技术。

背景技术

20世纪90年代开始，我国抽水蓄能电站进入快速发展时期，特别是近几年来，大量新机组陆续投入运行，国产机组也陆续得以使用。然而由于抽水蓄能发电电动机转速高，单机容量大，而且机组运行工况复杂、启动频繁，运行环境较一般水轮发电机更恶劣，同时随着抽水蓄能电站机组运行年限的增长，使得发电电动机的事故和故障频发，安全稳定问题日益突出。

励磁绕组匝间短路是同步发电机常见的一种电气故障，会造成励磁电流显著增加，发电机输出无功功率减小，机组振动加剧，短路点处的局部过热还可能使故障演化为转子一点甚至两点接地故障，损坏转子铁芯并可能引起转子大轴磁化，严重情况还会烧伤轴颈和轴瓦，给机组的安全运行带来巨大威胁。而抽水蓄能电站的发电电动机，由于运行工况更加复杂、需要频繁进行启动，励磁绕组匝间短路的发生概率比一般水轮发电机更高。

目前检测电机励磁绕组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。而多年现场运行情况表明，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励磁绕组匝间短路的重要原因，这些原因引起的故障通常只有在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或保护显得尤为必要。

由于认识到定子绕组内部短路故障会对发电机造成严重的破坏，现在大型水轮发电机以及发电电动机已普遍安装了主保护来反应这种故障，达到及时切除以避免或减轻故障损害的目的。比如某抽水蓄能电站的发电电动机，单机容量320MW，7对极，每相7分支，已配置了5套原理不同的主保护，如图1所示，即将每相的1、2、3分支接在一起，形成中性点o₁；将每相的第4分支接在一起，形成中性点o₂；再将每相的5、6、7分支接在一起，形成中性点o₃。在每相的 1、2、3分支组和5、6、7分支组上装设TPY型分支电流互感器TA1 ～TA6，构成一套不完全裂相横差保护，并分别与机端TPY型相电流互感器TA7～TA9构成两套不完全纵差保护；此外，在o₁-o₃之间以及 o₂-o₃之间分别接一个P级电流互感器(TA01和TA02)，构成两套零序电流型横差保护。该发电电动机的定子绕组一旦发生内部短路，三相电流不再对称，同相各分支电流也不再相等，会产生差动电流进入各种主保护装置。当差动电流的基波分量足够大时，主保护快速动作，发电电动机会被切除从而避免产生严重损坏。

而研究表明，励磁绕组匝间短路故障后定子相绕组内部各分支电流不再相等，会出现1/P、2/P……等分数次谐波的不平衡电流(P为发电机极对数)，从理论上讲，这种故障特征能被各种横差保护和不完全纵差保护的电流互感器所反映。但考虑到实际运行情况，准确而有效地提取这些故障特征的难度很大，一方面是因为保护用电流互感器的准确工作频率范围为10-70Hz，只能反映某些频率的分数次谐波不平衡电流；另一方面，当短路匝数较少时，分支(组)不平衡电流的各次谐波分量都非常小。

励磁绕组匝间短路故障引起的定子相绕组内部不平衡电流的频率特征与电机的极对数有关。而即使是极数相同的电机，故障主要特征量的频率及大小还与定子绕组的分布及联接方式等因素有关，在不同电机上会出现不同的具体特点。上述抽水蓄能电站的发电电动机已配置了多种主保护，结合该电机励磁绕组匝间短路的故障特征及其特征量的大小，可提出适用于该电机的故障特征量提取方法、并借助各种电流互感器来实现，从而对其励磁绕组可能出现的匝间短路故障进行实时在线监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法，本发明能在不改变现有发电电动机中分支组电流互感器配置的基础上，通过特定算法提取出励磁绕组匝间短路的故障特征值，并与电机正常运行工况下提取的检测报警值相比较，形成基于励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法。本发明能灵敏地检测出励磁绕组匝间短路故障，有效防止匝间短路故障扩大而损坏电机的励磁绕组，提高发电电动机运行可靠性。本发明只需在现有保护配置基础上，添加相应的检测算法，易于工程实现。

本发明的技术方案是：本发明为抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法，利用主保护所配置的分支组电流互感器，从每相电流中提取特定谐波分量，计算其总有效值作为故障特征量，并由电机正常运行工况下近似与励磁电流成正比的分支电流固有分数次谐波分量来构成监测报警值，当故障特征量大于监测报警值时发出励磁绕组匝间短路故障的故障报警信号。

上述故障特征量的获取方法为：从每相第1-3分支总电流中提取出3/7次和4/7次谐波分量，或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量，计算其总有效值作为故障特征量。

本发明通过对发电电动机额定联网发电运行工况下时发生励磁绕组匝间短路的分析，可提取出励磁绕组匝间短路区别于定子内部短路和各种机端外部短路等其它电机常见故障的独有特征，可实现对每相七分支发电电动机励磁绕组匝间短路的在线监测。本发明是一种方便实用的抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法。

附图说明

图1为每相七分支发电电动机主保护示意图；

图2为每相七分支发电电动机全套分支电流互感器TA配置示意图；

图3为同步电机磁极间磁动势分布示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明为抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法，特别是一种针对每相七分支抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法。本发明利用主保护所配置的分支组电流互感器，从每相电流中提取特定谐波分量，计算其总有效值作为故障特征量，并由电机正常运行工况下近似与励磁电流成正比的分支电流固有分数次谐波分量来构成监测报警值，当故障特征量大于监测报警值时发出励磁绕组匝间短路故障的故障报警信号。

上述故障特征量的获取方法为：从每相第1-3分支总电流中提取出3/7次和4/7次谐波分量，或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量，计算其总有效值作为故障特征量。

本发明的抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障的在线监测方法，依次按以下步骤进行：

(1)对投运后正常运行的电机，预采样进入分支组电流互感

器TA1～TA3的稳态电流i_normal，并将采样时刻、采样值及相应的

励磁电流直流分量I_fd.normal存储成数字文件；

(2)利用公式计算出正常运行中分支组电流互感器TA1～TA3的电流总有效值I_normal；

式中：T为采样电流的周期，T＝P/f₀，其中f₀为工频，P 为极对数，I_normal为电流总有效值，t为时间；

(3)对正常运行中进入分支组电流互感器TA1～TA3的稳态电流i_normal的采样瞬时值，利用傅立叶滤波算法计算出其基波电流有效值I₁、3次谐波电流有效值I₃、5次谐波电流有效值I₅，然后利用公式计算出正常运行中TA1～TA3 的固有附加谐波电流总有效值I_ah；

(4)实时监测发电机运行中进入分支组电流互感器TA1～ TA3的电流并进行采样，同时存储下励磁电流直流分量I_fd；

(5)对步骤(4)采集到的电流，从每相第1-3分支总电流中提取出3/7次谐波分量I_3/7和4/7次谐波分量I_4/7，或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量，计算出总有效值

(6)实时计算监测灵敏度K＝I_fd.normal/I_fd·I_op/I_ah；

(7)设定灵敏度限值K_set，当监测灵敏度K>K_set时，发出励磁绕组匝间短路的故障报警信号。

本实施例中，上述工频f₀＝50Hz。

下面结合图3来说明一下本发明的原理。

同步电机发生励磁绕组匝间短路后，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3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

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

上式中，P为极对数；x为建立在转子上坐标(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可看作集中的整距绕组，因此β＝1。

因此：

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＝ν/P(ν＝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

因此

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(ν/P±2l)次谐波，这些磁场都随转子同步旋转。

同步电机定子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电机配置的主保护用电流互感器反应，下面通过具体计算予以详细说明。

某抽水蓄能电站发电电动机有7对极，额定相电流为13050A，励磁绕组总匝数504，利用基于多回路模型的转子匝间故障分析技术对该电机联网额定发电工况下发生的不同匝数励磁绕组匝间短路故障进行了计算，得到故障稳态中各处电流的各次谐波大小，如表1所示。

表1某电机额定发电状态下发生不同匝数的励磁绕组匝间短路的稳态仿真结果(故障前励磁电流I_fdN＝1770A；假设短接线电阻 R_fkl＝0.01Ω)

电机正常运行工况下，三相电流、电压都对称(基波有效值相等、三相相位互差120°)；而同一相内所有分支电流都相等。而发生励磁绕组匝间短路故障后，定子分支电流中出现了1/P次、2/P次等分数次谐波电流(该电机极对数P＝7)。由于该电机定子绕组分布与联接的特点，所有(21个)分支的μ次谐波电流大小相等；同相各分支μ次谐波电流相位互差μ·360度，三相对应分支μ次谐波相位互差μ·120 度，所以表1只列出了定子一相、一分支电流各次谐波的大小。

根据表1计算出的定子各分支电流及励磁电流，假设正常运行中分支组电流互感器TA1～TA3的固有附加谐波电流总有效值为 I_ah＝1.5％I_N(I_N为额定相电流)，根据发明内容第(6)步的公式，可计算出相应的监测灵敏度，详见表2。

表2励磁绕组不同匝数匝间短路时的故障特征量及监测灵敏度的计算值

通过合理设定灵敏度限值K_set，将检测灵敏度K与灵敏度限值K_set相比较，当检测到K>K_set时即发出相应的故障报警信号，提示运行人员进行相应故障处理。比如在上例中，若设定K_set＝2，即可有效反映励磁绕组7％以下的短路故障。

Claims (2)

1.一种抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法，其特征在于利用主保护所配置的分支组电流互感器，从每相电流中提取特定谐波分量，计算其总有效值作为故障特征量，并由电机正常运行工况下近似与励磁电流成正比的分支电流固有分数次谐波分量来构成监测报警值，当故障特征量大于监测报警值时发出励磁绕组匝间短路故障的故障报警信号；

上述故障特征量的获取方法为：从每相第1-3分支总电流中提取出3/7次和4/7次谐波分量，或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量，计算其总有效值作为故障特征量；

抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法，依次按以下步骤进行：

(1)对投运后正常运行的电机，预采样进入分支组电流互感器TA1～TA3的稳态电流i_normal，并将采样时刻、采样值及相应的励磁电流直流分量I_fd.normal存储成数字文件；

(2)利用公式计算出正常运行中分支组电流互感器TA1～TA3的电流总有效值I_normal；

式中：T为采样电流的周期，T＝P/f₀，其中f₀为工频，P为极对数，I_normal为电流总有效值，t为时间；

(3)对正常运行中进入分支组电流互感器TA1～TA3的稳态电流i_normal的采样瞬时值，利用傅立叶滤波算法计算出其基波电流有效值I₁、3次谐波电流有效值I₃、5次谐波电流有效值I₅，然后利用公式计算出正常运行中TA1～TA3的固有附加谐波电流总有效值I_ah；

(4)实时监测发电机运行中进入分支组电流互感器TA1～TA3的电流并进行采样，同时存储下励磁电流直流分量I_fd；

(5)对步骤(4)采集到的电流，从每相第1-3分支总电流中提取出3/7次谐波分量I_3/7和4/7次谐波分量I_4/7，或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量，计算出总有效值

(6)实时计算监测灵敏度K＝I_fd.normal/I_fd·I_op/I_ah；

(7)设定灵敏度限值K_set，当监测灵敏度K>K_set时，发出励磁绕组匝间短路的故障报警信号。

2.根据权利要求1所述的抽水蓄能发电电动机励磁绕组匝间短路故障在线监测方法，其特征在于上述工频f₀＝50Hz。