CN104391220A - 一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，将发电机历史运行数据按有功功率相同的原则分组，并求取空载电动势E₀值，每组分别用一次函数拟合空载电动势E₀关于励磁电流I_f的函数E₀＝f(I_f)，将各组一次函数的斜率k和截距b分别与有功功率P构成数组(P，k)和(P，b)，并对其进行二次拟合，得到斜率k和截距b关于发电机有功功率P的函数k＝k(P)和b＝b(P)，最后形成空载电动势E₀关于励磁电流I_f、有功功率P的二元函数E₀＝f(I_f，P)；进行故障诊断时利用实时采集的发电机运行数据计算空载电动势实际值E₀′，然后将之与按函数E₀＝f(I_f，P)算得的空载电动势理论值E₀对比。本发明能够改进现有技术的不足，提高了励磁绕组短路故障在线检测的灵敏度。

Description

一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法。

背景技术

近些年来，汽轮发电机组的励磁绕组短路呈现出了多发态势，已经成为励磁绕组一点或两点接地故障的重要诱因，国内已有多起因励磁绕组短路引起的转子接地故障被报道。

励磁绕组短路的发生、发展和恶化要经历一个逐渐演化的过程，这个过程所需的时间通常较长，但当发电机运行工况较差时，如三相不对称运行或出现不对称故障，负序旋转磁场在励磁绕组感应倍频电动势，倍频电流将在短路点引起过热，加剧匝间短路的恶化速度，可瞬间出现线棒变形或烧熔、烧坏护环、烧伤轴颈和轴瓦、转子本体烧损等现象，导致转子一点或两点接地故障，并引发大轴磁化等严重问题。因此，采用具有较高灵敏度的励磁绕组短路在线检测方法十分必要。在励磁绕组短路的发生和发展阶段发现故障，就可以及时采取措施，避免转子接地故障发生。

目前大型汽轮发电机励磁绕组短路故障在线诊断方法主要是线圈探测法、励磁电流法、轴电压法和构建函数法。线圈探测法在发电机空载或短路工况时具有较高的灵敏度，负载时则受电枢反应磁场和定子漏磁场影响严重，灵敏度急剧下降；励磁电流也存在灵敏度不足的问题，通常在励磁绕组发生较为严重的短路时才可以有效识别。轴电压法则依赖于碳刷与大轴的可靠接触，实践证明，受油污及较高的相对运动速度等因素的影响，碳刷与大轴的接触并不可靠，信号获取存在一定的困难。

发明人在2014年7月16日公开的发明专利申请中，详细公开了构建函数法的检测过程。但是，经过发明人的深入研究和试验，发现构建函数法存在下述缺点：(1)现代电力系统的容量较大，系统频率基本稳定在50Hz，其上下偏差范围通常小于0.1Hz，此时，将空载电动势归算至50Hz对计算精度的影响不大，反倒增加了算法的复杂性；(2)构建函数法以QFSN-300-2-20B型汽轮发电机运行数据作为算例，当无匝间短路时计算空载电动势归算值E_0(50Hz)和实际空载电动势归算值E_0(50Hz)的数值极为接近，两者的最大偏差不超过0.2％。然而，作为一种匝间短路故障诊断方法，构建函数法应适用于各种型号和容量的发电机，从QFSN-300-2-20B型汽轮发电机运行数据来看，发电机的有功、无功是按比例同时增减的，因此计算空载电动势归算值E_0(50Hz)与励磁电流之间的线性度较好，采用一次函数拟合即可获得较高的精度。然而，从的其他型号和容量的发电机运行数据看，当发电机的有功、无功独立调整时，空载电动势与励磁电流之间并不完全符合一次函数关系，函数关系受发电机有功功率的影响十分明显。采用一次函数拟合空载电动势与励磁电流函数关系时，部分发电机的误差最大值可达6％，远超出了匝间短路的判断阈值，必然导致经常性的误报。因此，有必要改进构建函数法的弊端，进一步提高其诊断精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，能够解决现有技术的不足，改善了空载电动势理论值计算精度，可以大幅提高励磁绕组短路故障在线检测的灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，它基于发电机有功功率对空载电动势函数有显著影响这一现象，提出将发电机历史运行数据按有功功率相同的原则分组，并求取空载电动势E₀值，每组分别用一次函数拟合空载电动势E₀关于励磁电流I_f的函数E₀＝f(I_f)，将各组一次函数的斜率k和截距b分别与有功功率P构成数组(P，k)和(P，b)，并对其进行二次拟合，得到斜率k和截距b关于发电机有功功率P的函数k＝k(P)和b＝b(P)，最后形成空载电动势E₀关于励磁电流I_f、有功功率P的二元函数E₀＝f(I_f，P)；进行故障诊断时利用实时采集的发电机运行数据计算空载电动势实际值E₀′，然后将之与按函数E₀＝f(I_f，P)算得的空载电动势理论值E₀对比，故障判据：当a％超过设定阈值即可判定汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。具体步骤如下：

A、获取发电机正常运行时的历史数据；

B、将发电机历史运行数据按有功功率相等原则分成若干组；

C、针对每组数据，分别求得空载电动势E₀，形成(I_f，E₀)数组；

D、分别对各组数据用一次函数拟合得到E₀关于I_f的函数E₀＝f(I_f)，记录各组的斜率k和截距b数值；

E、将各组数据汇总，形成(P，k)和(P，b)两个数组，以有功功率P为自变量再次拟合，得到k和b关于有功功率P的函数k＝k(P)、b＝b(P)，将其带入一次函数E₀＝kI_f+b，得到空载电动势E₀关于励磁电流I_f和有功功率P的二元函数E₀＝f(I_f，P)；

F、获取发电机的实时运行数据；

G、求得空载电动势实际值E₀′；

H、将实时的励磁电流I_f′和有功功率P′代入构建函数E₀＝f(I_f，P)，算得空载电动势理论值E₀；

I、故障判据值：将判据值a％与其设定阈值相比较，若故障判据a％超出设定阈值，则判定该汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。

作为优选，所述故障判据a％的大小与励磁绕组匝间短路故障的程度高低呈同向随动变化趋势。

作为优选，所述故障判据a％的阈值设定为0.5％。

作为优选，步骤A中，历史数据包括线电压U、线电流I、有功功率P、无功功率Q和励磁电流I_f。

作为优选，步骤C中，空载电动势E₀的计算公式为其中，表示功率因数角，X_s表示发电机同步电抗，r_a表示定子绕组电阻。

作为优选，步骤F中，发电机的实时运行数据包括线电压U′、线电流I′、有功功率P′、无功功率Q′、励磁电流I_f′。

作为优选，步骤G中，空载电动势实际值E₀′的计算公式为其中，s表示发电机同步电抗，r_a表示定子绕组电阻。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明的诊断方法为非侵入式，不需要额外安装传感器，根据汽轮发电机历史数据和实时运行数据即可判定其是否存在励磁绕组短路故障及故障程度，具有较高的灵敏度，不受发电机运行方式变化的影响，可以在线监测励磁绕组健康状态，对于防止短路故障恶化、降低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

图1是汽轮发电机的电动势向量图。

图2是汽轮发电机空载电动势与励磁电流关系。

图3是QFSN-660-2型发电机的空载电动势拟合。

图4是QFSN-660-2发电机空载电动势与励磁电流及有功功率关系。

图5是QFSN-600-2YHG发电机空载电动势与励磁电流及有功功率关系。

图6是QFSN-300-2-20发电机空载电动势与励磁电流及有功功率关系。

图7是一次函数的斜率拟合。

图8是一次函数的截距拟合。

图9是空载电动势计算值与实际值对比。

图10是汽轮发电机励磁绕组短路故障诊断流程图。

图11是QFSN-300-2-20B型汽轮发电机励磁绕组端部变形情况。

图12是QFSN-300-2-20B型汽轮发电机空载电动势理论值与实际值对比。

图中，励磁绕组正常时的励磁磁势，励磁磁势的实际值，θ′、实际功角，实际功率因数角，x_s、发电机同步电抗，r_a、定子绕组电阻，实测相电压，实测相电流，E₀、空载电动势理论值，E₀′、空载电动势实际值，a％、故障判据，P、正常运行有功功率，I_f、正常运行励磁电流，k、一次函数斜率，b、一次函数截距。

具体实施方式

汽轮发电机发生励磁绕组短路故障后转子绕组的有效匝数减少，励磁磁动势相对于绕组正常时有所下降，见图1，发电机的空载电动势实际值比理论值小，这是励磁绕组短路故障的基本特征，因此可以设定故障判据：

$a\%=\frac{E_0-{E_0}^{\′}}{E_0}\×100\%---\left(1\right)$

当a％超过设定阈值即可判定汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。

在诊断过程中，发电机的空载电动势实际值可以用表达式计算，空载电动势的理论值E₀则需要借助其与励磁电流I_f之间的函数关系计算，函数的计算精度对诊断的灵敏度影响较大。发电机正常运行时磁场饱和程度基本不变，故空载电动势E₀与励磁电流I_f之间近似线性关系，以QFSN-660-2、QFSN-600-2YHG和QFSN-300-2-20三种类型发电机为例，取其正常运行的历史数据计算，从图2可以看到：空载电动势E₀与励磁电流I_f之间的线性度并不理想，用一次函数拟合存在较大误差。

以QFSN-660-2型汽轮发电机运行数据为例，拟合函数为：

E₀′(I_f)＝0.008195I_f+0.6613           (2)

按上述拟合函数的空载电动势计算误差最大值可达5.9％(图3)，汽轮发电机发生轻微的转子绕组匝间短路(1匝)时，的数值不超过1％，因此按一次函数拟合空载电动势理论值无法保证轻微转子绕组匝间短路故障诊断的灵敏性。

按有功功率相近原则对QFSN-660-2、QFSN-600-2YHG和QFSN-300-2-20三种类型发电机的(I_f，E₀)归类，归类后的(I_f，E₀)数组及其一次函数拟合曲线见图4-图6。

从图4-图6明显看出：励磁电流与空载电动势的函数关系受发电机有功功率的影响。归类后的(I_f，E₀)数组的线性度更好，用一次函数拟合即可达到较高的精度，一次函数的斜率k基本沿着同一方向，随着有功功率增大曲线斜率略有下降，截距b随着有功功率增加而增大，拟合结果见表1。

表1 按发电机有功分段的曲线拟合结果

k和b随P的变化规律见图7和图8中的离散点。通过曲线拟合可以得到k和b关于有功功率P的函数，见式(3)和式(4)。

k(P)＝-1.026×10^-8×P²+3.071×10^-6×P+0.006597        (3)

b(P)＝5.593×10^-5×P²-0.02177×P+5.144             (4)

借助式(3)式(4)得到空载电动势理论值的计算表达式如下：

E₀(P，I_f)＝k(P)I_f+b(P)             (5)

从式(5)可以看到，空载电动势理论值是有功功率和励磁电流的二元函数。对于任一特定的汽轮发电机，其函数表达式是固定的，因此，根据汽轮发电机励磁电流和有功功率可以确定其任意时刻的空载电动势理论值。

以QFSN-660-2型发电机P＝405MW和503MW时的运行数据作为验证数据，将按式(5)得到的空载电动势理论值与离散数组(I_f，E₀)对比，见图9，可见，经过过改进后的空载电动势表达式的计算误差明显下降，最大值为0.37％。

故障诊断的流程见图10。

故障实例

2012年3月印尼某电厂一台QFSN-300-2-20B型汽轮发电机出现励磁绕组匝间短路故障，该发电机额定参数见表2。停机检修过程中对发电机转子拔护环处理，发现故障原因为：励磁绕组端部变形造成转子5、6号槽绕组短接，5、6号槽的绕组几乎全部被短路，见图11。

表2 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机参数

项目	数值
		额定功率(MW)	300
额定电压(V)	20000
		额定电流(A)	10189
相数	3
		额定励磁电流(A)	2075
额定功率因数	0.85
		同步电抗标幺值	1.85477
定子绕组电阻(Ω)	0.001658
		转速(r/min)	3000
接法	YY

该汽轮发电机事故发生前后的部分运行数据见表3，收集QFSN-300-2-20B型汽轮发电机故障前的大量历史运行数据，生成空载电动势理论值计算函数E₀＝f(I_f，P)，计算空载电动势理论值与实际值偏差，其结果见表3最后一列。

表3 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机运行数据

从表3可以看到，发电机正常运行时，采用二元函数E₀＝f(I_f，P)计算得到的空载电动势理论值与实际值偏差极小，最大偏差值仅为0.11％，小于采用构建函数法的最大偏差值。故障发生后，随着故障程度的恶化，空载电动势理论值与实际值偏差逐步增大(见图12)，最大值达到17.37％，表明励磁绕组短路故障已经相当严重。

汽轮发电机的励磁绕组一般有160匝左右，即使发生1匝短路a％也会超过0.5％，因此将励磁绕组短路故障判定阈值设置为0.5％。

采用本专利提出的方法对上述故障实例数据的分析表明：所形成的空载电动势关于励磁电流、有功功率的二元函数E₀＝f(I_f，P)提高了空载电动势的计算精度，当汽轮发电机励磁绕组无匝间短路故障时，空载电动势计算偏差最大值仅为0.11％，因此近一步提高了故障判据的计算精度，能够准确地反映故障程度，提高了诊断的灵敏度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、获取发电机正常运行时的历史数据；

B、将发电机历史运行数据按有功功率相等原则分成若干组；

C、针对每组数据，分别求得空载电动势E₀，形成(I_f，E₀)数组；

D、分别对各组数据用一次函数拟合得到E₀关于I_f的函数E₀＝f(I_f)，记录各组的斜率k和截距b数值；

E、将各组数据汇总，形成(P，k)和(P，b)两个数组，以有功功率P为自变量再次拟合，得到k和b关于有功功率P的函数k＝k(P)、b＝b(P)，将其带入一次函数E₀＝kI_f+b，得到空载电动势E₀关于励磁电流I_f和有功功率P的二元函数E₀＝f(I_f，P)；

F、获取发电机的实时运行数据；

G、求得空载电动势实际值E₀′；

H、将实时的励磁电流I_f′和有功功率P′代入构建函数E₀＝f(I_f，P)，算得空载电动势理论值E₀；

I、故障判据值：将判据值a％与其设定阈值相比较，若故障判据a％超出设定阈值，则判定该汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。

2.根据权利要求1所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于：所述故障判据a％的大小与励磁绕组匝间短路故障的程度高低呈同向随动变化趋势。

3.根据权利要求1或2所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于：所述故障判据a％的阈值设定为0.5％。

4.根据权利要求1所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于：步骤A中，历史数据包括线电压U、线电流I、有功功率P、无功功率Q和励磁电流I_f。

5.根据权利要求1所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于：步骤C中，空载电动势E₀的计算公式为其中，表示功率因数角，x_s表示发电机同步电抗，r_a表示定子绕组电阻。

6.根据权利要求1所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于：步骤F中，发电机的实时运行数据包括线电压U′、线电流I′、有功功率P′、无功功率Q′、励磁电流I_f′。

7.据权利要求1所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法，其特征在于：步骤G中，空载电动势实际值E₀′的计算公式为其中，s表示发电机同步电抗，r_a表示定子绕组电阻。