CN105004962B - 一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检测方法 - Google Patents
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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的检测方法，包括以下步骤：A、获取发电机参数和特性曲线；B、建立发电机二维数值仿真模型，计算得到定子电流加载值，励磁绕组施加一个较小的初值If1，计算电磁转矩TM1'；C、保持定子三相电流加载值不变，以ΔIf为间隔循环增加励磁电流，并计算电磁转矩，得到(Ifi，TMi')数组；D、对上述数组进行二次函数拟合，得到函数TM'＝f(If)；E、计算发电机电磁转矩的实际值；F、令TM＝TM'，求解励磁电流值；G、循环改变P和Q取值，计算各工况的If；H、使用If、P和Q形成三维网格状曲面计算任意工况的If；I、将步骤H所得励磁电流值与实测值进行比较，判断是否发生故障。本发明能够改进现有技术不足，提高了励磁电流法诊断的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮发电机技术领域，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
励磁绕组短路是一种常见的汽轮发电机故障，近年来在我国有不断增长的趋势。经验表明，轻微转子绕组匝间故障不会对发电机产生严重影响，故障特征并不显著，使得该故障处于隐匿状态；然而，若该故障得不到及时、有效的处理，有可能进一步发展和蔓延，特别是当发电机存在较强的负序磁场时，匝间短路点流过的电流较大，可能导致故障进一步恶化，对机组本身的安全稳定运行构成较大威胁。
励磁绕组短路分为静态短路和动态短路两种类型，动态短路只在发电机运行过程中存在，因此常规的离线方法无法发现动态匝间短路故障，对励磁绕组健康状态实施在线监测是解决这一问题的最佳途径。
目前已提出的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法主要包括探测线圈法、虚功率法、轴电压法、端部漏磁法和励磁电流法等。其中探测线圈法是目前应用最广泛的在线检测方法，目前我国大部分电厂的300MW及以上容量的汽轮发电机组均已配备了探测线圈，且积累了较多的诊断经验。然而，受负载诊断灵敏度下降的制约，通常只在发电机空载、短路试验时进行探测线圈实验，严格说该方法并非在线监测方法。虚功率法、轴电压法以及端部漏磁法目前尚未得到广泛应用。
励磁电流法也是一种较为成熟的励磁绕组短路诊断方法，该方法由2003年中国电机工程学报发表的《汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断新判据》提出，该方法适用于静止励磁汽轮发电机，采用解析法计算励磁电流的理论值，当励磁电流的理论值与实际值偏差超过设定阈值时判定发电机存在励磁绕组短路故障。我国已有部分汽轮发电机安装了基于励磁电流法的励磁绕组短路故障诊断系统。该方法的缺点是：当汽轮发电机发生轻微励磁绕组短路故障时，励磁电流的理论值与实际值的偏差并不大，采用解析法计算发电机励磁电流的理论值时，认为发电机负载运行时空载电动势与励磁电流之间是正比例关系，实际上两者之间的线性度并不理想，导致励磁电流理论值的计算误差增大，因此文《汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断系统(RDST)使用手册》在用励磁电流法诊断励磁绕组短路故障时，将诊断的阈值设定为5％，只有励磁电流理论值与实际值偏差超过5％时才判定存在转子匝间短路故障，其灵敏度是明显不足的。
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的检测方法，能够解决现有技术的不足，提高了励磁电流法诊断的灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
A、获取发电机的结构参数和BH特性曲线数据；
B、建立发电机二维数值仿真模型，根据发电机的有功功率P、无功功率Q以及额定电压、定子绕组电阻、同步电抗等参数，计算得到定子三相电流值，转子绕组上施加励磁电流，计算发电机电磁转矩TM1'。
C、维持定子三相电流值不变，循环增加励磁电流，计算得到多个电磁转矩，得到N个(Ifi，TMi')数组；
D、通过拟合，得到TM'与If的关系式；
E、计算发电机电磁转矩的实际值TM；
F、令TM＝TM'，求解得到发电机的励磁电流；
G、循环改变发电机的有功功率P和无功功率Q，按上述步骤A—F的流程计算各种工况下的励磁电流If；
H、使用上述步骤得到的励磁电流If，形成以有功功率P、无功功率Q为自变量，以If为因变量的三维曲面，通过三维曲面计算发电机任意有功功率P、无功功率Q工况下的励磁电流；
I、通过将步骤H中计算得到的励磁电流与励磁电流的实测值进行比较，如果其差值大于阈值，则说明励磁绕组发生短路故障。
作为优选，步骤B中，将定子三相电流值加载到定子绕组上并维持不变，励磁电流从初始值If1开始施加，每施加一个励磁电流，计算一次发电机磁场，在发电机气隙设定圆形路径，将磁场数据映射到路径上，计算出发电机的电磁转矩TM1'。
作为优选，步骤C中，以ΔIf为间隔将励磁电流由初值If1增加至If2＝If1+ΔIf，保持定子三相电流值不变，计算得到电磁转矩TM2'，增加励磁电流为If3＝If1+2ΔIf，依次循环，上述循环重复N次，循环结束后，得到(Ifi，TMi')数组。
作为优选，步骤D中，以励磁电流If为自变量，电磁转矩TM'为函数，对上述(Ifi，TMi')数组进行二次函数拟合，得到TM'关于If的函数TM'＝f(If)。
作为优选，在步骤B和C中，电磁转矩TM'的计算公式为其中，μ0表示真空磁导率，R表示选取路径的半径，L表示转子有效长度，Bnj表示积分路径第j点气隙磁密径向分量，Btj表示积分路径第j点气隙磁密切向分量，M表示积分路径上点的数量。
作为优选，在步骤E中，电磁转矩的实际值TM的计算公式为其中，PM＝pcua+P，pcua＝mI2ra，m表示发电机相数，ra表示定子绕组电阻，Ul表示定子绕组线电压，I表示定子绕组线电流。
作为优选，步骤H中，在以ΔP、ΔQ为边长的三维网格投影区中确定(P，Q)所落入的矩形网格区域，矩形四个顶点代表发电机的四种工况，并采用下述公式计算励磁电流理论值：
其中，Ifa～Ifd代表四种工况下的发电机励磁电流；Pm、Qn代表代表该矩形区域一个顶点的有功功率和无功功率。
作为优选，ΔP＝25MW，ΔQ＝25Mvar。
作为优选，步骤I中，阈值取值为2％。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明可以快速计算出静止励磁发电机任意工况下的励磁电流理论值，转子绕组正常时理论值与实际值的偏差很小，从而可以使用较小的阈值来判断励磁绕组短路故障，提高检测精度。
附图说明
图1是汽轮发电机电动势向量图。
图2是励磁电流确定流程图。
图3是发电机二维仿真模型。
图4是有限元剖分。
图5是定子三相电流向量。
图6是电磁转矩与励磁电流关系。
图7是转子绕组变形情况。
图8是发电机P、Q、If的三维网格曲面关系图。
图9是确定发电机任意P、Q时的If的原理图。
图中，θ、功角，功率因数角，相电压向量，相电流向量，空载电动势初始向量，增加励磁电流后的空载电动势向量，气隙电动势初始向量，增加励磁电流后的气隙电动势向量，与的夹角，与的夹角，xσ、定子绕组漏抗，xa、电枢反应电抗，Ia、定子A相绕组电流加载值，Ib、定子B相绕组电流加载值，Ic、定子C相绕组电流加载值，If1、励磁电流首次加载值，ΔIf、励磁电流增量，Ifi、第i次循环励磁电流加载值，If、励磁电流，TMi′、第i次循环电磁转矩计算值，TM、电磁转矩实际值，P、发电机输出的有功功率，PM、发电机电磁功率，pcua、定子绕组铜耗功率，定子A相绕组电流向量，定子B相绕组电流向量，定子C相绕组电流向量，ω、向量旋转角速度，Ifa、对应(Pm,Qn)工况的励磁电流，Ifb、对应(Pm+△P,Qn)工况的励磁电流，Ifc、对应(Pm+△P,Qn+△Q)工况的励磁电流，Ifd、对应(Pm,Qn+△Q)工况的励磁电流。
具体实施方式
汽轮发电机在某一运行状态下(有功功率P、无功功率Q)的电动势向量图如图1中实线部分所示。根据该向量图可以得到表达式：
根据表达式(1)进一步可以得到：
根据式(2)可知发电机的电磁功率：
现假定增加发电机励磁电流时定子侧的θ、等量维持不变，空载电动势由增大为在图中将线段BC平移至AD处，确定发电机的气隙电动势可以看到较显著增大，与的夹角也大于与的夹角存在下列表达式：
进一步得到：
PM1＜PM2 (5)
进而有：
TM1＜TM2 (6)
可见：保持发电机定子侧各状态量不变，单独改变励磁电流，则电磁转矩与励磁电流同方向变化，以励磁电流为自变量、电磁转矩为函数时，该函数曲线应该是向右、向上倾斜的。发电机在有功功率为P时所对应的实际电磁转矩是常数，与励磁电流无关，因此实际电磁转矩为一水平线，与上述向右、向上倾斜的曲线必然存在一个交点，该交点即为发电机该工况的励磁电流。
为了确定发电机任意工况下的励磁电流，采用2维静态电磁场数值计算方法，具体如下：
首先获取发电机的B-H曲线和结构数据，建立发电机的二维仿真模型。根据发电机的有功功率P、无功功率Q、额定相电压U、定子绕组电阻ra、同步电抗xs等参数，结合模型中转子及定子三相绕组位置，确定定子绕组三相电流值，并将定子3相电流加载至定子三相绕组。
在转子绕组上首先施加一个较小的励磁电流初值If1，完成一次数值仿真，得到发电机的磁场数据，将其映射到特定的圆形积分路径上，并按下述表达式求得电磁转矩：
式中：μ0表示真空磁导率；R表示选取路径的半径；L表示转子有效长度；Bni表示积分路径第i点气隙磁密径向分量；Bti表示积分路径第i点气隙磁密切向分量；N表示积分路径上点的数量。
以ΔIf为间隔将励磁电流增加至If2＝If1+ΔIf，保持定子三相电流加载值不变，计算电磁转矩TM2'，增加励磁电流为If3＝If1+2ΔIf，计算电磁转矩TM3'，依次循环，对所得(Ifi、TMi')数组进行曲线拟合，得到转矩关于励磁电流的函数TM'＝f(If)。
发电机的实际电磁转矩可以通过下式计算：
令TM'＝TM，即可求得发电机转子绕组的励磁电流。
励磁电流的确定流程见图2。
欲求得发电机任意工况下的励磁电流，只需改变发电机的有功P、无功Q，仍按上述步骤进行求解，即可得到发电机各种工况下的励磁电流。
将计算得到的励磁电流与发电机实际励磁电流比较，当偏差超过设定阈值时，即可断定汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。
为了验证上述方法的有效性，以大型发电机的运行数据为例进行验证。2012年3月印尼某电厂一台QFSN-300-2-20B型汽轮发电机发生了励磁绕组短路故障，该发电机参数见表1。
表1 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机参数
故障发生后，运行人员将发电机故障前后的部分运行数据发送至我方咨询，见表2。在表2中，2012年3月12日的1-5组运行数据为发电机正常运行数据，2012年3月23日发电机开始出现励磁绕组短路故障特征，直至2012年5月7日故障特征仍未消除，因此表2的第6-28组运行数据均为发电机故障运行数据。
表2 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机运行数据
建立QFSN-300-2-20B型汽轮发电机的二维仿真模型见图3。在发电机二维磁场求解区域中，采用矢量磁位Az求解，Az满足非线性准泊松方程，磁场满足第一类齐次边界条件：
式中：Az—矢量磁位的Z轴分量；Jz—电流密度的Z轴分量；μ—材料的磁导率。
剖分阶段采用自由网格操作，剖分单元类型采用四边形单元，进行二次剖分实现网格细化，共得到102871个节点和35387个单元，见图4。
首先以QFSN-300-2-20B型汽轮发电机额定工况为例(有功PN＝300MW，无功QN＝185.9Mvar)，在模型加载阶段，借助下列表达式可求得发电机的内功率因数角：
当转子位置如图3所示时，转子d轴刚好与A相绕组轴线垂直，A相感应电动势最大，如图5所示。与+t轴重合如，落后于以ψN角，则发电机的三相电流瞬时值为：
将三相电流加载到所建模型的三相绕组中，励磁电流从If1＝750A开始以ΔIf＝250A为间隔递增，并将其施加在励磁绕组上，计算发电机的电磁转矩值TMi'，将其与励磁电流构成数组(Ifi，TMi')，当励磁电流增至2500A时循环终止，对上述(Ifi，TMi')数组进行曲线拟合，由于电磁转矩与励磁电流基本按正比例变化，因此，只需采用2次函数进行拟合即可达到较高的拟合精度，得到的函数表达式如下：
TM＝-0.00189×If 2+498.59067×If-65211 (12)
与拟合函数对应的曲线见图6，发电机的实际电磁转矩发电机励磁电流按下式求得：
95657＝-0.00189×If 2+498.59067×If-65211 (13)
经计算并排除无用根，最终确定发电机额定工况下的励磁电流为：If＝2071.2A。
QFSN-300-2-20B型汽轮发电机额定励磁电流为2075A(表1)，与本专利方法计算的相对偏差：表明励磁电流理论值的计算具有较高的精度。
现对表2的QFSN-300-2-20B型汽轮发电机运行数据按上述方法计算励磁电流的理论值，并将其与发电机的实际励磁电流对比，见表3。
表3 QFSN-300-2-20B型汽轮发电机励磁电流的实际值和理论值
通过上述数据可以看到：在2012年3月12日汽轮发电机不存在转子绕组短路故障时，实际励磁电流与励磁电流理论值相对偏差的最大值仅为1.6％，在2012年3月23日发电机出现励磁绕组短路故障后，实际励磁电流与励磁电流理论值的偏差由3.7％开始逐渐增大，偏差最大值一度达到29.8％，说明励磁绕组短路故障一直在不断发展。图7为抽出发电机转子检查发现的绕组端部变形情况，可见，转子绕组端部变形导致了这次较为严重的匝间短路故障。
文《汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断系统(RDST)使用手册》所设定的故障判定阈值为5％，从上述数据分析可见：当励磁绕组短路故障较轻微时(见2012年3月23日的第6和第7组数据)，实际励磁电流与励磁电流理论值的偏差小于是5％的，因此传统的励磁电流法是无法发现轻微励磁绕组短路故障的。
采用本专利的计算方法，当转子绕组正常时，实际励磁电流与励磁电流理论值的偏差不大于2％，因此可将故障判定的阈值设定为2％，这样即使是励磁绕组短路故障较轻微时(见2012年3月23日的第6和第7组数据)，本方法仍可以准确诊断出汽轮发电机励磁绕组短路故障时，提高了诊断的灵敏度。
为了实现对发电机任意工况下励磁绕组短路故障的在线检测，应保证发电机励磁电流理论值的计算速度。以QFSN-300-2-20B型汽轮发电机为例，为了快速计算任意有功P、无功Q工况下的励磁电流理论值，假设P的初值为P0＝25MW，增量为ΔP＝25MW，Q的初值为Q0＝-100Mvar，增量为ΔQ＝25Mvar，将P作为最外层循环，Q作为中间循环，If作为最内层循环。每次最内层循环结束即可按图2确定在该P、Q值时的发电机励磁电流理论值，两个外层参数P、Q每变化一次即可确定一个工况下的励磁电流理论值，当P、Q循环结束时即可得到各离散的有功P、无功Q状态下的励磁电流理论值，见图8所示网格曲面。
假定发电机任意工况对应的有功为P，无功为Q，在图8中必然落入某个以ΔP、ΔQ为边长的矩形区域，采用公式(14)可以快速计算出该状态下的励磁电流理论值。
图9为图8中的网格曲面在P-0-Q坐标平面的投影示意图，P1、Q1代表起始网格(1,1)的有功功率和无功功率，a、b、c、d代表网格(n,m)的四个顶点，也代表了4种不同工况；Ifa～Ifd代表四种工况下的发电机励磁电流；Pm、Qn代表网格(n,m)的a点的有功功率和无功功率；
励磁电流理论值计算的准确性与图9中的网格疏密(ΔP、ΔQ的大小)是密切相关的，应尽量减小ΔP和ΔQ，以保证励磁电流的计算精度，本实施例中取ΔP＝25MW，ΔQ＝25Mvar。
以表2中第3组运行数据为例，发电机有功P＝240.34MW，无功37.71Mvar。该组运行数据落在了P(225MW，250MW)，Q(25Mvar，50Mvar)网格区间内，该网格四个顶点的励磁电流分别为：Ifa＝1339.4A，Ifb＝1425.2A，Ifc＝1497.2A，Ifd＝1415.8A该将其带入式(14)得：
发电机的实际励磁电流为1428，两者偏差为：
可见，本励磁电流理论值快速计算方法具有较高的计算精度，可以帮助对静止励磁汽轮发电机励磁绕组短路故障进行在线检测，故障阈值可以设定为2％以保证较高的检测精度。
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。
Claims (9)
1.一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
A、获取发电机的结构参数和BH特性曲线数据；
B、建立发电机二维数值仿真模型，根据发电机的有功功率P、无功功率Q以及额定电压、定子绕组电阻以及同步电抗参数，计算得到定子三相电流值，转子绕组上施加励磁电流，计算发电机电磁转矩TM1'；
C、维持定子三相电流值不变，循环增加励磁电流，计算得到多个电磁转矩，得到N个(Ifi，TMi')数组；
D、通过拟合，得到TM'与If的关系式；
E、计算发电机电磁转矩的实际值TM；
F、令TM＝TM'，求解得到发电机的励磁电流；
G、循环改变发电机的有功功率P和无功功率Q，按上述步骤A—F的流程计算各种工况下的励磁电流If；
H、使用上述步骤得到的励磁电流If，形成以有功功率P、无功功率Q为自变量，以If为因变量的三维网格状曲面，通过三维网格状曲面计算发电机任意有功功率P、无功功率Q工况下的励磁电流；
I、通过将步骤H中计算得到的励磁电流与励磁电流的实测值进行比较，如果其差值大于阈值，则说明励磁绕组发生短路故障。
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的检测方法，其特征在于：步骤B中，将定子三相电流值加载到定子绕组上并维持不变，励磁电流从初始值If1开始施加，每施加一个励磁电流，计算一次发电机磁场，在发电机气隙设定圆形路径，将磁场数据映射到路径上，计算出发电机的电磁转矩TM1'。
3.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的检测方法，其特征在于：步骤C中，以ΔIf为间隔将励磁电流由If1增加至If2＝If1+ΔIf，保持定子三相电流值不变，计算得到电磁转矩TM2'，增加励磁电流为If3＝If1+2ΔIf，依次循环，上述循环重复N次，循环结束后，得到N个(Ifi，TMi')数组。
4.根据权利要求3所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检测方法，其特征在于：以励磁电流If为自变量，电磁转矩TM'为函数，对上述N个(Ifi，TMi')数组进行二次函数拟合，得到TM'关于If的函数TM'＝f(If)。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检测方法，其特征在于：电磁转矩TM'的计算公式为其中，μ0表示真空磁导率，R表示选取路径的半径，L表示转子有效长度，Bnj表示积分路径第j点气隙磁密径向分量，Btj表示积分路径第j点气隙磁密切向分量，M表示积分路径上点的数量。
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的检测方法，其特征在于：所述步骤E中，电磁转矩的实际值TM的计算公式为其中，PM＝pcua+P，pcua＝mI2ra，m表示发电机相数，ra表示定子绕组电阻，Ul表示定子绕组线电压，I表示定子绕组线电流。
7.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的检测方法，其特征在于：步骤H中，在以ΔP、ΔQ为边长的三维网格投影区中确定(P，Q)所落入的矩形网格区域，矩形四个顶点代表发电机的四种工况，并采用下述公式计算励磁电流理论值：
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其中，Ifa～Ifd代表四种工况下的发电机励磁电流；Pm、Qn代表该矩形区域一个顶点的有功功率和无功功率。
8.根据权利要求7所述的改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检测方法，其特征在于：ΔP＝25MW，ΔQ＝25Mvar。
9.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的检测方法，其特征在于：步骤I中，阈值取值为2％。
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