CN105527537A - 发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法，该装置用于检测转子绕组，包括与转子绕组两端分别电连接的信号发生器及数据采集卡；所述数据采集卡还与计算机通信连接；所述信号发生器向转子绕组发送激励信号，所述数据采集卡接收反馈信号并发送至计算机，所述计算机依据反馈信号推算转子绕组的故障。实施本发明，操作过程简便可靠，提高了发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断测试效率和准确性。

Description

发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，更具体地说，涉及一种发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法。

背景技术

发电机转子绕组匝间绝缘故障是造成转子电气绝缘事故的主要因素之一。研究和实施发电机转子匝间绝缘故障检测与诊断，尤其是对萌芽期故障的发现，对于优化转子的检修和运行计划、提高发电机设备可靠性具有重要意义。目前，对于发电机转子绕组匝间绝缘故障已有一些检测方法，如交流阻抗及功率损耗法、直流电阻法、微分线圈探测法、空载及短路特性试验法等方法，分别适用于发电机处于静止或者运动状态的场合，但这些方法都存在一定的不足。具体如下：

1、静止状态下的常用检测方法

(1)交流阻抗法及功率损耗法

该方法的原理是：当转子绕组中存在匝间短路时，在交流电压作用下流经短路线圈中的短路电流要比正常电流大许多，其交流阻抗大大下降，功率损耗明显增加。该方法的使用受到很多因素的影响，如转子槽楔的材料、槽壁与槽楔接触的紧密程度、转子本体剩磁、试验时施加电压的高低、试验电源频率和波形的谐波分量等多种因素。该方法测量灵敏度低，不能作为转子绕组是否发生匝间绝缘故障的主要判断依据。

(2)直流电阻法

该方法是根据故障前后转子绕组直流电阻阻值的不同判定是否发生故障。在直流条件下，若测得转子绕组直流电阻阻值比发电机正常状态时低，通常如果相差2％以上即认为发电机转子绕组绝缘已经发生故障。直流电阻法的灵敏度相对来说较低，只有在转子绕组绝缘故障严重时才能判别出来。因此，该方法不能作为诊断匝间短路的主要方法，只能作为综合诊断时的参考。

2、运动状态下的常用检测方法

(1)微分线圈探测法

该方法的原理是基于发电机转子励磁电流所产生的主磁通和槽中的漏磁通密度的测量。该方法需要在定子槽齿上安装微型探测线圈作为传感器，通过探测线圈把发电机气隙中的旋转磁场进行微分，然后将该微分信号引入示波器进行分析。由于不同的旋转磁场信号微分后的波形不一样，特别是正常和故障情况有很大的差别，所以对微分波形进行分析即可诊断出转子绕组是否存在匝间短路故障。在发电机带负载条件下，由于电枢反应干扰，探测效果并不明显，检测准确度也较差，气隙线圈探测法只能在发电机空载和三相短路的情况下进行。因此，该方法仅适用于发电机处于运行状态下的在线监测，并且对发电机提出预先装有或者需要通过改造加装用于磁通测量的探测线圈的要求。

(2)空载及短路特性试验法

该方法是根据故障前后发电机空载和短路特性试验所测参数值与特征曲线的不同来判定是否发生故障。当转子绕组发生匝间短路时，其三相短路特性曲线、空载特性曲线和未短路前相比，斜率将会下降。一般在转子绕组短路匝数超过总匝数的3％～5％时，才会在空载和短路特性曲线上有所体现。因此，该方法测量灵敏度比较低，只能作为综合诊断时的参考。

综合分析目前已有的几种发电机转子绕组匝间绝缘故障检测方法，其在测试的便捷性、测试灵敏度和工作效率、故障诊断分析能力及适用场合等方面均存在一定的不足；并且，对测试结果的分析都需要由有丰富相关试验经验的专业人员的主观判断来完成，对客观、准确地得出测试结论具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有的发电机转子诊断方式中存在测试的便捷性、测试灵敏度和工作效率、故障诊断分析能力及适用场合等问题，提供一种能够快速准确、适应性好的发电子转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法，以克服现有技术中的缺陷。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，用于检测转子绕组，包括与转子绕组两端分别电连接的信号发生器及数据采集卡；所述数据采集卡还与计算机通信连接；所述信号发生器向转子绕组发送激励信号，所述数据采集卡接收反馈信号并发送至计算机，所述计算机依据反馈信号推算转子绕组的故障。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，所述信号发生器向转子绕组两端同时施加低电压高频脉冲激励信号。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，所述数据采集卡将接收到的两个反馈信号发送到计算机。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，所述计算机内设置有故障特征数据库，所述故障特征数据库包括反馈信号与转子绕组故障位置的映射信息。

本发明还提供一种发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，包括以下步骤：

S1、在发电机转子绕组两端连接信号发生器、数据采集卡，将数据采集卡连接至计算机；

S2、所述信号发生器向转子绕组发送激励信号，所述数据采集卡接收反馈信号并发送至计算机；

S3、所述计算机依据反馈信号推算转子绕组的故障。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，还包括：

S0、建立发电机转子绕组匝间绝缘故障特征数据库，所述故障特征数据库包括反馈信号与转子绕组故障位置的映射信息。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，S2包括：信号发生器向转子绕组两端分别同时施加低电压高频脉冲激励信号，数据采集卡在转子绕组的两端自动采集激励信号在转子绕组中的响应信号并上传至计算机，在计算机上显示两路响应信号，并对其进行做差运算处理，在计算机上显示和存储相减波形信号波形和参数。

本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，S3包括：在故障特征数据库查找与反馈信号的相减波相匹配的记录，并输出对应的转子绕组故障信息。

实施本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法，具有以下的有益效果：可应用至发电机停机后的膛内测试和膛外测试、发电机处于盘车时的测试，以及发电机转子制造阶段的测试，适用范围广；提供发电机转子绕组匝间绝缘故障特征知识库、推理机和发电机转子三维建模功能，辅助测试人员完成故障自动分析判断和故障定位，并直观展示诊断结果，操作过程简便可靠，提高发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断测试效率和准确性。本发明测试灵敏度高，可用于发电机转子匝间绝缘的萌芽期故障测试与诊断，有利于改善发电机转子的制造和运行。

附图说明

以下结合附图对本发明进行说明，其中：

图1为本发明发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置的装置结构示意图；

图2为本发明发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法的流程图；

图3为本发明一则反馈信号相减后的波形图。

具体实施方式

本发明针对现有技术中的发电机转子绕组测量技术中的便捷性、测试灵敏度和工作效率、故障诊断分析能力及适用场合等问题，提供一种能够快速准确、适应性好的发电子转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法，以克服现有技术中的缺陷。通过向发电子转子施加适当的激励信号，然后采集对应的反馈，利用反馈信号的特性，推算出故障发生的部位、类型、程度和发展趋势等结果，从而解决现有技术中存在的缺陷。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的解析。

如图1所示为本发明一则较佳实施例的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置的系统连接示意图。如图1所示，该实施例中包括信号发生器1与数据采集卡3、计算机4，用来检测转子绕组2是否存在故障问题。信号发生器1与数据采集卡3连接于发电机转子绕组2的两端，该信号发生器1向转子绕组2两端分别同时施加低电压高频脉冲激励信号，由数据采集卡3在转子绕组2两端自动采集相应的响应信号并将其传输至计算机4进行显示和处理，运行计算机4中发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断软件可以诊断得出该转子绕组是否存在匝间绝缘故障，如果存在则指出故障特征信息、处理对策建议及故障位置。

为了使上述的检测结果更为明显，在检测时优先在转子绕组两端同时注入一个连续的前沿陡峭的低电压高频脉冲，同时检测两端的响应波形，并对两个信号进行比较分析(相减)。较佳的，由信号发生器产生的两路相同信号的电压幅值为5V，当然，本领域的技术人员应当理解的是，对于测定信号的电压幅值，检测人员可以依据检测仪器进行适当调整。

当转子内没有故障的时候，由信号采集卡接收的信号经过相减之后，应该是一条直线；而当在转子内出现故障的时候，对应的相减波形会存在波形突起，根据突起产生的位置及大小进行推理和计算，从而确定故障发生的部位、类型、程度和发展趋势等结果。

由于按照上述的方式进行检测的时候，要对每次发送和接收的信号进行分析，为了更快的确定出故障点，可以预先通过大量的模拟故障点的分析波形，进行保存，形成与发电子转子相关的故障特征数据库。当采集得到分析波形之后，比对保存的数据，即可直接得到对应的检测结果。

而为了实现上述通过直接通过比对完成故障的判定，需要有完善的故障特征数据库，为此，本发明还提供了建立该故障特征数据库的方案：首先将发电机转子从定子膛内抽出，通过不同阻值的短接线在发电机转子绕组的不同匝之间进行短接，模拟转子绕组发生不同部位、类型及程度的绝缘故障，并进一步展开模拟测试。模拟测试的方式是在在转子绕组两端同时注入一个连续的前沿陡峭的低电压高频脉冲，对应的产生不同突起位置和不同幅值大小的相减波形数据。记录相应的测速数据作为特征波形图谱，同时制定对应的处理对策建议，从而构成故障特征数据库。

当检测出故障点的位置后，由计算机建立相应的发电机转子的三维模型。首先由使用者输入转子的相关性转参数，包括转子的线圈数量、每个线圈的匝数、转子长度和直径、开槽位置以及深度等，然后计算机通过软件自动建模绘制发电机转子三维示意图，并在计算机上进行显示。然后在生成的转子三维模型上，显示故障所在的线圈编号和匝编号。

以上给出了基于本发明思想的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置的结构，从该结构可以看出，要检测出转子内的故障问题，只要合适的数据采集卡以及信号发生器连接到转子上，利用特定的检测信号以及反馈得到的接收信号，比对计算机中数据库保存的波形，即可得知故障的位置、类型以及发展趋势等信息。

本发明还提供了发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，其流程图如图2所示。

S0、针对特定的发电机转子测试对象，预先建立发电机转子三维模型、发电机转子绕组匝间绝缘故障特征数据库；

S1、在发电机转子绕组两端连接信号发生器、数据采集卡，将数据采集卡连接至计算机；

S2、信号发生器向转子绕组两端分别同时施加低电压高频脉冲激励信号，数据采集卡在转子绕组的两端自动采集激励信号在转子绕组中的响应信号并上传至计算机，在计算机上显示两路响应信号，并对其进行做差运算处理，在计算机上显示和存储相减波形信号波形和参数；

S3、运行计算机上的发电机转子绕组匝间绝缘故障推理机，经过自动分析判定，得出发电机转子绕组是否存在匝间绝缘故障，如果存在则指出对应的故障部位、类型及程度、故障发展趋势以及处理对策建议，并且进行故障定位分析，在三维发电机转子模型上显示故障所在的线圈编号和匝编号；本领域的技术人员应当理解的是，步骤S3还可以这样实现：依据在步骤S0中建立好的故障数据库信息，从中查找与检测相匹配的相减波特征信号，当找到相匹配的特征信号之后，输出此时反馈信号所映射的转子绕组故障信息。

S4、设定测试报告的内容要求，在计算机上生成和导出相应测试报告。

在S0中，建立发电机转子三维模型时，首先需要输入转子相关形状参数如转子线圈数量、每个线圈的匝数、转子长度和直径、开槽位置及深度等，计算机通过软件自动建模绘制发电机转子三维示意图，并在计算机上进行显示。

在S0中，建立发电机转子绕组匝间绝缘故障特征数据库时，在发电机转子从定子膛内抽出后，通过利用不同阻值的短接线在发电机转子绕组的不同匝之间进行短接并开展模拟测试，模拟发电机转子绕组发生不同部位、类型及程度的绝缘故障，将此时的反馈信号进行相减运算，得到存在突起位置和幅值大小不同的相减波形数据，记录相应的测试数据作为特征波形图谱，同时制定对应的处理对策建议，构建一种映射关系数据库。

从以上的实施例可知，对两个反馈信号进行相减分析，可以查出信号故障的位置。假如在待检测的转子中并未有任何的故障，则相减后的信号应为一直线。当相减的信号存在起伏的时候，依据起伏的位置可以对应算出故障位置。

例如，图3是一则相减后的波形。从相减波形中看到存在较为明显的突起点，突起波形幅值约为240mV。对此分析得出，转子匝间绝缘存在着一定的缺陷，即在转子线圈匝间绝缘中存在轻微的短路迹象。经分析，认为比较大的可能是：转子护环与绝缘端环位置转子线圈存在粉尘、油污污染，导致转子绝缘有一定程度的降级。

根据测试波形，脉冲波在发电机转子线圈中传播所用时间约为15.6μs；从测得的相减波形中可判定突起波形波幅对应时刻大致在第处。由于发电机转子线圈总匝数为2*62＝124个，通过计算：

$\frac{1.84}{15.6}\×124=14.6$

由此可以初步判定，存在转子匝间绝缘缺陷的位置大致在靠近内集电环的第2个线圈与第3个线圈之间。

实施本发明的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置及方法，可应用至发电机停机后的膛内测试和膛外测试、发电机处于盘车时的测试，以及发电机转子制造阶段的测试，适用范围广；提供发电机转子绕组匝间绝缘故障特征知识库、推理机和发电机转子三维建模功能，辅助测试人员完成故障自动分析判断和故障定位，并直观展示诊断结果，操作过程简便可靠，提高发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断测试效率和准确性。本发明测试灵敏度高，可用于发电机转子匝间绝缘的萌芽期故障测试与诊断，有利于改善发电机转子的制造和运行。

以上仅为本发明具体实施方式，不能以此来限定本发明的范围，本技术领域内的一般技术人员根据本创作所作的均等变化，以及本领域内技术人员熟知的改变，都应仍属本发明涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，用于检测转子绕组(2)，其特征在于，包括与所述转子绕组(2)两端分别电连接的信号发生器(1)及数据采集卡(3)；所述数据采集卡(3)还与计算机(4)通信连接；所述信号发生器(1)向转子绕组(2)发送激励信号，所述数据采集卡(3)接收转子绕组(2)的反馈信号并发送至计算机(4)，所述计算机(4)依据反馈信号推算转子绕组(2)的故障。

2.根据权利要求1所述的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，其特征在于，所述信号发生器(1)向转子绕组(2)两端同时施加低电压高频脉冲激励信号。

3.根据权利要求2所述的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，其特征在于，所述数据采集卡(3)将接收到的两个反馈信号发送到计算机(4)。

4.根据权利要求1所述的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断装置，其特征在于，所述计算机(4)内设置有故障特征数据库，所述故障特征数据库包括反馈信号与转子绕组故障位置的映射信息。

5.一种发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在发电机转子绕组两端连接信号发生器、数据采集卡，将数据采集卡连接至计算机；

S2、所述信号发生器向转子绕组发送激励信号，所述数据采集卡接收反馈信号并发送至计算机；

S3、所述计算机依据反馈信号推算转子绕组的故障。

6.根据权利要求5所述的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，还包括：

S0、建立发电机转子绕组匝间绝缘故障特征数据库，所述故障特征数据库包括反馈信号与转子绕组故障位置的映射信息。

7.根据权利要求6所述的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，所述S2包括：信号发生器向转子绕组两端分别同时施加低电压高频脉冲激励信号，数据采集卡在转子绕组的两端自动采集激励信号在转子绕组中的响应信号并上传至计算机，在计算机上显示两路响应信号，并对其进行做差运算处理，在计算机上显示和存储相减波形信号波形和参数。

8.根据权利要求6所述的发电机转子绕组匝间绝缘故障诊断方法，S3包括：在故障特征数据库查找与反馈信号的相减波相匹配的记录，并输出对应的转子绕组故障信息。