CN105548799A - 发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

一种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，利用现有零序电流型横差保护所配置的中性点间电流互感器TA0，从进入TA0的不平衡电流中提取出3/8次和5/8次谐波分量(或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量)、取其总有效值做为故障监测量Iop；并根据正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值Ialarm。当监测量Iop>监测报警值Ialarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。

Description

发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法

技术领域

本发明属于电力系统主设备故障监测技术领域，尤其是针对8对极的抽水蓄能电站发电电动机结构特点及其常见主保护硬件配置而提出的一种转子绕组绕组匝间短路故障的在线监测方法。

背景技术

目前，抽水蓄能电站的发电电动机，由于运行工况较一般发电机更加复杂、启动次数频繁，发生转子励磁绕组匝间故障的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。考虑到抽水蓄能电站的安全可靠运行对电网的重要性，有必要通过对发电电动机进行转子绕组匝间短路故障的在线监测，达到早期发现故障并及时排除的效果，为电机及电网系统的安全运行起到保障作用。

转子励磁绕组匝间短路是发电机中一种比较常见的电气故障，但是一般轻微的励磁绕组匝间短路对发电机运行不会产生明显的不良影响，这与短时间内就会造成严重破坏的定子绕组内部短路故障不同。此外，目前已有的保护原理并不完善，现阶段国标中还没有装设转子匝间短路保护的明确要求。但是实际运行中却发现，若转子故障继续发展，会使励磁电流增加，发电机机端输出无功功率减小，机组振动加剧，短路点处局部过热还可能使转子故障演化为转子接地故障，损坏转子铁心并可能引起发电机大轴磁化，严重时还会烧坏轴颈和轴瓦，给机组安全运行带来巨大威胁。

当抽水蓄能电站的发电电动机为8对极时，每相4分支，已配置了2套原理不同的主保护(如图1所示)。即将每相的1、4分支接在一起，形成中性点o₁；再将每相的2、3分支接在一起，形成中性点o₂；在o₁-o₂之间接一个P级电流互感器(TA0，5P20型，1500/1A)，构成零序电流型横差保护。另外由每相的中性点侧电流互感器TA1～TA3，分别与机端相电流互感器TA4～TA6构成完全纵差保护。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，会产生不平衡电流进入中性点间电流互感器TA0，当其基波分量足够大时，零序电流型横差保护快速动作，发电电动机会被切除从而避免产生严重损坏。

研究表明，转子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次、2/P次……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，这种故障特征也能被也能零序电流型横差保护的电流互感器(TA0)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。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。一般来说，抽水蓄能电站的发电电动机由于极对数较多，P＝8时，励磁绕组匝间短路引起的中性点联线间不平衡电流的分数次谐波种类繁多。如果将所有存在的分数次谐波分量都提取出来、作为监测量，就需要逐次计算这些故障特征谐波的有效值，容易造成在线监测装置在运行过程中CPU的负荷率过高，不利于监测装置的正常运行，而且增大了装置生产厂家编写程序的工作量。最好选择其中的某些分量构成在线监测方案，这既要考虑电机的故障电流特点，又要顾及现有中性点间电流互感器TA0等实际硬件设备的适用范围和可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对抽水蓄能机组中，8对极发电电动机的转子绕组匝间短路故障的问题，为了提高抽水蓄能电站发电电动机运行的安全可靠性，在针对8对极电机进行详细的仿真计算基础上，本发明提出了一种转子绕组匝间短路故障的在线监测方案。利用现有零序电流型横差保护所配置的中性点间电流互感器TA0，从进入TA0的不平衡电流中提取出3/8次和5/8次谐波分量(或者通过带通滤波器得到15-35Hz的分量)、取其总有效值做为故障监测量Iop；并根据正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值Ialarm。当监测量Iop>监测报警值Ialarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。

本发明的技术方案是：

一种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，对于8对极电动机，该监测方法包括以下步骤：

S1、根据发电电动机正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值I_alarm；

S2、对发电电动机中的中性点间电流互感器TA0进行采样，从进入电流互感器TA0的不平衡电流中提取出3/8次和5/8次谐波分量，取其总有效值做为故障监测量I_op；

S3、当监测量I_op>监测报警值I_alarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。

本发明的步骤S1具体为：

S1-1、在发电电动机的正常运行工况下，采样进入中性点间电流互感器TA0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进行存储；

S1-2、利用傅立叶滤波算法计算出稳态电流i_normal的3/8次谐波有效值和5/8次谐波电流有效值然后按下式设定监测报警值I_alarm：

$I_{alarm}=K_{tol}\sqrt{{I_{normal,\frac{3}{8}}}^2+{I_{normal,\frac{5}{8}}}^2}\·\frac{I_{fdN}}{I_{fd.normal}}$

上式中，K_tol为裕度系数；I_fdN是发电电动机额定发电工况的励磁电流。

本发明的步骤S1-2中，裕度系数的范围是1.5-2.5，优选为2。

本发明的步骤S2具体为：

S2-1、实时监测发电电动机运行中进入中性点间电流互感器TA0的电流并进行采样；

S2-2、对步骤S2-1采集到的电流，用傅立叶滤波算法计算出其3/8次谐波有效值和5/8次谐波电流有效值计算出总有效值记为

一种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，它包括以下步骤：

S1、根据发电电动机正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值I_alarm；

S2、对发电电动机中的中性点间电流互感器TA0进行采样，采用带通滤波器从进入电流互感器TA0的不平衡电流中提取出15-35Hz的分量，取其总有效值做为故障监测量I_op；

S3、当监测量I_op>监测报警值I_alarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。

本发明的步骤S1具体为：

S1-1、在发电电动机的正常运行工况下，采样进入中性点间电流互感器TA0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进行存储；

S1-2、利用傅立叶滤波算法计算出稳态电流i_normal的3/8次谐波有效值和5/8次谐波电流有效值然后按下式设定监测报警值I_alarm：

$I_{alarm}=K_{tol}\sqrt{{I_{normal,\frac{3}{8}}}^2+{I_{normal,\frac{5}{8}}}^2}\·\frac{I_{fdN}}{I_{fd.normal}}$

上式中，K_tol为裕度系数；I_fdN是发电电动机额定发电工况的励磁电流。

本发明的步骤S1-2中，裕度系数的范围是1.5-2.5，优选为2。

本发明的步骤S2具体为：

S2-1、实时监测发电电动机运行中进入中性点间电流互感器TA0的电流并进行采样；

S2-2、通过带通滤波器对步骤S2-1采集到的电流进行滤波，得到15-35Hz的分量，计算出总有效值记为

本发明的有益效果：

本发明中，当监测量Iop>监测报警值Ialarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修，该方案具有较高的灵敏性和选择性。

附图说明

图1传统8对极发电电动机现有主保护及TA0配置示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

多对极、多分支的同步电机发生励磁绕组匝间短路故障后，会在定子相绕组内部产生分数次谐波的不平衡电流，可被通过电机配置的零序电流型横差保护用电流互感器反应，下面通过具体计算予以详细说明。

下面以具有8对极，额定相电流为10191A，励磁绕组总匝数528的宜兴电站发电电动机为例分析；

利用多回路数学模型，对电机联网额定发电工况下发生的较少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电机额定发电状态下的较小匝比励磁绕组匝间短路，引起中性点间电流互感器的不平衡电流及在线监测量的稳态仿真结果(故障前励磁电流I_fdN＝1816A；假设短接线电阻R_fkl＝0.1Ω)

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。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(当电机极对数P＝8时)。按照现有的常规主保护配置，进入中性点间电流互感器TA0的电流为三相中相邻两分支的电流之和，即由于电机定子绕组分布与联接的特点，同相4个分支的μ次谐波电流大小相等、相位互差μ·720度(电角度)，那么同相两相邻分支，比如a4与a1分支，μ次谐波电流的相位就相差μ·720度(电角度)。对于次的分数次谐波电流，在a4与a1分支中相位相差360k+180度(电角度)，即大小相等而方向相反，其和为0，所以不会出现在i_O1O2中；而对于次的分数次谐波电流，在a4与a1分支中相位相差180k+90度(电角度)，不会相互抵消而进入了TA0，比如表1中的1/8次、3/8次等谐波电流。

从表1的仿真结果看到，励磁绕组匝间短路在宜兴发电电动机TA0引起的不平衡电流中，1/8次、3/8次和5/8次谐波分量的含量最高，其频率分别为6.25Hz、18.75Hz和31.25Hz。实际上现有的主保护主要以基波电流为动作依据，所配置的电流互感器的工作频率一般在10-70Hz，而对频率在此范围以外的交流分量无法保证准确的传变特性。考虑到发电电动机中性点间电流互感器TA0的准确传变也有同样的频率限制，本发明摒弃了进入TA0的不平衡电流中的1/8次谐波，只提取3/8次和5/8次谐波这两种分量、并取其总有效值构成监测量，即 $I_{op}=\sqrt{I_{\frac{3}{8}}^2+I_{\frac{5}{8}}^2};$

从理论上讲，上述监测量在电机正常运行或机端外部故障中都为0(因为同相4个分支电流完全相同)，在其它常见故障、比如定子内部短路故障中也为0(因为不平衡电流中只有基波及少量的3次、5次等奇数次谐波分量，而不会出现分数次谐波分量)；只有发生励磁绕组匝间短路故障时，才会出现分数次谐波的不平衡电流，根据上式计算出的监测量I_op才会大于0。但由于生产中不可避免的电机制造及安装工艺等方面的误差、中性点间电流互感器TA0的传变误差等原因，实际运行中正常电机在同相各分支之间多少会存在一些不平衡电流，引起中性点间电流进入TA0、造成正常工况下的故障监测量也大于0。所以在线监测方案必须设定一个合理的监测报警值I_alarm，当监测量I_op>报警值I_alarm时才发出励磁绕组匝间短路的故障警报，以避免正常运行或机端外部短路等其它故障情况下由于电机固有不平衡电流而引起的误报警。

根据发电电动机实际正常运行的录波数据，通过傅里叶分析，将各种主要成分的有效值及按式(1)计算出的监测量数值列在表2中。

表2发电电动机实际正常运行工况下对现场录波的谐波分析结果(都已转化为一次侧实际的有效值)

从表2看到，这三种正常运行工况下中性点间都出现了理论上不应存在的不平衡电流，其中最大的是基波和3次谐波分量，同时包括1/8次、3/8次、5/8次等分数次谐波(因为周期为160ms)。励磁绕组匝间短路故障在线监测方案中的监测报警值I_alarm，必须保证大于正常运行(及外部故障时)的最大不平衡电流引起的监测量。

一般来说，电机固有不平衡电流的大小近似与励磁电流成正比，可以认为其中各种谐波分量的大小也近似与励磁电流成正比。在表2所列的三种正常运行工况中，(抽水)调相工况引起的监测量(10.89A)与励磁电流(直流分量为1051.78A)的比值最大，可据此估算正常运行工况下的最大不平衡电流，并设定监测报警值为：

$I_{alarm}=K_{tol}{I}_{op}\·\frac{I_{fdN}}{I_{fd}}$

$=2\×10.89\frac{1816}{1051.78}=37.6\left(A\right)$

上式中I_fd是对应监测量I_op的正常工况下励磁电流(的直流分量)，这里取了表2中“(抽水)调相”所在列的实测值；I_fdN是电机额定发电工况的励磁电流，一般正常运行情况下励磁电流不会超过满载额定工况的励磁电流。这样估算出正常运行工况下的最大不平衡电流引起的监测量后，还暂留了K_tol＝2倍的裕度，得到了监测报警值I_alarm。将其截取为37.5A，即TA0一次侧额定电流的2.5％(可以截取而没有四舍五入，因为已考虑了K_tol＝2倍的裕度)，可保证I_alarm大于正常运行(及外部故障)情况下最大的固有不平衡电流引起的监测量。

从表1看到，按照式(1)的监测量和式(2)的监测报警值，本发明提出的在线监测方案对宜兴电机3％及以上匝比的励磁绕组匝间短路故障(接近金属性短路)能够发出故障报警。而从表2看到，正常工况下宜兴电机固有的不平衡电流引起的监测量小于报警值，而机端外部短路、定子绕组内部短路等其它故障都不会引起定子的分数次谐波不平衡电流，不会报警。可见按本发明提出的宜兴发电电动机转子绕组匝间短路故障在线监测方案(及相应的装置)具有较高的灵敏性和选择性。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是对于8对极电动机，该监测方法包括以下步骤：

S1、根据发电电动机正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值I_alarm；

S2、对发电电动机中的中性点间电流互感器TA0进行采样，从进入电流互感器TA0的不平衡电流中提取出3/8次和5/8次谐波分量，取其总有效值做为故障监测量I_op；

S3、当监测量I_op>监测报警值I_alarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。

2.根据权利要求1所述的发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是所述的步骤S1具体为：

S1-1、在发电电动机的正常运行工况下，采样进入中性点间电流互感器TA0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进行存储；

S1-2、利用傅立叶滤波算法计算出稳态电流i_normal的3/8次谐波有效值和5/8次谐波电流有效值然后按下式设定监测报警值I_alarm：

$I_{alarm}=K_{tol}\sqrt{{I_{normal,\frac{3}{8}}}^2+{I_{normal,\frac{5}{8}}}^2}\·\frac{I_{fdN}}{I_{fd.nor\mathrm{ma}l}}$

上式中，K_tol为裕度系数；I_fdN是发电电动机额定发电工况的励磁电流。

3.根据权利要求2所述的发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是所述的步骤S1-2中，裕度系数的范围是1.5-2.5，优选为2。

4.根据权利要求1所述的发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是所述的步骤S2具体为：

S2-1、实时监测发电电动机运行中进入中性点间电流互感器TA0的电流并进行采样；

S2-2、对步骤S2-1采集到的电流，用傅立叶滤波算法计算出其3/8次谐波有效值和5/8次谐波电流有效值计算出总有效值记为I_op：

5.一种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是它包括以下步骤：

S1、根据发电电动机正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值I_alarm；

S2、对发电电动机中的中性点间电流互感器TA0进行采样，采用带通滤波器从进入电流互感器TA0的不平衡电流中提取出15-35Hz的分量，取其总有效值做为故障监测量I_op；

S3、当监测量I_op>监测报警值I_alarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。

6.根据权利要求5所述的发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是所述的步骤S1具体为：

S1-1、在发电电动机的正常运行工况下，采样进入中性点间电流互感器TA0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进行存储；

S1-2、利用傅立叶滤波算法计算出稳态电流i_normal的3/8次谐波有效值和5/8次谐波电流有效值然后按下式设定监测报警值I_alarm：

$I_{alarm}=K_{tol}\sqrt{{I_{normal,\frac{3}{8}}}^2+{I_{normal,\frac{5}{8}}}^2}\·\frac{I_{fdN}}{I_{fd.nor\mathrm{ma}l}}$

上式中，K_tol为裕度系数；I_fdN是发电电动机额定发电工况的励磁电流。

7.根据权利要求6所述的发电电动机转子绕组匝间1.5-2.5，优选为2。

8.根据权利要求5所述的发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，其特征是所述的步骤S2具体为：

S2-1、实时监测发电电动机运行中进入中性点间电流互感器TA0的电流并进行采样；

S2-2、通过带通滤波器对步骤S2-1采集到的电流进行滤波，得到15-35Hz的分量，计算出总有效值记为I_op：