CN113740764A - 一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法和装置。方法为：根据发电机的历史数据构建发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，在对发电机进行匝间短路缺陷诊断时，基于发电机的定值参数、当前发电机的实时状态参量和预测模型计算得到当前发电机的理想励磁电流，并通过比较当前发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度。装置包括人机接口单元、数据获取单、数据计算单元、缺陷诊断单元以及电源单元。本发明具有实施方便、成本较低，且灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备缺陷检测和预警领域，具体涉及一种针对发电机转子绕组匝间短路缺陷进行在线检测的方法和装置。
背景技术
转子绕组匝间短路缺陷是汽轮发电机最常见的缺陷之一，所导致的突发故障不仅扰乱了发电厂的生产计划，还给生产运行带来很大压力。若故障未能及时被发现，继续发展下去甚至会引起转子绕组接地、大轴磁化等严重故障，造成更为严重的经济损失。因此，对大型汽轮发电机转子绕组匝间绝缘状态进行在线检测评估，对匝间短路缺陷进行预警十分必要。
转子绕组匝间短路故障的准确判断是复杂的系统工程，与故障位置、严重程度、运行年限等因素均有关。目前，国内转子绕组匝间短路故障检测方法的研究开展的较为深入，主要的方法有探测线圈法、励磁电流法以及定转子振动检测法。另外，针对转子绕组匝间短路时不平衡磁拉力、电磁转矩、轴电压以及端部漏磁的研究也有开展。其中，励磁电流法由于监测方便，不需要额外增设传感器，较为适合在线监测与评估。励磁电流法通过解析法计算励磁电流的理论值，并与发电机实际励磁电流值进行比较，以励磁电流的相对变化率为依据，建立在线识别的判据。但是，传统解析法计算励磁电流理论值时，没有考虑发电机内部磁场的饱和状态发生变化，忽略了同步电抗的变化对计算励磁电流值的影响，对励磁电流的计算不够精确，可能会导致误判率较高。
此外，传统励磁电流法仅适用于静止励磁汽轮发电机。对于此种情况，研究者提出了“虚功率法”，即利用转子绕组匝间短路后励磁磁势比绕组正常时下降的特点，提出通过比较电磁功率的期望值与实际值的偏离度来评估转子绕组匝间绝缘状态。汽轮发电机出现转子绕组匝间短路缺陷后，励磁磁动势明显低于正常值，其在定子绕组上感应的空载电动势E'0比转子绕组正常时的空载电动势E0小，两者相差越大则说明匝间短路故障程度越严重。汽轮发电机的实际空载电动势可以通过DCS系统监控的汽轮发电机正常运行数据，包括发电机相电压U、有功功率P、无功功率Q和励磁电流If等求出。因此，如何根据汽轮发电机的运行参数和性能指标构建不同状态下汽轮发电机的理想空载电动势精确模型就决定了转子匝间短路缺陷诊断方法的灵敏性和可靠性，如模型误差较大，就无法保证轻微转子绕组匝间短路故障时的诊断的灵敏性和可靠性，传统的线性拟合法难以保证理想空载电动势模型的精度。
为解决汽轮发电机转子绕组匝间绝缘状态的实时评估问题，有必要研究新的检测评估方法。此外，现有研究主要集中于检测出匝间短路缺陷的存在，但是并不能精确的检测出绕组的短路程度。实践证明，轻微的匝间短路故障对发电机的正常工作影响不大，发电机仍可以继续运行。一旦故障扩大，造成多匝甚至整槽绕组短路，会使得发电机励磁电流显著增大，无功输出下降，绕组温度上升，引起机组的剧烈振动，严重时会造成转子一点或两点接地甚至更严重的事故。因此，如果能够在线评估发电机转子匝间绝缘状态，准确诊断出故障程度，对于提高汽轮发电机运行可靠性，合理调配机组发电容量和安排检修有着重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够较好地对发电机转子绕组匝间短路缺陷及缺陷程度进行在线检测，从而保障发电机可靠运行的发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法，用于对发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度进行检测，所述发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法为：根据所述发电机的历史数据构建所述发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，在对所述发电机进行匝间短路缺陷诊断时，基于所述发电机的定值参数、当前所述发电机的实时状态参量和所述预测模型计算得到当前所述发电机的理想励磁电流，并通过比较当前所述发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定所述发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度。
采用支持向量机模型建立所述预测模型。
在对所述发电机进行匝间短路缺陷诊断时，利用解析法模型
计算当前所述发电机的理想空载电动势E'0，其中，U为所述发电机的相电压，
为所述发电机的相电流，I为所述发电机的定子电流，I为所述发电机的定子电流，ra为所述发电机的定子绕组电阻，xs为所述发电机的同步电抗，再基于当前所述发电机的理想空载电动势和所述预测模型计算得到当前所述发电机的理想励磁电流I'f。
当前所述发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度
其中，I'f为当前所述发电机的理想励磁电流，If为当前所述发电机的实际励磁电流；当
时，所述发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷，且a％越大，则所发生的匝间短路缺陷的程度越严重，n为所述发电机的转子绕组匝数。
在所述发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷时，对所发生的匝间短路缺陷的程度进行预警。
本发明还提供一种能够较好地对发电机转子绕组匝间短路缺陷及缺陷程度进行在线检测，从而保障发电机可靠运行的发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，其方案是：
一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，用于对发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度进行检测，所述发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置包括：
人机接口单元，所述人机接口单元用于获取所述发电机的定值参数；
数据获取单元，所述数据获取单元用于获取所述发电机的实时状态参量；
数据计算单元，所述数据计算单元中建立有根据所述发电机的历史数据构建的所述发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，用于基于当前所述发电机的理想空载电动势和所述预测模型计算得到当前所述发电机的理想励磁电流；
缺陷诊断单元，所述缺陷诊断单元用于基于所述发电机的定值参数、当前所述发电机的实时状态参量得到当前所述发电机的理想空载电动势，通过比较当前所述发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定所述发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度；
电源单元，所述电源单元用于为所述人机接口单元、所述数据获取单元、所述数据计算单元、所述缺陷诊断单元供电。
所述缺陷诊断单元还用于在所述发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷时，根据所发生的匝间短路缺陷的程度进行发出相应的预警信号，所述人机接口单元还用于基于所述预警信号进行预警。
所述数据计算单元与所述发电机的分布式控制系统相连接而获取所述发电机的实时状态参量。
所述数据计算单元包括：
预处理模块，所述预处理模块用于对由所述数据获取单元获取的所述发电机的实时状态参量进行预处理；
特征提取模块，所述特征提取模块用于获取所述预处理模块进行预处理后得到的数据构建所述预测模型，并计算当前所述发电机的理想励磁电流。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明具有实施方便、成本较低，且灵敏度高等优点，是一种简单有效且准确的发电机转子绕组匝间短路缺陷及缺陷程度在线检测方案。
附图说明
附图1为本发明的发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，包括人机接口单元、数据获取单、数据计算单元、缺陷诊断单元以及电源单元。
人机接口单元用于获取发电机的定值参数。数据获取单元用于获取发电机的实时状态参量，其可以与发电机的分布式控制系统(DCS)相连接而获取发电机的实时状态参量。数据计算单元与数据获取单元、缺陷诊断单元相连接，其中建立有根据发电机的历史数据构建的发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，用于基于当前发电机的理想空载电动势和预测模型计算得到当前发电机的理想励磁电流。数据计算单元包括预处理模块和特征提取模块，预处理模块用于对由数据获取单元获取的发电机的实时状态参量进行预处理，特征提取模块用于获取预处理模块进行预处理后得到的数据进行特征提取(包括理论值和实际值)而构建预测模型，并计算当前发电机的理想励磁电流。缺陷诊断单元与人机接口单元相连接，用于基于发电机的定值参数、当前发电机的实时状态参量得到当前发电机的理想空载电动势，通过比较当前发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度。此外，缺陷诊断单元还可以用于在发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷时，根据所发生的匝间短路缺陷的程度进行发出相应的预警信号，从而形成缺陷诊断与预警单元，此时人机接口单元还用于基于预警信号进行预警。电源单元用于为人机接口单元、数据获取单元、数据计算单元、缺陷诊断单元供电。
发电机的定值参数包括发电机的额定参数以及等效电路参数(包括定子额定电压、定子额定电流、额定容量、额定功率因数、转子额定励磁电压、转子额定励磁电流、空载励磁电压、空载励磁电流以及待监测的发电机的定子定子绕组电阻ra、同步电抗xs、转子绕组匝数n等)。发电机从分布式控制系统(DCS)获得的的实时状态参量包括发电机定子相电压、相电流、有功功率、无功功率以及转子励磁电压、转子励磁电流等参数。
上述发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置采用的发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法为：根据发电机的历史数据构建发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，在对发电机进行匝间短路缺陷诊断时，基于发电机的定值参数、当前发电机的实时状态参量和预测模型计算得到当前发电机的理想励磁电流，并通过比较当前发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度。
发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法具体如下：
人机接口单元、数据获取单元分别获取发电机的定值参数和发电机的实时状态参量，然后分别传输给缺陷诊断与预警单元、数据计算单元。在数据计算单元中，根据发电机的历史数据并采用支持向量机模型构建发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型I'f＝f(E'0)。当需要对当前发电机进行匝间短路缺陷诊断时，在所获得待诊断的当前发电机的定值参数和实时状态参量后，在缺陷诊断与预警单元中，利用解析法模型
(U为发电机的相电压，
为发电机的相电流，I为发电机的定子电流，I为发电机的定子电流，ra为发电机的定子绕组电阻，xs为发电机的同步电抗)计算当前发电机的理想空载电动势E'0，再在数据计算单元中利用当前发电机的理想空载电动势E'0和预测模型I'f＝f(E'0)计算得到当前发电机的理想励磁电流I'f。接着在缺陷诊断与预警单元中将当前发电机的理想励磁电流I'f和实际励磁电流If进行比较，从而获得二者的偏差程度，进而确定发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度。当前发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度
当
(n为发电机的转子绕组匝数)时，发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷，且a％越大，则所发生的匝间短路缺陷的程度越严重。在发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷时，还可以对所发生的匝间短路缺陷的程度进行预警，通过人机接口单元显示预警相关的信息，如所发生的匝间短路缺陷的程度等。
在上述方案中，数据计算单元的预处理模块对实时状态参量进行的预处理包括数据筛选并剔除异常数据、对多路监测的实时数据进行软同步处理、将经处理后的状态数据作为特征提取模块的输入；特征提取模块将预处理后的发电机正常状态时状态参量的历史数据作为训练样本来构建发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型I'f＝f(E'0)，而在进行诊断时刻所需的当前发电机的理想空载电动势E'0可以通过缺陷诊断与预警单元计算得到，从而数据计算单元可以根据前发电机的理想空载电动势E'0预测此时当前发电机的理想励磁电流I'f。
上述方案将励磁电流法和虚功率法结合，并进一步结合数据驱动非线性建模技术，将汽轮发电机理想空载电动势精确建模的问题转化为一个多维时间序列的回归建模问题，利用汽轮发电机历史运行数据，建立其实时运行状态下的理想空载电动势与励磁电流之间的精确模型，研究汽轮发电机转子绕组匝间短路缺陷预警模型，从而对发电机转子绕组匝间短路缺陷进行检测及预警，其原理是：当发电机转子绕组发生匝间短路缺陷时，为保持发电机端电压稳定，发电机的自动励磁控制装置会自动调整励磁电压，从而调整此时的励磁电流If，导致实际励磁电流If偏离理想状态下的I'f，其偏离度与转子绕组匝间短路的匝数呈正相关。因此可以采用发电机正常状态时运行状态参量的历史数据作为训练样本，采用支持向量机模型建立理想励磁电流关于空载电动势的预测模型I'f＝f(E'0)，其中E'0可根据解析法模型
计算得到；进而通过评估实际If与理论I'f的偏离度对转子绕组匝间绝缘状态进行评估与预警。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法，用于对发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度进行检测，其特征在于：所述发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法为：根据所述发电机的历史数据构建所述发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，在对所述发电机进行匝间短路缺陷诊断时，基于所述发电机的定值参数、当前所述发电机的实时状态参量和所述预测模型计算得到当前所述发电机的理想励磁电流，并通过比较当前所述发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定所述发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度。
2.根据权利要求1所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法，其特征在于：采用支持向量机模型建立所述预测模型。
3.根据权利要求1所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法，其特征在于：在对所述发电机进行匝间短路缺陷诊断时，利用解析法模型
计算当前所述发电机的理想空载电动势E'0，其中，U为所述发电机的相电压，
为所述发电机的相电流，I为所述发电机的定子电流，ra为所述发电机的定子绕组电阻，xs为所述发电机的同步电抗，再基于当前所述发电机的理想空载电动势和所述预测模型计算得到当前所述发电机的理想励磁电流I'f。
4.根据权利要求1所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法，其特征在于：当前所述发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度
其中，I'f为当前所述发电机的理想励磁电流，If为当前所述发电机的实际励磁电流；当
时，所述发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷，且a％越大，则所发生的匝间短路缺陷的程度越严重，n为所述发电机的转子绕组匝数。
5.根据权利要求1所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测方法，其特征在于：在所述发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷时，对所发生的匝间短路缺陷的程度进行预警。
6.一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，用于对发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度进行检测，其特征在于：所述发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置包括：
人机接口单元，所述人机接口单元用于获取所述发电机的定值参数；
数据获取单元，所述数据获取单元用于获取所述发电机的实时状态参量；
数据计算单元，所述数据计算单元中建立有根据所述发电机的历史数据构建的所述发电机的理想励磁电流关于理想空载电动势的预测模型，用于基于当前所述发电机的理想空载电动势和所述预测模型计算得到当前所述发电机的理想励磁电流；
缺陷诊断单元，所述缺陷诊断单元用于基于所述发电机的定值参数、当前所述发电机的实时状态参量得到当前所述发电机的理想空载电动势，通过比较当前所述发电机的理想励磁电流和实际励磁电流的偏差程度而确定所述发电机的转子绕组是否发生匝间短路缺陷以及所发生的匝间短路缺陷的程度；
电源单元，所述电源单元用于为所述人机接口单元、所述数据获取单元、所述数据计算单元、所述缺陷诊断单元供电。
7.根据权利要求6所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，其特征在于：所述缺陷诊断单元还用于在所述发电机的转子绕组发生匝间短路缺陷时，根据所发生的匝间短路缺陷的程度进行发出相应的预警信号，所述人机接口单元还用于基于所述预警信号进行预警。
8.根据权利要求6所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，其特征在于：所述数据计算单元与所述发电机的分布式控制系统相连接而获取所述发电机的实时状态参量。
9.根据权利要求6所述的一种发电机转子绕组匝间短路缺陷在线检测装置，其特征在于：所述数据计算单元包括：
预处理模块，所述预处理模块用于对由所述数据获取单元获取的所述发电机的实时状态参量进行预处理；
特征提取模块，所述特征提取模块用于获取所述预处理模块进行预处理后得到的数据构建所述预测模型，并计算当前所述发电机的理想励磁电流。
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| Title |
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| 武玉才;袁浚峰;董晨晨;李永刚;: "汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法的精度改进研究", 华北电力大学学报(自然科学版), no. 05, 30 September 2016 (2016-09-30) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023159770A1 (zh) * | 2022-02-22 | 2023-08-31 | 华能铜川照金煤电有限公司 | 电机转子绕组状态检测系统及方法 |
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