專利名稱：一種汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障在線診斷方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠在線診斷汽輪發(fā)電機轉子繞組是否存在匝間短路故障的方法，屬測試技術領域。
背景技術：
轉子繞組匝間短路是一種較常見的發(fā)電機故障，匝間短路故障容易引起局部過熱，最后導致轉子接地故障。此外，匝間短路引起轉子發(fā)熱不均勻，轉子彎曲和產生不平衡的磁拉力，所有這些故障還均能引起電機振動增加。由于轉子繞組匝間短路在初期階段對機組的正常運行影響不大或故障特征不明顯，往往容易被忽視，而隨著時間的增加，許多匝間短路故障會進一步發(fā)展，轉子繞組接地，導致惡性事故的發(fā)生，因此進行轉子繞組匝間短路故障的早期診斷是非常必要的。
目前，國內外針對發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障的檢測方法主要有(1)微分線圈動測法這種方法是將探測線圈裝在定子鐵芯的氣隙表面，此方法可以測量磁通的徑向分量和切向分量，并準確顯示出故障槽的位置。微分線圈動測法的不足之處是它只能在發(fā)電機空載或三相短路的情況下進行，并且測量時要求轉子處于旋轉狀態(tài)，安裝這種線圈需要的停機時間很長。
(2)回復波檢測法也稱作傳輸波分析法，它是在轉子繞組的兩端同時施加矩形脈沖，通過測量并放大反射脈沖之間的差異，即可產生特征信號。這種方法的最大缺點是必須培訓一個神經(jīng)網(wǎng)絡，而且脈沖必須能夠很容易進入轉子繞組，以檢測相鄰繞組間的短路點，在轉子處于正常運行時，由于容易損害電機并且拆卸費用較高，轉子繞組并不能很方便地進行短路試驗，從而無法獲得有效的培訓數(shù)據(jù)。
(3)開口變壓器法分單開口變壓器法和雙開口變壓器法，通過測量開口變壓器線圈上所感應的電勢獲得特征信號。單開口變壓器法和雙開口變壓器法的缺點是均不能應用于轉動狀態(tài)下檢測，需要在停機抽出轉子后才可以進行。
(4)交流阻抗和功率損耗法發(fā)生匝間短路故障時，對同一臺機組相同狀態(tài)下，阻抗值會發(fā)生突變，而功率損耗則相對升高。采用交流阻抗法時，由于交流阻抗法的測試結果受外部條件影響因素較多，檢測方法有很大的局限性，對判定較輕微的匝間短路故障有時不能獲得較準確結論，故不能作為判斷匝間短路的主要依據(jù)。
(5)直流電阻法直流條件下，轉子繞組電阻故障狀態(tài)的測量值比正常狀態(tài)的測量值明顯偏低。直流電阻法的缺點是靈敏度較低，只有在短路匝數(shù)較多時，直流電阻值才呈現(xiàn)明顯的變化。
(6)空載及短路特性試驗法利用發(fā)電機空載和短路特性試驗在正常或故障狀態(tài)下所測參數(shù)值與特征曲線的不同來判斷是否發(fā)生轉子繞組匝間短路故障?？蛰d與短路特性法對匝間短路故障的反映也不夠靈敏，只有在短路匝數(shù)較多時，特性曲線才有明顯變化。
這些傳統(tǒng)的檢測方法，大部分都不是在線檢測或者受到其他因素的干擾比較大，所以實際測試中得到的結果并不十分理想，而且檢測的靈敏度也不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足、提供一種操作簡便、靈敏度高的汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法。
本發(fā)明所述問題是以下述技術方案實現(xiàn)的一種汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，它通過在線實時采集發(fā)電機電氣參量數(shù)據(jù)，并根據(jù)某一運行工況下發(fā)電機的電氣參量數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、輸出電壓和輸出電流，反向計算轉子正常電流的理論值，然后求出勵磁電流的實測值與理論值的相對偏差，將此偏差作為發(fā)電機轉子繞組是否存在匝間短路故障的判據(jù)，作出發(fā)電機存在轉子匝間短路故障的診斷。
上述汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，包括以下步驟a、建立發(fā)電機神經(jīng)網(wǎng)絡模型在發(fā)電機正常運行時采集發(fā)電機運行參數(shù)，包括發(fā)電機勵磁電流Ifd、有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U信息。然后以有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U為輸入數(shù)據(jù)，以勵磁電流Ifd為輸出數(shù)據(jù)建立發(fā)電機神經(jīng)網(wǎng)絡模型，即用神經(jīng)網(wǎng)絡擬合Ifd與P、Q、U的關系表達式；b、當系統(tǒng)投入運行時，同步采集發(fā)電機勵磁電流Ifd′、有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U信息；c、計算勵磁電流Ifd將同步采集的有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U帶入步驟a所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，計算得到勵磁電流Ifdd、計算短路判據(jù)a％a%=|Ifd′-IfdIfd|]]>e、根據(jù)a％，對轉子繞組匝間短路故障的嚴重程度作出判斷，數(shù)值越大，短路越嚴重。
上述汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，設置閾值，如果a％＞閾值，轉子繞組匝間發(fā)生短路故障；如果a％≤閾值，轉子繞組無匝間短路故障，考慮到采集數(shù)據(jù)和發(fā)電機參數(shù)的誤差，所述閾值取4％～6％。
本發(fā)明通過深入分析發(fā)電機轉子勵磁繞組匝間短路故障時的電磁特性，提出以發(fā)電機運行工況對應的勵磁電流的理論值與實際采集的勵磁電流的相對誤差作為故障識別的依據(jù)，實現(xiàn)了在任意工況下利用現(xiàn)有的電氣參量進行檢測。判據(jù)的大小可直接反應短路故障的嚴重程度，短路越嚴重，判據(jù)越大，近似線性增加。本發(fā)明不必增加發(fā)電機新的監(jiān)測點，僅利用現(xiàn)有的電氣參量就能夠實現(xiàn)故障識別和故障嚴重程度的識別，不僅操作簡便，靈敏度高，而且大大降低了系統(tǒng)的投資成本。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。
圖1是本發(fā)明診斷程序流程圖；文中所用各符號的意義Lδ、定子自感基值，Lad、同步電機縱軸電樞反應電感系數(shù)，l、電機定子鐵心有效長度，τ、電機極距，p、電機極對數(shù)，iδ、定子電流基值，id、定子繞組電流的縱軸分量，iq、定子繞組電流的橫軸分量，i0、定子繞組電流的零軸分量，i1d、等效縱軸阻尼繞組電流，i1q、等效橫軸阻尼繞組電流，ia、定子繞組A相電流，ib、定子繞組B相電流，ic、定子繞組C相電流，Ifdδ、轉子電流基值，I1d、等效縱軸阻尼繞組電流，I1q、等效橫軸阻尼繞組電流，wfd、轉子繞組匝數(shù)，wfd、轉子繞組剩余匝數(shù)，w、定子繞組匝數(shù)，as、定子繞組支路數(shù)，afd、勵磁繞組支路數(shù)，k0δ1、定子基波繞組系數(shù)，k0δfd1、勵磁繞組基波繞組系數(shù)，λd11氣隙磁導系數(shù)，P、有功功率，Q、無功功率，Q’、發(fā)電機發(fā)生轉子繞組匝間短路故障后無功功率，U、發(fā)電機輸出電壓，U’、發(fā)電機發(fā)生轉子繞組匝間短路故障后輸出電壓，S、視在功率，S’、發(fā)電機發(fā)生轉子繞組匝間短路故障后視在功率，Ifd、勵磁電流計算值，Ifd′、發(fā)電機勵磁電流測量值，kifd、定子電流基值與轉子電流基值比，a％、勵磁電流實測值與理論值的相對偏差，Ψ、同步電機各繞組磁鏈矩陣，R、同步電機各繞組的電阻矩陣，I、同步電機各繞組電流矩陣，ω、電機的轉速，Ψ、，Ψq、同步電機定子繞組橫軸磁鏈，Ψd、同步電機定子繞組縱軸磁鏈，Ψ0、同步電機定子繞組零軸磁鏈，Ψfd、同步電機轉子繞組磁鏈，Ψ1d、等效縱軸阻尼繞組磁鏈，Ψ1q、等效橫軸阻尼繞組磁鏈，ud、定子繞組電壓的縱軸分量，uq、定子繞組電壓的橫軸分量，u0、定子繞組電壓的零軸分量，ufd、轉子勵磁繞組電壓，δ、發(fā)電機功角，r、定子繞組電阻，Rfd、勵磁繞組電阻，R1d、等效縱軸阻尼繞組電阻，R1q、等效橫軸阻尼繞組電阻，xd、縱軸同步電抗，xq、橫軸同步電抗，xad、縱軸電樞反應電抗，xaq、橫軸電樞反應電抗，x0、零軸同步電抗，xffd、勵磁繞組電抗，xf1d、勵磁繞組與縱軸阻尼繞組的互感抗，x11d、縱軸阻尼繞組電抗，x11q、橫軸阻尼繞組電抗，E、發(fā)電機空載電動勢，Mafd、定子A相繞組與勵磁繞組的總互感系數(shù)，Mafd0、定子A相繞組與勵磁繞組的總互感系數(shù)最大值，Δn、短路匝數(shù)，Mafd0′、定子A相繞組與勵磁繞組的總互感系數(shù)最大值的計算值， 正常條件下轉子繞組磁勢， 短路線匝產生的磁勢， 匝間短路合成磁勢，b、線匝計算百分比，Δn、轉子繞組線圈短路匝數(shù)。

圖1是本發(fā)明的診斷流程框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是在深入研究發(fā)電機轉子繞組匝間短路的電磁特性基礎上，得到了轉子匝間短路時發(fā)電機電氣量變化的特征在一定的運行條件下，轉子匝間短路故障將減弱有效磁場，雖引起轉子電流增大，但無功卻相對減少。因此可以將發(fā)電機一定運行工況下勵磁電流的理論計算值和實測值的相對誤差作為判據(jù)。
發(fā)電機轉子匝間短路電磁特性分析在一定的運行條件下，如果存在轉子匝間短路，由于勵磁繞組的有效匝數(shù)減少，為滿足氣隙合成磁通條件，勵磁電流必然增大。機組正常運行時，當略去開槽造成磁勢的少許不連續(xù)性，轉子磁勢的空間分布非常接近于梯形波。轉子的短路效應將會導致磁勢局部損失，從而使有短路磁極的磁勢峰值和平均值減少。造成的磁勢損失可用一個解析模型簡便表示，將匝間短路認為是退磁的磁勢分布，它反向作用在有短路磁極主磁場的磁勢上，即視為正常條件下的磁勢減去由短路引起的磁勢突變，采用疊加原理，可求出合成磁勢的大小。采用簡單的矢量表示，即 (用 表示正常條件下轉子繞組磁勢，用 表示短路線匝產生的磁勢，用 表示匝間短路合成磁勢)。有效磁場的減弱，會使對應的空載電勢較正常時有明顯的下降，在發(fā)電機輸出電壓保持恒定的情況下，無功損耗會相應下降。因此，轉子繞組匝間短路雖引起轉子電流增大，但無功卻相對減少，這一故障征兆可以作為識別轉子發(fā)生匝間短路故障的一個明顯的特征。
轉子繞組匝間短路故障診斷數(shù)學模型轉子繞組匝間短路的磁勢和電勢分析在分析發(fā)電機磁場時，往往認為磁場是不飽和的，磁動勢全部消耗在氣隙中；但是發(fā)電機通常運行在正常勵磁或過勵狀態(tài)，這時鐵心磁阻的作用明顯增強。在負載情況下，如果產生與空載狀態(tài)同樣的電勢，所需的磁勢要比空載時增加。這是因為要產生同樣的氣隙磁通，負載時轉子極間漏磁通增加，使得磁極比較飽和，磁阻增加，同時定子繞組漏磁通等的增加，也要引起主磁路磁阻的增加，因此利用空載曲線進行電磁特性分析時必須考慮飽和系數(shù)的影響。
在一定的運行條件下，如果存在轉子匝間故障，由于勵磁繞組有效匝數(shù)減少，為滿足氣隙合成磁通條件，勵磁電流必然增大。因此，可以只用測量發(fā)電機機端信息，如電壓、電流、有功功率、無功功率、勵磁電壓等，通過精確的數(shù)學模型計算出相應的勵磁電流，并與實測勵磁電流進行比較，從而判斷是否存在匝間短路及短路的嚴重程度?？梢缘玫秸l件下某一確定狀態(tài)(一定的輸出無功功率、有功功率及輸出電壓)的勵磁電流計算標準值Ifd，它和勵磁電流的實際測量值Ifd′比較，可以判斷是否發(fā)生發(fā)電機轉子繞組匝間短路故障。
判據(jù)|Ifd′-IfdIfd|=a%]]>a％是把計算誤差及測量誤差考慮在內的偏差相對值。
發(fā)電機發(fā)生轉子繞組匝間短路故障后短路判據(jù)的推導發(fā)電機發(fā)生轉子匝間短路后，由于有效磁場降低，輸出無功減小，此時把發(fā)電機的輸出狀態(tài)(包括有功功率、無功功率、電壓和電流一定)，看成是發(fā)電機正常(無轉子匝間短路)的運行結果，并反向計算轉子正常電流，那么前后兩者勵磁電流將出現(xiàn)偏差，此時的相對偏差可以作為繞組匝間短路故障后短路判據(jù)，以下是對這一判據(jù)的推導。
電機派克方程為U=pψ+RI+ω-ψqψd0000---(1)]]>其中U=uduqu0ufd00]]>ψ=ψdψqψ0ψfdψ1dψ1q]]>I=idiqi0IfdI1dI1q]]>R=-r000000-r000000-r000000Rfd000000R1d000000R1q]]>ψdψqψ0ψfdψ1dψ1q=-xd00xadxad00-xaq000xaq00x0000-xad00xffdxf1d0-xad00xf1dx11d00-xaq000x11qidiqi0IfdI1dI1q]]>假定在發(fā)電機穩(wěn)態(tài)對稱條件下帶有負載運行，功角為δ，那么邊界條件為i1d＝0，i1q＝0，i0=13(ia+ib+ic)=0]]>，ω＝1Ψd＝恒值，Ψq＝恒值，ud＝Usinδ，uq＝Ucosδ在實際的同步發(fā)電機中，定子電阻的值一般均很小，因此可以忽略，代入派克方程得發(fā)電機輸出有功功率及無功功率分別為P=udid+uqiq=EUxdsinδ+(1xq-1xd)U22sin2δ]]>Q=uqid-udiq=EUxdcosδ-(1xq-1xd)U22+(1xq-1xd)U22cos2δ]]>汽輪發(fā)電機為隱極發(fā)電機xq＝xd
P=EUxdsinδ]]>Q=EUxdcosδ-U2xd---(2)]]>發(fā)電機空載電動勢E＝xadIfd其中xad＝Lad＝MafdMafd=Mafd0Lδ1kifd]]>kifd=iδIfdδ]]>Mafd0=16τlpasafdπ2(wfdk0δfd1)(w2pk0δ1)λd11]]>則勵磁電流表達式為Ifd=π2asafdLδkifd8τwfdk0δfd1lk0δ1λd11wUxd2S2+2Qxd+U4---(3)]]>假定發(fā)電機發(fā)生轉子繞組匝間短路故障，短路匝數(shù)為Δn，則轉子繞組匝數(shù)變?yōu)閣fd′＝wfd-ΔnMafd0′=16τlpasafdπ2(wfd′k0δfd1)(w2pk0δ1)λd11]]>Ifd′=π2asafdLδkifd8τwfd′k0δfd1lk0δ1λd11wU′xd2S′2+2Q′xd+U′4]]>假定發(fā)電機發(fā)生轉子繞組匝間短路故障前后輸出有功功率及無功功率不變，勵磁電流相對變化率為Ifd′-IfdIfd=1wfd′-1wfd1wfd=wfdwfd′-1=wfd-wfd′wfd′=Δnwfd′---(4)]]>即短路判據(jù)為a%=Δnwfd′---(5)]]>如果轉子繞組匝數(shù)很大，可以認為wfd′≈wfd，短路判據(jù)變?yōu)閍%=Δnwfd]]>從判據(jù)表達式可以看出，短路嚴重程度和短路匝數(shù)之間有一種對應關系，短路越嚴重，判據(jù)越大，近似線性增加。
同時可以看出，該判據(jù)僅與轉子繞組剩余匝數(shù)wfd’和短路匝數(shù)為Δn有關，和發(fā)電機的輸出有功及無功功率無關，這一特征表明，對于同一臺汽輪發(fā)電機，匝間短路判據(jù)數(shù)值，不僅適用于發(fā)電機過勵狀態(tài)，而且適用于進相運行狀態(tài)。
系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過發(fā)電機的勵磁電流表的數(shù)字輸出端口采集發(fā)電機勵磁電流、通過功率表采集發(fā)電機有功功率、無功功率、電壓、電流等信息，然后將數(shù)據(jù)送至Nport4850，由其自帶內存緩沖存儲，數(shù)據(jù)由其輸出口發(fā)送到連在局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務器上，然后存人數(shù)據(jù)庫。
表1是某實驗機組轉子線圈發(fā)生匝間短路故障前后在線記錄數(shù)據(jù)及相對應轉子電流和判據(jù)計算值表1

表1中，“a％測量值”是實驗測量得到的數(shù)據(jù)，“a％計算值”是人為設置的轉子匝間短路程度。
權利要求
1.一種汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，其特征是，它通過在線實時采集發(fā)電機電氣參量數(shù)據(jù)，并根據(jù)一個運行工況下發(fā)電機的電氣參量數(shù)據(jù)，包括有功功率、無功功率、輸出電壓和輸出電流，反向計算轉子正常電流的理論值，然后求出勵磁電流的實測值與理論值的相對偏差，將此偏差作為發(fā)電機轉子繞組是否存在匝間短路故障的判據(jù)，作出發(fā)電機存在轉子匝間短路故障的診斷。
2.根據(jù)權利要求1所述汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，其特征是，它包括以下步驟a、建立發(fā)電機神經(jīng)網(wǎng)絡模型在發(fā)電機正常運行時采集發(fā)電機運行參數(shù)，包括發(fā)電機勵磁電流Ifd、有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U信息。然后以有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U為輸入數(shù)據(jù)，以勵磁電流Ifd為輸出數(shù)據(jù)建立發(fā)電機神經(jīng)網(wǎng)絡模型，即用神經(jīng)網(wǎng)絡擬合Ifd與P、Q、U的關系表達式；b、當系統(tǒng)投入運行時，同步采集發(fā)電機勵磁電流Ifd′、有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U信息；c、計算勵磁電流Ifd將同步采集的有功功率P、無功功率Q和輸出電壓U帶入步驟a所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，計算得到勵磁電流Ifd；d、計算短路判據(jù)a％a%=|Ifd′-IfdIfd|;]]>e、根據(jù)a％，對轉子繞組匝間短路故障的嚴重程度作出判斷，數(shù)值越大，短路越嚴重。
3.根據(jù)權利要求2所述汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，其特征是，設置閾值，若a％＞閾值，轉子繞組匝間發(fā)生短路故障；若a％≤閾值，轉子繞組無匝間短路故障，所述閾值取4％～6％。
全文摘要
一種汽輪發(fā)電機轉子繞組匝間短路在線診斷方法，屬測試技術領域，用于解決在線診斷轉子繞組匝間短路故障的問題。其技術方案是它通過在線實時采集發(fā)電機電氣參量數(shù)據(jù)，并根據(jù)某一運行工況下發(fā)電機的電氣參量數(shù)據(jù)，反向計算轉子正常電流的理論值，然后求出勵磁電流的實測值與理論值的相對偏差，將此偏差作為發(fā)電機轉子繞組是否存在匝間短路故障的判據(jù)，作出存在匝間短路故障的診斷。本發(fā)明不必增加發(fā)電機新的監(jiān)測點，僅利用現(xiàn)有的電氣參量就能夠實現(xiàn)故障和故障嚴重程度的識別，不僅操作簡便，靈敏度高，而且大大降低了系統(tǒng)的投資成本。
文檔編號G01R31/02GK101017191SQ20071006155
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月1日 優(yōu)先權日2007年3月1日
發(fā)明者李永剛, 李和明, 萬書亭 申請人:華北電力大學