基于無功相對(duì)偏差的無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷新判據(jù)

沈利平, 馬明晗, 李永清, 馬春泉, 馮雪萍

(1. 國(guó)家電網(wǎng)甘肅省電力公司 劉家峽水電廠,甘肅 永靖 731600；2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

基于無功相對(duì)偏差的無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷新判據(jù)

沈利平1, 馬明晗2, 李永清1, 馬春泉1, 馮雪萍1

(1. 國(guó)家電網(wǎng)甘肅省電力公司 劉家峽水電廠,甘肅 永靖 731600；2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

為了尋找到在線識(shí)別無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的新方法，通過對(duì)同步發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路后電磁特性和電氣參量的變化進(jìn)行分析，根據(jù)故障發(fā)生后勵(lì)磁電流增加而無功輸出量卻相對(duì)減少的特征，提出了利用計(jì)算和測(cè)量故障前后發(fā)電機(jī)輸出無功相對(duì)變化率，作為識(shí)別無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障嚴(yán)重程度的一個(gè)較為實(shí)用的方法。利用發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)組，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子繞組匝間短路；故障診斷判據(jù)；無功功率；相對(duì)偏差

0 引 言

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一種典型的電氣故障。目前此類故障的診斷方法根據(jù)其診斷的實(shí)時(shí)性可以分為離線方法和在線方法。離線方法如轉(zhuǎn)子交流阻抗法、RSO重復(fù)脈沖法等，多用于機(jī)組大修期間轉(zhuǎn)子的常規(guī)檢測(cè)，而在線檢測(cè)方法由于其具有實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)收线M(jìn)行早期診斷，避免故障擴(kuò)大，因此得到了更為廣泛的重視。

現(xiàn)階段主要的幾種轉(zhuǎn)子匝間短路在線診斷方法有：定子探測(cè)線圈法、勵(lì)磁電流法、定轉(zhuǎn)子振動(dòng)檢測(cè)法以及軸電壓法。

定子探測(cè)線圈法利用位于定轉(zhuǎn)子氣隙中的探測(cè)線圈，提取位于轉(zhuǎn)子表面的氣隙漏磁場(chǎng)并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行微分處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的檢測(cè)和定位。該方法最大的缺點(diǎn)是只適用于發(fā)電機(jī)在空載狀況下運(yùn)行，負(fù)載狀態(tài)下檢測(cè)準(zhǔn)確性明顯下降，屬于一種準(zhǔn)在線的檢測(cè)方法[1-3]。

勵(lì)磁電流法利用故障前后勵(lì)磁電流相對(duì)增加這一故障特征，對(duì)轉(zhuǎn)子匝間短路故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該方法主要缺陷在于其只適用于靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(有刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī))，對(duì)于目前大型機(jī)組廣泛采用的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī))無法適用[4]。

定轉(zhuǎn)子振動(dòng)檢測(cè)法利用轉(zhuǎn)子匝間短路故障引起的電磁不平衡造成的定轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇這一故障特征，對(duì)故障進(jìn)行在線識(shí)別。該方法的主要缺點(diǎn)在于引起定轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇的原因有很多，另外也可能多個(gè)故障疊加使得振動(dòng)無法顯現(xiàn)，所以使該方法存在應(yīng)用上的困難[5-7]。

美國(guó)人Paul I. Nippes最早將軸電壓用于診斷大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障，通過檢測(cè)軸電壓的波形幅值異常來診斷故障。之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者將此方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)子匝間短路故障的檢測(cè)上[8-9]。該方法能夠有效地檢測(cè)出匝間短路故障，但是引起軸電壓異常的故障有很多，且理論支持較為薄弱，限制了軸電壓法的使用。

除此之外，對(duì)于轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障識(shí)別的理論研究正廣泛開展，諸如通過定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流特性、定子振動(dòng)特性等[10-15]故障特征對(duì)故障進(jìn)行診斷。

總之，盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的在線檢測(cè)十分重視，但現(xiàn)有的各種方法在應(yīng)用中還是受到一定的制約，實(shí)際測(cè)試中得到的結(jié)果并不十分理想，發(fā)電廠發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障后未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而造成嚴(yán)重后果的事例屢見不鮮，因此有必要進(jìn)一步提高此類故障的診斷水平。

無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的軸端頭是一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子是發(fā)電繞組，發(fā)出的電流通過固定在發(fā)電機(jī)軸上的導(dǎo)線引導(dǎo)到固定在軸上的硅整流管，整流后的直流直接進(jìn)入轉(zhuǎn)子繞組。無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)原理圖如圖1所示。無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流電壓是監(jiān)測(cè)不到的，因此利用勵(lì)磁電流變化識(shí)別轉(zhuǎn)子匝間短路是不現(xiàn)實(shí)的。無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在核電機(jī)組、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)上普遍采用，因此對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)子匝間短路故障在線識(shí)別的研究是十分必要的。

圖1 無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)原理圖

本文首先對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的無功相對(duì)偏差判據(jù)進(jìn)行了理論上的推導(dǎo)，之后通過故障模擬機(jī)組試驗(yàn)對(duì)判據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了判據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。該判據(jù)同樣適用于有刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，并且較勵(lì)磁電流法具有更準(zhǔn)確的故障程度檢測(cè)能力。

1 無功相對(duì)偏差判據(jù)推導(dǎo)

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障會(huì)引起勵(lì)磁電流的增大，與此同時(shí)無功功率減少。對(duì)于無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁電流是不能實(shí)測(cè)的，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁是由勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁控制的，可以利用可測(cè)的勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，根據(jù)勵(lì)磁機(jī)及整流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出正常運(yùn)行情況下發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，能夠確定給出發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流、有功功率以及機(jī)端電壓值，進(jìn)而可以計(jì)算得到該狀態(tài)對(duì)應(yīng)的無功標(biāo)準(zhǔn)值Q，將其與無功測(cè)量值Q′比較求得其相對(duì)變化率。這一無功相對(duì)偏差值能夠作為檢測(cè)轉(zhuǎn)子匝間短路故障的診斷依據(jù)。

利用發(fā)電機(jī)無功變化作為判據(jù)識(shí)別轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的判據(jù)推導(dǎo)過程[16]：

由式(1)發(fā)電機(jī)派克方程入手：

其中：

代入派克方程得：

通常情況下，同步發(fā)電機(jī)的定子繞組電阻相較于定子繞組電抗很小，可以忽略不計(jì)，則式(4)和式(5)可寫成：

由式(2)、式(3)、式(6)和式(7)聯(lián)立可分別得到發(fā)電機(jī)有功及無功表達(dá)式：

若為隱極同步電機(jī)，xq=xd，則：

發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)

其中：

式中:Lδ——定子自感基值；

Ifdδ——轉(zhuǎn)子電流基值；

FD5-4型真空冷凍干燥機(jī)，美國(guó)西盟國(guó)際集團(tuán)；JSM-IT300LA型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社；D8 discover型X-射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司；IRTracer-100型傅立葉紅外光譜儀，日本SHIMADZU公司。

iδ——定子電流基值；

as——定子繞組支路數(shù)；

afd——各極勵(lì)磁繞組支路數(shù)；

τ——電機(jī)極距；

l——電機(jī)定子線棒有效長(zhǎng)度；

p——電機(jī)極對(duì)數(shù)；

wfd——轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)；

k0δfd1——?jiǎng)?lì)磁繞組基波繞組系數(shù)；

k0δ1——定子繞組基波繞組系數(shù)；

λd11——?dú)庀洞艑?dǎo)系數(shù)。

將式(13)～式(16)代入式(12)，得到發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)為

將式(17)代入式(11)得到發(fā)電機(jī)輸出無功和轉(zhuǎn)子匝數(shù)關(guān)系：

其中：

如果轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路，則無功輸出變?yōu)?/p>

式中: 加撇量——轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后發(fā)電機(jī)量值。

經(jīng)變換得到發(fā)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障前后轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)表達(dá)式：

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后短路程度判據(jù)為

由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)端口電壓在轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障前后保持不變:

該判據(jù)比無功變化相對(duì)值略微小一點(diǎn)，說明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障引起無功變化更大，如果是凸極發(fā)電機(jī)，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出無功公式，與隱極同步發(fā)電機(jī)相比，判據(jù)比無功相對(duì)值更小一點(diǎn)。另外在推導(dǎo)過程中沒有考慮發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)飽和影響，由于磁場(chǎng)飽和會(huì)引起磁場(chǎng)密度相對(duì)減小，無功輸出將減小，因此該判據(jù)數(shù)值會(huì)受其影響。如果發(fā)電機(jī)是欠勵(lì)運(yùn)行影響幾乎沒有，如果是過勵(lì)，影響程度隨過勵(lì)程度增加而增加。另外該判據(jù)也適應(yīng)于有刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

2 通過模擬機(jī)組試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障判據(jù)

因沒有無刷勵(lì)磁模擬發(fā)電機(jī)故障機(jī)組，因此采用華北電力大學(xué)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室有刷勵(lì)磁同步電機(jī)MJF-30-6型進(jìn)行轉(zhuǎn)子繞組匝間短路試驗(yàn)，驗(yàn)證新判據(jù)的準(zhǔn)確性。通過試驗(yàn)獲取電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，利用上述公式計(jì)算發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)(無故障)下的無功Q，然后測(cè)量不同轉(zhuǎn)子匝間短路故障下的無功Q′，并求出短路判據(jù)。具體步驟如下：

(1) 試驗(yàn)機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)下保持有功輸出不變；

(2) 從0%～20%調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的短路程度，并記錄調(diào)節(jié)過程中機(jī)組的各電氣參數(shù)；

(3) 計(jì)算各故障狀態(tài)下的短路判據(jù)值。

圖2 保持定子電流為20A時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路試驗(yàn)

由圖2可知，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路故障后，隨著短路程度的增加，勵(lì)磁電流不斷增加，無功功率不斷減小，勵(lì)磁電流判據(jù)和無功相對(duì)偏差判據(jù)隨之增加，具有較好的一致性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，可以看到無功相對(duì)偏差判據(jù)較勵(lì)磁電流判據(jù)具有更高的準(zhǔn)確性。

參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。表2是定子電流為20 A時(shí)的發(fā)電機(jī)電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)量在線記錄數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果。

表1 試驗(yàn)發(fā)電機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)

表2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障前后在線數(shù)據(jù)及判據(jù)

3 結(jié) 語

為了尋找在線識(shí)別無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的方法，本文從理論上對(duì)故障前后的發(fā)電機(jī)無功輸出進(jìn)行了推導(dǎo)，根據(jù)故障后無功功率減小的特征，建立了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路無功相對(duì)偏差的診斷模型。模型經(jīng)過故障模擬機(jī)組的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了判據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。該判據(jù)同樣適用于有刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，并且較勵(lì)磁電流法具有更準(zhǔn)確的故障程度檢測(cè)能力。

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NewCriteriononRotorWindingsInterTurnShort-CircuitFaultDiagnoseofBrushlessExcitationGeneratorBasedonReactivePowerRelativeDeviation

SHENLiping1,MAMinghan2,LIYongqing1,MAChunquan1,FENGXueping1

(1. Liujiaxia Hydropower Plant, Gansu Electric Power Company of State Grid Corporation of China,Yongjing 731600, China;2. Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to find a new method to the on-line identification of inter turn short-circuit fault of brushless excitation synchronous generator rotor, the change of electromagnetic properties was analysed and electrical parameters after the synchronous generator rotor windings occurred inter turn short-circuit. According to the characteristic that the exciting current was increasing and the reactive power output was decreasing relatively, a method was put forward which uses generator reactive power output relative change rate which was calculated or measured before and after the fault as a practical criterion for identification of the severity of brushless excitation synchronous generator rotor windings inter turn short-circuit fault. Finally, the relative experiment was carried out using the dynamic analog experiment unit.

brushlessexcitationsynchronousgenerator;rotorwindingsinterturnshort-circuit;faultdiagnosiscriterion;reactivepower;relativedeviation

沈利平(1968—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗姀S電氣。馬明晗(1990—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。

TM 341

A

1673-6540(2017)11- 0106- 05

2016 -12 -14