基于頻率切片小波包分析的發(fā)電機(jī)匝間輕微絕緣故障辨識(shí)方法

華電福新能源有限公司華安水力發(fā)電廠 魏友金 林春斌 張?jiān)t昌 葉旭嵐

南京瓦瑞電力科技有限公司 許海洋 羅永生

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作時(shí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力，加上流過(guò)的電流大，有時(shí)還會(huì)流過(guò)短路電流，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較大，造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部變形[1]，并極有可能發(fā)展為匝間短路故障，這種故障在初期不明顯，準(zhǔn)確辨識(shí)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障具有重要意義。

對(duì)繞組匝間絕緣的準(zhǔn)確判斷多年以來(lái)都是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。已經(jīng)提出的診斷方法有轉(zhuǎn)子直流電阻法、交流阻抗法、探測(cè)線圈法和重復(fù)脈沖法(Repetitive surge oscillograph，RSO)等，但直流電阻法、交流阻抗法和探測(cè)線圈法存在靈敏度低等問(wèn)題；重復(fù)脈沖法則可以通過(guò)分析特征曲線判斷轉(zhuǎn)置繞組是否存在絕緣故障，由于上述判斷是依據(jù)重復(fù)脈沖的行波傳播過(guò)程的特征，因此研究其在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的響應(yīng)特性尤為重要。

1 重復(fù)脈沖法改進(jìn)方法

1.1 RSO 基本原理

RSO 基本原理是在轉(zhuǎn)子兩端同時(shí)注入高頻脈沖信號(hào)，考慮到轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)特征，可以將其集總參數(shù)模型作為等效，注入高頻信號(hào)（圖1）。高頻重復(fù)脈沖信號(hào)通過(guò)各匝線圈以某一速度向?qū)?cè)傳播，圖1中，Lw為轉(zhuǎn)子繞組線圈電感，正常運(yùn)行時(shí)各匝線圈電感均相同，M(k-1,k)為線圈間互感；Ctk為線圈匝間電容、Cg,k，Rg,k分別為線圈各匝對(duì)地雜散電容和絕緣電阻、Rw為繞組各匝線圈電阻，Rtk為線圈匝間絕緣電阻。

圖1 發(fā)電機(jī)繞組等效模型

由于轉(zhuǎn)子繞組對(duì)稱，兩端所施加的重復(fù)脈沖信號(hào)以一定的頻率在繞組兩端交替?zhèn)鞑ァＨ绻麩o(wú)故障則會(huì)測(cè)得兩個(gè)完全一樣的波形，當(dāng)存在繞組匝間短路點(diǎn)時(shí)，不同位置處，兩側(cè)行波發(fā)生反射、折射的時(shí)刻及程度也不相同，所以繞組匝間的波形信號(hào)中含有匝間短路故障信息，RSO 原有算法則是通過(guò)對(duì)反射信號(hào)與模擬匝間短路的故障曲線加以對(duì)比，判斷匝間絕緣損壞情況。這種方法需要首先得到匝間短路的故障曲線數(shù)據(jù)，且當(dāng)匝間絕緣破損輕微時(shí)這種對(duì)比區(qū)別不明顯。

1.2 頻率切片小波能量譜分析

忽略非相鄰繞組匝間互感，在繞組匝間絕緣完好時(shí)，圖1所示的各匝線圈的絕緣電阻與匝間電容都不會(huì)相差很大，但絕緣破損后上述兩個(gè)參數(shù)將發(fā)生變化，造成阻抗變化不連續(xù)，當(dāng)匝間短路不在轉(zhuǎn)子繞組的正中間時(shí)，反射波到達(dá)轉(zhuǎn)子兩端后會(huì)呈現(xiàn)不同的合成波形。匝間電容的變化會(huì)影響到暫態(tài)電壓信號(hào)的反射波振蕩頻率，采用小波包能量譜的方法對(duì)暫態(tài)波形進(jìn)行分析，可通過(guò)一致性檢查來(lái)辨別絕緣破損或異常的線匝，而無(wú)需提前知曉正常情況下的電壓信號(hào)波形。頻率切片小波變換具有更高的時(shí)頻分辨率，可利用這一點(diǎn)進(jìn)行絕緣參數(shù)及其變化的辨識(shí)：

2 暫態(tài)響應(yīng)信號(hào)的功率譜分析

應(yīng)用小波變換的具有的時(shí)頻兩域都辨識(shí)信號(hào)局部特征的能力，可以對(duì)兩側(cè)重復(fù)脈沖信號(hào)在繞組匝間的暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行功率譜特征提取，由粗及精地逐步觀察信號(hào)，確定其故障點(diǎn)位置。頻率切片小波變換(Frequency Slice Wavelet Transform,FSWT)的方法因同時(shí)具備了快速傅里葉變換與小波變換兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，并且FSWT 引入了尺度因子和頻率切片函數(shù)(Frequency Slice function,FSF)，可以使信號(hào)同時(shí)在時(shí)頻域上得到良好的描述，在此可使用FSWT 方法對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣故障進(jìn)行診斷。

具體步驟如下：根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際參數(shù)，搭建轉(zhuǎn)子繞組等效集總參數(shù)模型，并輸入電壓波形數(shù)據(jù)，獲取繞組絕緣正常情況下的各繞組匝間暫態(tài)響應(yīng)波形，以驗(yàn)證集總參數(shù)模型的正確性；在等效電路的兩端發(fā)送高頻重復(fù)脈沖信號(hào)，記錄轉(zhuǎn)子繞組正常情況下的暫態(tài)響應(yīng)波形，并對(duì)其進(jìn)行FSWT 分析，作為故障后的參照對(duì)比；選取某一匝線圈等值參數(shù)，根據(jù)絕緣老化的規(guī)律，分別設(shè)置匝間參數(shù)的變化梯度，注入高頻重復(fù)脈沖信號(hào)，得到一系列匝間絕緣破損直至擊穿后的匝間電壓暫態(tài)響應(yīng)波形參數(shù)；利用小波變換對(duì)匝間電壓響應(yīng)波形進(jìn)行功率譜分析，對(duì)比各匝間電壓頻譜分析結(jié)果，確定絕緣故障位置。

3 算例分析

某汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有10個(gè)槽，理想狀態(tài)下，認(rèn)為各槽漏磁通在感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，不考慮噪聲和不影響問(wèn)題本質(zhì)的基礎(chǔ)下，搭建轉(zhuǎn)子繞組仿真模型如圖2所示：

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組集總參數(shù)模型

圖3 轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)RSO 暫態(tài)響應(yīng)波形

分別取第1、2匝間絕緣輕微破損故障，其匝間絕緣電阻和電容變化率在10%左右，則可分別得到FSWT 的分析結(jié)果如圖4、圖5所示：

圖4 轉(zhuǎn)子繞組絕緣正常仿真信號(hào)的FSWT 結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣輕微破損仿真信號(hào)的FSWT 結(jié)果

對(duì)比圖4和圖5可以明顯地看到，當(dāng)匝間絕緣存在輕微破損導(dǎo)致等值電路中的匝間電容與電阻變化10%以內(nèi)時(shí)，采用切片頻率方法可以很明顯的表征出頻率變化的波動(dòng)性，故可以判斷出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組存在絕緣故障。

綜上，本文基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組等效模型，提出對(duì)重復(fù)脈沖振蕩暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行頻率切片小波變化的方法，以便對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)極電壓信號(hào)進(jìn)行分析，以突出故障特征、提高絕緣破損的辨識(shí)程度，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。