調(diào)相機(jī)故障診斷及研究進(jìn)展*

李俊卿, 黃 濤, 張承志

(華北電力大學(xué) 電力工程系,河北 保定 071003)

0 引 言

我國(guó)能源資源與電力負(fù)荷呈逆向分布,高壓輸電距離長(zhǎng)、容量大和區(qū)域廣的特點(diǎn)突出。其中直流特高壓輸電具有輸送容量大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠和輸電損耗小等突出優(yōu)勢(shì),得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-2]。

特高壓直流輸電系統(tǒng)只能傳輸有功功率,無(wú)法向交流電網(wǎng)傳輸無(wú)功功率。當(dāng)交流電網(wǎng)的無(wú)功儲(chǔ)備不足或短路容量較小時(shí),就可能出現(xiàn)換相失敗和直流閉鎖問(wèn)題,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,在特高壓直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè),需要大量的動(dòng)態(tài)無(wú)功以確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。同步調(diào)相機(jī)因其優(yōu)良的動(dòng)態(tài)無(wú)功響應(yīng)能力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,在特高壓直流輸電系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

同步調(diào)相機(jī)分別安裝于特高壓直流輸電系統(tǒng)的送端與受端,以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。特高壓直流輸電系統(tǒng)的送端有時(shí)會(huì)產(chǎn)生直流閉鎖故障,剩余大量的感性無(wú)功,造成暫態(tài)過(guò)電壓,此時(shí)的調(diào)相機(jī)運(yùn)行于欠勵(lì)磁狀態(tài),以吸收感性無(wú)功為主;在受端容易出現(xiàn)逆變器換相失敗,造成電網(wǎng)的無(wú)功功率不足,繼而引起電網(wǎng)電壓下降,此時(shí)的調(diào)相機(jī)運(yùn)行于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài),以發(fā)出感性無(wú)功為主。

盡管新一代大容量同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)間尚短,但因?yàn)槠淙萘看笄医Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生故障。一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致交流電網(wǎng)無(wú)功功率嚴(yán)重不足,進(jìn)而發(fā)生大規(guī)模電壓跌落甚至脫網(wǎng)現(xiàn)象,影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。目前對(duì)于同步調(diào)相機(jī)故障診斷的研究仍然處于理論研究與試驗(yàn)室仿真驗(yàn)證階段,距離實(shí)際應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)還有著距離,但其存在的缺陷已逐漸暴露出來(lái)。因此,對(duì)同步調(diào)相機(jī)的故障診斷研究具有十分重要的意義。

目前,由于同步調(diào)相機(jī)投入使用的時(shí)間尚短,對(duì)于相關(guān)故障參數(shù)的收集存在較大困難。其次,實(shí)際運(yùn)行中的同步調(diào)相機(jī)故障模擬測(cè)試耗費(fèi)巨大,且存在安全隱患。所以目前對(duì)同步調(diào)相機(jī)的故障特性分析,主要是從計(jì)算機(jī)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)室模擬分析兩方面入手。其中,試驗(yàn)室構(gòu)建實(shí)際物理模型并模擬故障狀態(tài)的方法可模擬的故障范圍小,而計(jì)算機(jī)仿真能夠定性定量地分析各種故障特征,且容易修改相關(guān)參數(shù),因此成為研究同步調(diào)相機(jī)故障診斷的主要方法。

本文分析總結(jié)了同步調(diào)相機(jī)繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子偏心、水路堵塞和軸承故障等的產(chǎn)生原因、特征、診斷技術(shù)以及研究趨勢(shì),對(duì)今后的同步調(diào)相機(jī)故障診斷研究有一定的參考價(jià)值。

1 同步調(diào)相機(jī)的典型故障分析

1.1 定子匝間短路故障

同步調(diào)相機(jī)是大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定子匝間短路是其常見(jiàn)故障之一,絕緣破壞、機(jī)械振動(dòng)過(guò)大均有可能造成此故障。

定子匝間短路故障的發(fā)生往往伴隨著大電流,調(diào)相機(jī)可能發(fā)生過(guò)熱,加大絕緣破壞程度,進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定等更大事故。同步調(diào)相機(jī)定子匝間短路示意圖如圖1所示。圖1中,ia、ib、ic為定子A、B、C三相電流;r為匝間短路點(diǎn)的接觸電阻;isc為流過(guò)接觸電阻的短路電流。

圖1 同步調(diào)相機(jī)定子匝間短路示意圖

針對(duì)同步調(diào)相機(jī)定子匝間短路的故障特征和故障診斷研究主要集中于匝間短路前后的振動(dòng)信號(hào)和電信號(hào)。振動(dòng)傳感器的安裝位置和環(huán)境噪聲會(huì)影響診斷的精確性。相較于振動(dòng)信號(hào),通過(guò)分析電信號(hào)進(jìn)行故障診斷則具有更高的穩(wěn)定性以及更低的成本。

同步調(diào)相機(jī)在進(jìn)行定子匝間短路故障診斷的過(guò)程中需要考慮勵(lì)磁電流變化對(duì)故障特征的影響。文獻(xiàn)[3]研究了同步調(diào)相機(jī)定子匝間短路故障后的振動(dòng)特性,并考慮了欠勵(lì)磁、過(guò)勵(lì)磁以及勵(lì)磁電流的變化對(duì)故障特征的影響。同步調(diào)相機(jī)發(fā)生定子匝間短路故障時(shí),定子振動(dòng)的100 Hz、200 Hz和300 Hz分量會(huì)變大。此外,故障特征分量的幅值將隨著定子匝間短路故障的惡化而增加。無(wú)論是在欠勵(lì)磁下還是在過(guò)勵(lì)磁下,此規(guī)則都是適用的。而定子振動(dòng)的300 Hz分量隨著勵(lì)磁電流的增大,在欠勵(lì)磁狀態(tài)下隨之降低;在過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)下隨之增加。100 Hz、200 Hz分量始終隨著勵(lì)磁電流的增大而增大。

目前,更多文獻(xiàn)將調(diào)相機(jī)定子匝間短路的故障特征研究集中于無(wú)功功率和電流等電信號(hào)。在欠勵(lì)磁狀態(tài)下,定子匝間短路會(huì)使吸收的無(wú)功功率與故障相電流增大,且幅度隨著故障程度的加深而增大,勵(lì)磁電流的增加會(huì)降低吸收的無(wú)功功率與故障相電流;在過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)下,定子匝間短路會(huì)使輸出無(wú)功功率與故障相電流減少,且減少幅度隨著故障程度的加深而增大,勵(lì)磁電流的增加會(huì)使調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)輸出的無(wú)功功率與故障相電流增大[3]。而從電信號(hào)的諧波出發(fā),故障特征分量因運(yùn)行工況的改變而造成的變化趨勢(shì)不同的問(wèn)題可以得到改善。文獻(xiàn)[4]提出以相電流的三次諧波作為診斷定子繞組匝間短路故障和識(shí)別故障相的指標(biāo)。相電流的三次諧波不受勵(lì)磁電流的影響,始終隨短路程度的增大而增大,且故障相電流中的三次諧波大于其他兩相,能對(duì)故障發(fā)生相實(shí)現(xiàn)判別[4]。文獻(xiàn)[5]則利用勵(lì)磁電流中的二次諧波診斷定子匝間短路故障。該方法不需要調(diào)相機(jī)的參數(shù),因此可以提高故障診斷方法的魯棒性;也不需要定子側(cè)的電流和電壓信息,因此可以減小電網(wǎng)側(cè)的影響[5]。但利用電信號(hào)的諧波作為故障診斷依據(jù),還需要考慮是否與其他類型的故障存在交叉問(wèn)題。例如,文獻(xiàn)[6]提出了基于瞬時(shí)功率偶次諧波幅值的診斷方法。研究發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)功率中100 Hz的諧波分量幅值增大量最為突出,對(duì)輕微定子匝間短路有很好的診斷效果。但文獻(xiàn)[6]沒(méi)有對(duì)調(diào)相機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路情況下診斷有效性進(jìn)行驗(yàn)證,事實(shí)上轉(zhuǎn)子匝間短路也會(huì)造成瞬時(shí)功率偶次諧波增大,因此可能發(fā)生誤判[7]。

除此之外,也有學(xué)者從不同物理量之間的關(guān)系出發(fā),對(duì)調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于相電流與勵(lì)磁電流之比的故障指示器(FI)。FI通過(guò)V形曲線不斷更新不同勵(lì)磁電流下的參數(shù),因此也能夠消除勵(lì)磁電流的干擾,并能對(duì)定子匝間短路早期故障進(jìn)行診斷[8]。文獻(xiàn)[9]利用勵(lì)磁電流與各相電流之間的關(guān)系進(jìn)行故障診斷。勵(lì)磁電流與故障相的相電流在不同程度的定子匝間短路故障下始終保持線性關(guān)系,而與非故障相的相電流則呈現(xiàn)非線性關(guān)系。隨著故障程度的加深,這種非線性程度也不斷加大,可由此判別故障相及其故障程度。以上兩種方法不需要侵入調(diào)相機(jī)內(nèi)部,便于在工程實(shí)際中應(yīng)用。文獻(xiàn)[10-11]則從故障相的故障支路與非故障支路間電流的關(guān)系出發(fā),分析了調(diào)相機(jī)定子匝間短路故障發(fā)生時(shí)故障相支路電流的變化。調(diào)相機(jī)故障相故障支路的電流增大,故障相的非故障支路電流減小,兩支路電流之間出現(xiàn)較大的相位差。故障相支路電流間的相位差要遠(yuǎn)大于非故障相支路電流間的相位差,且隨著故障程度的加深,相位差的程度也不斷加大。這種基于故障相支路電流間相位差的診斷方法基本不隨運(yùn)行工況的改變而變化,可靠性好,理論上可以實(shí)現(xiàn)定子繞組匝間短路的故障相定位。但當(dāng)前投運(yùn)的同步調(diào)相機(jī),定子每相的兩條支路上并沒(méi)有安裝電流傳感器,因此該方法目前在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn)[12]以電樞電流與勵(lì)磁電流所形成的V形曲線偏移程度診斷調(diào)相機(jī)定子匝間短路故障。發(fā)生定子繞組匝間短路故障時(shí),故障相的故障支路電樞電流增大,其V形曲線會(huì)向上偏移,而故障相的非故障支路的電樞電流降低,其V形曲線會(huì)向下偏移,故障相整體V形曲線呈向上偏移的趨勢(shì);非故障相V形曲線的偏移趨勢(shì)與故障相的整體偏移趨勢(shì)相同。此種方法無(wú)需增加新的測(cè)點(diǎn),在過(guò)勵(lì)磁的情況下更容易識(shí)別定子匝間短路故障。文獻(xiàn)[13-14]則從零序電壓基波分量和定子電流之間的關(guān)系出發(fā),以零序電壓基波分量的幅值是否大于閾值來(lái)判斷是否發(fā)生定子繞組短路故障,再用零序電壓基波分量和故障相的相電流之間的最小相位差來(lái)確定故障相。故障程度、位置以及運(yùn)行工況的改變均不影響故障識(shí)別與故障相定位的準(zhǔn)確性。

目前,也有運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)調(diào)相機(jī)定子匝間短路進(jìn)行故障診斷的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于改進(jìn)K均值聚類算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷算法并可以用于調(diào)相機(jī)的定子繞組匝間短路。文獻(xiàn)[16]通過(guò)能量全連接層學(xué)習(xí)故障信號(hào)的特征分量,增強(qiáng)信號(hào)的瞬態(tài)特征,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)壓縮,對(duì)有效特征進(jìn)行分布式映射,通過(guò)試驗(yàn)證明這種診斷方法具有較高的診斷正確率。文獻(xiàn)[17]針對(duì)調(diào)相機(jī)輕微定子匝間短路故障難以辨識(shí)的問(wèn)題,提出了基于稀疏深度森林的調(diào)相機(jī)輕微定子匝間短路故障診斷方法。將定子電流的1、3、5、7次諧波幅值作為預(yù)特征,再利用稀疏濾波網(wǎng)絡(luò)將特征信息增強(qiáng),然后在深度森林中引入XGBoost和邏輯回歸的基學(xué)習(xí)器,具有較高的診斷精度與效率[17]。

綜上所述,對(duì)于調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障診斷大多以對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行機(jī)理分析為主。定子匝間短路的故障特征主要為定子振動(dòng)信號(hào)中的諧波分量變化,定子相電流或者支路電流的幅值、相位差和諧波含量的變化,無(wú)功功率的變化以及V形曲線的變化等。對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷具有準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 轉(zhuǎn)子匝間短路故障

對(duì)于大型同步調(diào)相機(jī),其轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在初期并不嚴(yán)重,調(diào)相機(jī)可以運(yùn)行。然而若工作條件不佳,如定子三相電壓不對(duì)稱,其負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感生倍頻電流,從而使短路環(huán)電流增大,短路點(diǎn)溫度上升,相鄰繞組絕緣老化加快。因此若有輕微轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的調(diào)相機(jī)繼續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重故障,進(jìn)而給電網(wǎng)造成巨大損失。

同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路示意圖如圖2所示。其中,Ees為勵(lì)磁系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì),Res為勵(lì)磁系統(tǒng)電阻,Zsc為短路部分阻抗,Rfkl為短路接觸電阻,if、ifkl分別為勵(lì)磁電流與勵(lì)磁短路電流。

圖2 同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路示意圖

文獻(xiàn)[18-19]推導(dǎo)了短路匝數(shù)與轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流之間的關(guān)系,提出了可以通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流來(lái)初步判斷轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的嚴(yán)重程度。此外,文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了小波模型提取出故障信號(hào)的特征能量值,輸入徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)[20]發(fā)現(xiàn)在發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路后會(huì)引起調(diào)相機(jī)偶數(shù)次諧波磁場(chǎng)增強(qiáng),定子鐵心的穿心螺桿與支持筋上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都出現(xiàn)了偶次諧波。根據(jù)偶次諧波電壓之和與基波比值診斷調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障,根據(jù)兩穿心螺桿疊加感應(yīng)電勢(shì)波形上突變點(diǎn)的位置判斷故障槽的位置,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷和定位[20]。文獻(xiàn)[21]還研究了換相失敗前后,帶轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障運(yùn)行的調(diào)相機(jī)氣隙磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子所受不平衡磁拉力的變化特征。文獻(xiàn)[21]發(fā)現(xiàn)當(dāng)僅發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí),同步調(diào)相機(jī)氣隙磁密產(chǎn)生畸變,氣隙磁密中出現(xiàn)了偶次諧波,調(diào)相機(jī)中產(chǎn)生了不平衡磁拉力。而當(dāng)換相失敗也發(fā)生時(shí),同步調(diào)相機(jī)氣隙磁密偶次諧波含量與不平衡磁拉力兩故障特征較之前更突出,可以用于診斷轉(zhuǎn)子繞組上發(fā)生的輕微匝間短路故障[21]。

除以上從電磁角度分析轉(zhuǎn)子匝間短路的故障診斷方法外,文獻(xiàn)[22]從溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的角度分析了大型水內(nèi)冷電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷水系統(tǒng)堵塞和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障。研究發(fā)現(xiàn)兩類故障都會(huì)引起轉(zhuǎn)子溫度畸變,并且故障處的畸變最為明顯。除此之外,僅發(fā)生水路堵塞的溫升要比兩類故障共同發(fā)生的溫升高,水路堵塞也會(huì)導(dǎo)致故障處熱應(yīng)力增大[22]。

此外,也有學(xué)者對(duì)故障特征信號(hào)進(jìn)行處理后直接診斷或者利用算法進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[23]建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析,結(jié)果表明有較高的診斷正確率與較少的診斷時(shí)間。文獻(xiàn)[24]采用有限元方法模擬了同步調(diào)相機(jī)存在轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)發(fā)生換向故障前后的氣隙磁通密度、轉(zhuǎn)子振動(dòng)和定子振動(dòng)等信號(hào),然后利用DS證據(jù)理論對(duì)故障特征進(jìn)行融合,可診斷調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子繞組弱匝間短路故障。

綜上,關(guān)于同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障分析主要集中于故障特征和故障診斷方法的研究。轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征主要為勵(lì)磁電流的變化、氣隙磁密中的二次諧波、轉(zhuǎn)子受到不平衡電磁力和轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的變化等。故障診斷主要有基于故障特征的直接診斷和通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法進(jìn)行診斷兩種方式。

1.3 轉(zhuǎn)子靜、動(dòng)偏心故障

由于制造工藝不足或者受到電網(wǎng)沖擊致使同步調(diào)相機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙分布不均的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)子偏心。而根據(jù)偏心發(fā)生后導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心不同,又可以將轉(zhuǎn)子偏心分為靜偏心、動(dòng)偏心和混合偏心。

靜偏心,也稱安裝偏心,主要由于電機(jī)定子安裝不當(dāng)或本身不均勻造成的。轉(zhuǎn)子發(fā)生靜偏心時(shí)軸承位置發(fā)生變化,轉(zhuǎn)子繞偏心后軸承中心旋轉(zhuǎn),氣隙最小長(zhǎng)度位置不變。動(dòng)偏心,又稱為質(zhì)量偏心,是由電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)生彎曲、軸承磨損等引起的。轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心發(fā)生后轉(zhuǎn)軸仍繞偏心前軸承中心旋轉(zhuǎn),氣隙最小長(zhǎng)度位置隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變?；旌掀?又稱動(dòng)靜混合偏心,靜偏心、動(dòng)偏心故障同時(shí)發(fā)生時(shí)稱為混合偏心。靜偏心、動(dòng)偏心示意圖如圖3和圖4所示。圖3和圖4中,αm為調(diào)相機(jī)的機(jī)械角,t為時(shí)間,g(αm,t)為調(diào)相機(jī)的氣隙。

圖3 同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心示意圖

圖4 同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心示意圖

目前,對(duì)轉(zhuǎn)子偏心故障的研究主要集中于調(diào)相機(jī)的電磁特性和振動(dòng)特性兩方面。文獻(xiàn)[25]分析了同步調(diào)相機(jī)在轉(zhuǎn)子偏心作用下的電磁特性。當(dāng)同步調(diào)相機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子偏心故障時(shí),氣隙磁通密度的偶次諧波明顯增加,其中二次諧波增加最快。同時(shí),電磁力的2倍頻率分量明顯變得更大,并且該特征量隨著偏心度的增加而增加。電磁轉(zhuǎn)矩將隨著偏心率的增加而減小,但電磁轉(zhuǎn)矩的高頻諧波將隨著偏心率的增加而增加。文獻(xiàn)[26-27]從同步調(diào)相機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子偏心故障的振動(dòng)特性出發(fā),發(fā)現(xiàn)靜態(tài)偏心故障造成的振動(dòng)頻率以二倍頻的偶次諧波為主,二倍頻振動(dòng)幅值增大;而動(dòng)偏心故障的振動(dòng)頻率以基波為主,各個(gè)倍頻振動(dòng)幅值均有增大,故障程度越高,幅值增長(zhǎng)越大。

除單一分析電磁特性和振動(dòng)特性外,也有學(xué)者對(duì)這兩個(gè)特性進(jìn)行綜合考慮來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)子偏心故障進(jìn)行診斷研究。文獻(xiàn)[28]提出了基于磁密諧波和振動(dòng)特征的大型調(diào)相機(jī)動(dòng)態(tài)偏心故障診斷方法。研究發(fā)現(xiàn)偏心后氣隙磁密出現(xiàn)偶次諧波,定子出現(xiàn)奇數(shù)倍頻振動(dòng)的故障特征,兩故障特征都隨故障程度的增加而增加。利用兩故障特征結(jié)合的診斷方法不受運(yùn)行狀態(tài)的影響,更加準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[29]對(duì)調(diào)相機(jī)偏心故障下氣隙磁密、不平衡電磁力以及定轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性進(jìn)行了分析,并綜合比較了快速傅里葉變換、加窗傅里葉變換、小波分析及小波包分析在信號(hào)特征提取上的特點(diǎn),提出了基于小波包-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷算法。

除上述對(duì)單一轉(zhuǎn)子偏心故障診斷研究外,也有學(xué)者對(duì)包含轉(zhuǎn)子偏心故障的復(fù)合故障進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[30-31]從氣隙磁密和轉(zhuǎn)子不平衡磁拉力的角度出發(fā),分析了換相失敗和轉(zhuǎn)子匝間短路下的靜偏心故障特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)復(fù)合故障會(huì)使得氣隙磁通密度和不平衡磁拉力的故障特征進(jìn)一步擴(kuò)大,且在復(fù)合故障出現(xiàn)時(shí),振動(dòng)響應(yīng)曲線會(huì)變得更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[32]對(duì)強(qiáng)勵(lì)極端穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心和匝間短路引發(fā)的磁場(chǎng)不平衡和電磁力進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)兩類故障都引起磁場(chǎng)不平衡,轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心引起的不平衡電磁力增幅較小,而轉(zhuǎn)子繞組匝間短路會(huì)引起不平衡電磁力增加數(shù)倍[32]。文獻(xiàn)[33]研究了轉(zhuǎn)子偏心、定子繞組匝間短路及其復(fù)合故障下大型同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)故障特性。在偏心故障導(dǎo)致的定子并聯(lián)支路環(huán)流頻率方面,靜態(tài)偏心以基波為主,動(dòng)態(tài)偏心以偶次諧波為主[26]。選擇定子繞組并聯(lián)支路環(huán)流和無(wú)功功率輸出作為區(qū)分故障的指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)比較定子繞組循環(huán)電流和無(wú)功功率的波形、FFT頻譜和大小來(lái)區(qū)分這些故障。

綜上所述,調(diào)相機(jī)的偏心故障研究一般是通過(guò)有限元仿真獲得故障特征信號(hào),再直接利用故障特征信號(hào)或利用處理后的故障特征信號(hào)進(jìn)行診斷。常見(jiàn)的故障信號(hào)有氣隙磁密、轉(zhuǎn)子不平衡電磁力和振動(dòng)信號(hào)等。

1.4 定子水路堵塞故障

新一代大容量同步調(diào)相機(jī)的冷卻方式之一為雙水內(nèi)冷。以水作為冷卻介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生冷卻水路堵塞以及空心股線漏水等問(wèn)題,其中定子水路堵塞是導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生冷卻系統(tǒng)故障的最大因素。水路堵塞會(huì)造成電機(jī)過(guò)熱,破壞繞組及絕緣,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎碾姍C(jī)。定子溫升受冷卻水流速和進(jìn)水溫度雙重影響,進(jìn)水溫度越低、冷卻水流速越快則冷卻效果越好[34]。

目前對(duì)定子水路堵塞故障的研究文獻(xiàn)較少,主要集中在流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)兩方面。文獻(xiàn)[35]通過(guò)有限元方法對(duì)發(fā)生定子水路堵塞的雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)的定子流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)定子水路發(fā)生堵塞時(shí),會(huì)使得堵塞空心股線的水冷卻流速下降、堵塞支路水路的出口溫度上升,且這種趨勢(shì)隨著故障程度的增加而增加[35]。文獻(xiàn)[36]分析了不同位置的空心股線水路堵塞時(shí)的溫升趨勢(shì),提出了溫度與流速相結(jié)合的故障診斷構(gòu)想。文獻(xiàn)[37]分析了上下層線棒空心股線分別堵塞時(shí)定子的溫度分布,研究發(fā)現(xiàn)上層線棒發(fā)生故障時(shí)對(duì)電機(jī)溫度的影響比下層線棒更大。

1.5 其他故障

軸承是調(diào)相機(jī)組重要的組成部分之一,一旦發(fā)生故障可能導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)且維護(hù)成本較高。文獻(xiàn)[38]提出了一種基于隨機(jī)子空間識(shí)別-多核支持向量機(jī)(SSI-MSVM)的調(diào)相機(jī)軸承故障診斷方法。通過(guò)SSI對(duì)采集到的調(diào)相機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,采用正交投影和奇異值分解得到狀態(tài)矩陣,再利用參數(shù)估計(jì)獲取系統(tǒng)矩陣及特征值。最后,對(duì)MSVM進(jìn)行有監(jiān)督的訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)相機(jī)軸承故障的識(shí)別診斷。

在同步調(diào)相機(jī)中,轉(zhuǎn)子繞組接地也是常見(jiàn)的故障之一。由于勵(lì)磁系統(tǒng)在同步調(diào)相機(jī)中隔離,勵(lì)磁繞組的單個(gè)接地故障不會(huì)造成直接危險(xiǎn)。但是,如果發(fā)生第二次接地故障,則勵(lì)磁繞組會(huì)部分短路且故障電流升高,從而導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞。因此,必須立即檢測(cè)到勵(lì)磁繞組的單個(gè)接地故障。文獻(xiàn)[39]提出了基于接地電阻兩側(cè)電壓幅值和相位角的故障診斷方法,這兩種方法具有相同的結(jié)構(gòu)。論文給出了轉(zhuǎn)子接地故障的雙重診斷準(zhǔn)則,以提高同步調(diào)相機(jī)診斷的有效性。

通過(guò)上述分析可見(jiàn),同步調(diào)相機(jī)各類故障的特征既有不同,也有交叉。同步調(diào)相機(jī)故障類型與故障特征之間的關(guān)系如表1所示。

表1 故障類型和故障特征量對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 當(dāng)前研究存在的挑戰(zhàn)

可以看出,對(duì)于調(diào)相機(jī)故障診斷的研究主要以故障仿真和信號(hào)處理為主,不過(guò)仍然存在如下挑戰(zhàn):

(1) 調(diào)相機(jī)故障特征信號(hào)難以獲取

從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看,除定、轉(zhuǎn)子電流和功率的數(shù)值等易獲取信號(hào)外,調(diào)相機(jī)的故障特征還包含了諸如電流、功率、氣隙磁密等物理量的諧波和電流間或者電流與電壓間的相位差等,而這些故障特征量的獲取需要很高的數(shù)據(jù)采集頻率。定子繞組支路電流、定子繞組支路間環(huán)流等故障特征量的獲取,則需要在調(diào)相機(jī)內(nèi)部定子繞組支路上裝有電流傳感器。目前已投運(yùn)的調(diào)相機(jī)的數(shù)據(jù)采集頻率很低,文獻(xiàn)中所述的故障特征信號(hào)尤其是諧波信號(hào)和相位差信號(hào)難于獲取。另外,已投運(yùn)的調(diào)相機(jī)也沒(méi)有在定子繞組支路中安裝電流傳感器。這些因素給同步調(diào)相機(jī)的故障特征采樣和故障診斷造成了困難。因此,如何從可獲得的物理量中尋找調(diào)相機(jī)的故障特征是值得深入研究的問(wèn)題。

(2) 依據(jù)單一特征量進(jìn)行故障診斷存在不準(zhǔn)確性

調(diào)相機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況中因?yàn)橹圃旃に嚭铜h(huán)境噪聲等影響,會(huì)出現(xiàn)和故障情況下相似的特征,如電壓波動(dòng)和閃變?cè)斐烧{(diào)相機(jī)定子電流出現(xiàn)諧波。除此之外,不同故障的故障特征存在相互交叉的情況。例如,同步調(diào)相機(jī)在發(fā)生定子匝間短路和轉(zhuǎn)子匝間短路都會(huì)造成瞬時(shí)功率偶次諧波增大[13-14];強(qiáng)勵(lì)極端穩(wěn)態(tài)工況下同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路都會(huì)引發(fā)磁場(chǎng)不平衡和電磁力增大[23]。因此,若使用單一故障特征量作為故障診斷的依據(jù),容易出現(xiàn)誤診現(xiàn)象。在今后的調(diào)相機(jī)故障診斷研究中,要盡可能地選取多個(gè)故障特征量進(jìn)行聯(lián)合診斷,以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要分析總結(jié)了同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子偏心、定子水路堵塞、軸承故障、轉(zhuǎn)子繞組單點(diǎn)接地、匝間短路與轉(zhuǎn)子偏心同時(shí)存在等不同故障形式的產(chǎn)生原因、故障特征和診斷方法,并對(duì)各種故障診斷方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

目前對(duì)同步調(diào)相機(jī)故障診斷的研究,基本上處于理論仿真和試驗(yàn)室驗(yàn)證階段。所得到的診斷方法距離應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)還存在很大差距,之后的研究需要考慮到環(huán)境噪聲、供電電壓波動(dòng)或閃變等外部因素對(duì)故障特征分量的影響問(wèn)題。另外,新一代大容量同步調(diào)相機(jī)裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),獲得了龐大的數(shù)據(jù)量。通過(guò)深度學(xué)習(xí)人工智能等技術(shù)對(duì)同步調(diào)相機(jī)進(jìn)行故障診斷,已經(jīng)被證明具有較高的精確性與可靠性,如何充分利用這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)調(diào)相機(jī)的在線故障診斷也是未來(lái)的發(fā)展方向之一。