[doc格式] 发电机转子绕组匝间短路故障检测方法的研究

[doc 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 ] 发电机转子绕组匝间短路故障检测方法的研究 发电机转子绕组匝间短路故障检测方法的 研究 Vo1.27No.5 Oct.2008 河北电力技术 HEBEIELECTRICP0WER 第27卷第5期 2008年1O月 发电机转子绕组匝问短路故障检测方法的研究 DetectingMethodsaboutInterturnShortCircuitFault inRotorWindingsofTurbOgeneratOr 张志猛,张建忠,李永刚,阎春雨. (1.华北电力大学,河北保定071003;2.河北省电力研究院,石家庄050021; 3.中国电力科学研究院,北京100085) 摘要:介绍了几种动态检测汽轮发电机转子绕组匝间短路故 障的方法,比较了各种方法的优缺点,并重点介绍了在探测 线圈法基础上将小波分析用于转子绕组匝间短路故障的检 测方法,指出小波分析方法适用于探测线圈感应电动势动态 非平稳故障信号的特征提取,适合于汽轮发电机转子绕组匝 间短路实时的故障检测. 关键词:汽轮发电机;转子绕组;匝间短路;故障检测;探测线 圈法 Abstract:Variousfaultdiagnosismethodsaboutintertern shortcircuitinrotorwindingsofturbogeneratorarepresen— tedfirstly.Advantagesanddisadvantagesofeachmethodare compared.Waveletanalysisdetectionmethodwhichisintro— ducedtodetectthefaultofinterturnshortcircuitinrotor windingsbasedonthedetectingcoilmethodisrecommended indetail.Simulationtestresultindicatesthatwaveletanalysis methodisapplicabletoextractfaultcharacteristicofthedy— namicandnon—stabilityinducedelectromotiveforcesignal andfitsforreal—timedetectionofinterturnshortcircuitfault inrotorwindingsofturbogenerator. Key word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 s:turbogenerator;rotorwinding;interturnshortcir— cult;faultdetection;detectingcoil 中图分类号:TM311 文献标志码:A 文章编号:1001—9898(2008)05一O011一O4 1概述 汽轮机由于其高速隐极式转子结构,运行时,受 到强大的离心力作用,易发生匝间短路故障.转子 绕组发生匝间短路的原因很多,与设计,制造的缺陷 和运行,检修工艺不当都有一定关系.轻微的匝问 短路并不会对发电机产生很大的影响,常常被忽略, 但如果匝间短路程度加剧,则会引起机组的振动增 大,励磁电流增大,无功功率受限,严重时造成接地 故障的发生,甚至造成大轴磁化,烧毁护环,转子等 恶性事故的发生.因此对发电机转子绕组匝间短路 故障及早准确检测十分必要. 转子绕组匝间短路分为不随转速,温升变化的 稳定性匝间短路和跟转速,温升有关的不稳定匝间 短路(动态匝间短路).传统的转子绕组匝间短路检 测方法如直流电阻法,交流阻抗与功率损耗法,空载 和短路特性试验法等虽然比较成熟,但都属于发电 机不带负荷运行时的离线检测,不能捕捉发电机带 载运行时转子绕组动态匝间短路,因此转子动态匝 间短路故障的在线检测是当前的主要研究方向. 2故障检测方法比较 2.1励磁电流和无功功率判别法_】 该方法主要通过检测发电机的励磁电流和无功 功率的变化来判断是否存在匝间短路.匝间短路等 效磁势反向作用在短路磁极主磁场的磁势上,产生 去磁的磁势分布,而导致磁场相对减弱.因此,转子 绕组匝问短路虽然引起转子电流的增大,但无功功 率却相对减小或不变,这可作为发生匝间短路故障 的一个明显特征.根据这个故障特征,利用发电机 的电气状态监测量,计算出发电机一定运行状态下 (一定的无功功率输出,有功功率输出等)的励磁电 流i,把它与励磁电流实际值i比较,即可以判断 转子绕组是否发生匝间短路故障,故障判据为: ? /-f0 式中:a为把计算误差和测量误差都考虑在内的偏 差整定阈值. 该方法的优点是只利用发电机有关电气量而不 增加新的检测设备就可以进行故障诊断,并能对故 障的发展趋势,严重程度做出估计,实现在线检测. 对于未安装任何检测设备的在役机组,该方法具有 收稿日期:2008—05—26 作者简介:张志猛(1982一),男,硕士研究生,主要从事发电机故障诊断 与在线监测的研究. ? 11? Vo1.27NO.5 0ct.2008 河北电力技术 HEBElELECTRICPOWER 第27卷第5期 2008年1O月 明显的优势,但不足之处是不能对故障点定位. 2.2定子环流判别法 有学者提出利用转子绕组匝间短路时在定子绕 组并联支路引起的环流现象来判断检测匝问短路. 汽轮发电机每相绕组是由2个半相绕组并联而成, 转子磁势的任何不对称都会在定子绕组中感应产生 频率为基波频率的偶数倍的谐波电流,并在定子绕 组的两个半相绕组中形成环流.环流在定子绕组里 流过,与转子相同的速度旋转.测量这些偶次谐波 电流可以检测出转子绕组的匝间短路.偶次谐波电 流的大小,取决于短路的严重程度,转子与定子间耦 合的强弱和定子绕组对偶次谐波电流的阻抗].这 些偶次谐波电流可用2个套在定子绕组上的空心儒 可夫斯基线圈来检测(图1所示). 1一儒口】夫斯基线圈;2一发电机定子一相绕组并联2个支路; 3一差动放大器;4100Hz带通滤波器;5一检波器; 6一 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 仪;7一指示表;8一积分器 图1用儒可夫斯基线圈连续监测环流的示意 该方法可以在线进行转子绝缘状态检测.缺点 是不能对短路点定位,且定子方面要增加儒可夫斯 基线圈,电流传感器等设备,安装复杂,增加设备 费用. 2.3RSO重复脉冲检测法(行波法) RSO重复脉冲检测法应用的是波过程理论(行 波技术),用双脉冲信号发生器对发电机转子两极同 时施加前沿陡峭的一个高频冲击脉冲波,当该脉冲 信号沿绕组传播遇到阻抗突变点时,会导致反射波 和透射波的出现,由此会在检测点测得与正常回路 无阻抗突变时不同的响应特性曲线.用双线示波器 录得2组响应特性曲线,借以对波形响应时间进行 测定,经过计算分析或将检测结果直接与出厂时制 造厂提供的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 波形进行比较,可判断转子绕组匝 间是否存在短路以及短路点的位置等情况(图2所 示).匝间短路的程度通过故障点处的波阻抗变化 大小来反映,显示在示波图上可以用2个响应特性 曲线合成的平展程度来判定,有突起的地方说明匝 间存在异常,并且突起的波幅大小就表明短路故障 的严重程度[3]. ?12. 图2行波法不意 该方法对匝间短路的反应比较灵敏,易于发现 比较小的匝间短路,但由于波形容易受到转子绕组 阻抗变化的影响,对短路位置和短路程度的判断不 如探测线圈法直观,准确,目前还不能实现在线监 测,一般应用在停机时检测静态匝间短路. 2.4探测线圈法(微分动测法) 20世纪7O年代,美国学者D.R.Albright首先 提出了采用探测线圈(微分线圈)法动态检测发电机 转子绕组匝间短路故障,即用探测线圈对发电机转 子绕组匝间绝缘进行在线检测.其原理是:在定子, 转子气隙中定子上固定一只”微分探测线圈”(图3 所示),对发电机气隙中的旋转磁场进行微分,即气 隙磁场在该线圈上感应电动势,根据微分后的感应 电势波形分析,诊断转子绕组是否存在匝间短路,并 确定短路故障槽的位置. 发 图3探测线圈安装不意 不考虑磁饱和的影响,汽轮机气隙中的旋转磁 场B(,)由空载磁场B.()和定子电枢反应磁场B. (,)合成_4],可以直接线性叠加. B(,)一B0(,)+B.()(2) 发电机运行时探测线圈感应的电势为 )—一一?dESB(一K~tEB(dtdf一一 (3) 式中:乒(,)是气隙旋转磁场穿过探测线圈有效面积 S的磁通量. 将发电机气隙磁场B()解析式带入式(3)得 P()一KE3a(,一).+6]+K(,JBcosEcot+ 丸+(+)]+KEa(,一)对应的齿谐波幅值将大大减小,对应的转子槽感 应电动势峰值也将出现下陷或凹缩,正是由于这一 将转子槽漏磁场微分放大后的高频分量提高了转子 绕组匝间短路故障检测的灵敏度.g(f)是包含了电 枢反应影响的主磁场在探测线圈上感应的低频信 号.此方法不仅能判断转子匝间有无短路还能确定 故障点所在的槽,而且这种方法在发电机空载和短 路状态下效果较好,而在发电机带负荷运行时,由于 受电枢反应等因素的影响,探测线圈感应的电势波 形扭曲,形状变得不规则,灵敏度下降,效果不好,不 加以必要的信号处理,很难实现准确诊断. 2.5基于小波变换的检测方法 该方法在探测线圈法的基础上,根据故障前后 探测线圈感应电动势信号变化的特点,将小波变换 进行突变信号检测的原理用于感应电动势信号变化 特征的提取,根据信号变化的奇异特征,实现对发电 机转子绕组匝间短路故障的检测及故障点的定位. 2.5.1检测原理 小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化 性质,尤其适用于畸(突)变信号的处理.它不仅克 服了傅立叶变换不能对信号进行局部分析这一严重 缺点,同时具有很强的信号变化奇异特征提取功能. 若,(,)?L(R),小波变换是将信号()表示成不 同位置,不同尺度的小波的叠加(式l1所示),而小 波系数W,(n,6)反映的是此位置,此尺度下的小波 对整体的贡献,而不同位置,不同尺度的小波是通过 对某一小波母函数(,)的伸缩和平移构造出来的, a,b分别为伸缩和平移因子. ?一()(9) n 信号-厂(,)的连续小波变换为: W,(口,6)一专厂()()d,(10) 探测线圈法对发电机转子绕组匝间短路故障的 检测,实际上是对定子,转子间气隙磁场在探测线圈 上感应电势畸变点的检测.小波变换显着的特点是 能够确定被分析信号的局部奇异性.其数学式为: wz)一f(.(z)一f()一 !兰!!兰!dx(11) 即小波变换wf(z)可表示为信号.厂(z)在尺 度S被0(z)平滑后的一阶导数.从图4可以看出, 小波变换W厂()幅值极:大值(又称模极大值)与信 号.厂()的突变点之间对应.则由小波变换w.厂 ()的幅值极大点可以检测.厂(z)突变点,前提是所 选小波以(z)为光滑函数(机的容量7.5kVA,额定电压400V,12个转子 槽,定,转子气隙0.4cm,在转子绕组上引出设置短 路匝为3或1O的抽头,用低电阻动态模拟发电 机匝间短路故障,模拟机由一台直流电动机做原动 机,可调节直流电动机的转速来模拟汽轮机转速调节. 图5是在三相短路工况下,3号槽短路3时采 集探测线圈输出的感应电动势数据拟合得到的波 形,从波形图中无法看出3号线圈对应的电动势波 ? 13? VoI.27No.5 Oct.2OO8 河北电力技术 HEBEIELECTRICPoWER 第27卷第5期 2008年1O月 峰的变化,也就无法准确地判断匝间短路故障.图 6是选用db3小波作为小波基函数,对该信号进行6 层小波分解,然后对高频部分进行重构.从图6中 可清晰地看出磁极左右对称的2个模极大值点t, t刚好对应短路的3号线圈(其它模极大值点根据 转子同心线圈结构特性不具有对称性,为伪极值 点),则可以根据,,,.模极大值点可以判断3号槽 短路.实验证明,该方法不仅可以判断故障的存在, 还可以准确地检测出故障的具体槽位. 0.O6 0.D2 0 一 D.02 一 O.06 05.1210.2415.3620.48 t/ms 图5模拟发电机转子匝间短路3时 感应电动势波形(1个周期) 《 cc%cc (上接第3页) 5结论与建议 a.通过对售电量进行敏感性分析,当区域售电 量在8,13之间增长时,内部收益率,财务净现 值,投资回收期,净利润相应变化;当售电量增长率 为9.26时,净利润由负变为正,该点是该区域”十 一 五”电网规划中售电量增长率的盈亏平衡点;当售 电量增长率为12.4O时,内部收益率为7,能够 满足行业基准收益率的财务评价要求. b.通过对区域负载率进行敏感性分析,当负载 率在22,31之间变化时,内部收益率,财务净 现值,投资回收期,净利润相应变化.临界负载率为 29.41.当负载率达到30时,电网投资效益净 ?14? 3结论 通过几种检测方法对比,基于小波分析法与探 测线圈法相结合的检测方法比较适用于转子绕组匝 问短路的在线检测.由求小波变换模极大值的方法 可有效对探测线圈上的电势信号进行深入分析.仿 真实验及对实测信号分析证明:该方法不仅可以判 断故障的存在,而且可以准确地检测出故障的具体 槽位.但汽轮机转子绕组匝间短路的检测是一个复 杂的课题,进行各种工况下故障的在线检测是非常 困难的,尤其在负载运行时,电枢反应,负荷波动,磁 场饱和等因素,都会影响检测的灵敏度].因此为 实现多工况下在线检测,还要对探测线圈输出的 感应电势信号作更精确的信号处理,对发电机转 子绕组匝间短路在线检测的方法还要作进一步的 研究. 参考文献: [1]李永刚,李和明,赵华.汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊 断新判据[J].中国电机工程,2003,(6):112—116. 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