基于负载特性曲线偏移实现转子匝间短路故障诊断的方法_赵吴昊.pdf

2023.3大 电 机 技 术基于负载特性曲线偏移实现转子匝间短路故障诊断的方法赵吴昊1，李佳谦1，徐永金2，姜彤1(1.华北电力大学，北京 102206;2.北重阿尔斯通(北京)电气装备有限公司，北京 100040)摘要利用励磁电流增幅计算励磁电流是实现汽轮发电机转子匝间短路故障诊断的典型方法，然而传统励磁电流计算方法的精确性往往无法满足诊断的精度要求。本文通过分析转子匝间短路的形成原因和对励磁电流的影响，比较各种励磁电流计算方法的特点和差异，提出了一种基于负载特性曲线偏移的汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法。该方法通过测量发电机运行电气量，采用 ASA 相量法计算负载情况下的励磁电流，根据测量的励磁电流对空载特性曲线进行修正，并采用禁忌搜索算法计算运行工作点，拟合得到偏移负载特性曲线。采用偏移负载特性曲线分别对正常工作和转子匝间短路故障的发电机进行励磁电流二次计算，将得到的励磁电流计算结果与实际值进行比较。以一台 600MW 汽轮发电机为实例进行试验，结果发现，在非匝间短路故障时，其励磁电流计算结果与实际值基本一致，匝间短路故障时故障特征明显，从而验证了该方法的正确性。关键词转子匝间短路;励磁电流增幅法;空载特性曲线;禁忌搜索算法 中图分类号TM311 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0013-07Fault Diagnosis Method of otor Inter-turn Short Circuit based onLoad Characteristic Curve DeviationZHAO Wuhao1，LI Jiaqian1，XU Yongjin2，JIANG Tong1(1 North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2 Alstom Beizhong(Beijing)Power Co，Ltd，Beijing 100040，China)Abstract:Calculating the excitation current by the excitation current increase is a typical method torealize the fault diagnosis of rotor short circuit of the turbine generator However，the accuracy of thetraditional excitation current calculation method often cannot meet the accuracy requirements fordiagnosis By analyzing the cause of the short circuit between the rotor turns and its influence on theexcitation current，comparing the characteristics and differences of various calculation methods of theexcitation current，a diagnosis method based on the deviation of the load characteristic curve for theturbine generator rotor inter-turn short circuit is proposed in this paper The method uses the ASAAmerican Standard Association(ASA)phasor method to calculate the excitation current under loadcondition by measuring the electrical parameters of the generator The no-load characteristic curve iscorrected according to the measured excitation current，the tabu search algorithm is used to calculatethe operating point of the generator，and the deviation is obtained by fitting load characteristic curveThe offset load characteristic curve is used to perform the secondary calculation of the excitationcurrent of the generator under normal and inter-turn short circuit conditions，and the calculated resultsof the excitation current are compared with the actual values Taking a 600MW turbo-generator as anexample，the test results show that the calculation result of the excitation current is basicallyconsistent with the actual value under normal operating conditions，and the fault characteristics areobvious when the inter-turn short circuit fault occurs，which verifies the correctness of the methodKey words:rotorinter-turnshortcircuit;excitationcurrentamplificationmethod;no-loadcharacteristic curve;tabu search algorithm31基于负载特性曲线偏移实现转子匝间短路故障诊断的方法2023.30前言汽轮发电机转子绕组匝间短路是一种常见的电气故障，其主要原因是当转子处于高速旋转时，在离心力作用下，绕组端部产生变形、位移，导致匝间绝缘磨损，最终发展为匝间短路故障1-4。由于匝间短路故障初期故障特征不明显，对机组正常运行影响不大，经常被忽略，但长期运行下去极易发展为转子接地、绕组烧损、大轴磁化等故障，导致恶性事故的发生。因此如何在转子绕组匝间短路故障初期做出快速准确的诊断就显得尤为重要。转子匝间短路故障诊断方法主要分为离线和在线两大类5。离线诊断方法包括交流阻抗和功率损耗法、直流电阻法、重复脉冲法6-7 等;在线诊断方法包括微分线圈波形法8、励磁电流增幅检测法9 等。考虑到故障定位和诊断精确度的要求，目前使用较多的方法为重复脉冲法、微分线圈波形法和励磁电流增幅检测法。其中重复脉冲法可将匝间短路定位到槽，但试验只能在离线时进行，同时需在绕组两侧施加脉冲，对设备有一定要求;微分线圈波形法无需停机，可将匝间短路定位到槽，但负载情况下受漏磁通过零点、不同负荷的电枢反应及噪声影响，波形扭曲严重，需采用小波变换对信号进行提取;励磁电流增幅检测法无需停机，无需外接任何设备，仅需对比励磁电流测量值和计算值的大小即可判断故障，是转子匝间短路故障在线检测和初期故障判断的重要方法之一。采用励磁电流增幅检测法诊断转子绕组匝间短路故障，需要精确的励磁电流计算方法。励磁电流计算方法主要分为两类，即传统计算方法和基于有限元模型仿真的励磁电流计算法10。传统计算方法通过已知定子绕组端电压、定子电流、功率因数等，计算得到励磁电流。其中保梯电抗法 11-12 或 ASA(AmericanStandard Association)相量法是美国标准 IEEE Std115 13 和电工专业指导性技术文件(DZ28-63)中推荐使用的方法，这两种方法都需要依靠精确的特性曲线来辅助励磁电流的计算。文献 14 提出用 Excel 软件将特性曲线编制成计算机程序进行励磁电流计算，消除了特性曲线人工绘图时的随意性。文献 15对空载特性曲线进行了分段拟合，并通过用饱和系数修正不饱和电抗来计算励磁电流。上述方法考虑了空载、短路特性曲线绘制可能存在的误差，但未考虑到磁路饱和与磁场畸变共同作用下发电机负载饱和特性将显著偏离其空载特性的情况。此外，发电机的磨损、老化也会引起特性曲线发生变化，实际特性曲线并不能和设计值相统一，不可避免地会存在计算误差。基于有限元模型的励磁电流计算法主要依托于各种有限元仿真软件，通过计算机精确建模对电磁场进行有限元计算，从而得到励磁电流。文献 16采用有限元软件仿真计算了 1000MW 发电机空载和满载工况下的励磁电流，由于该方法需进行磁场和端点条件的迭代，耗费时间较长。文献 17 建立 600MW 发电机二维瞬态场有限元模型，将传统二维模型无法考虑的端部问题简化成外电路，避免了迭代。上述通过有限元建模计算励磁电流的方法适用于各种工况，计算误差小，但非常依赖于所建模型的准确性，需要知道电机的结构尺寸，也无法反映发电机实际工作中磨损、老化所带来的参数变化，这无疑降低了该方法的可行性，难以在现场运行中运用18-19。本文采用 ASA 相量法计算发电机励磁电流，通过分析磁路饱和与磁场畸变所导致的特性曲线偏移，提出了用偏移特性曲线计算励磁电流的方法，对发电机励磁电流进行修正计算，并以 600MW 汽轮发电机为实例，将该励磁电流计算方法运用到转子绕组匝间短路故障的诊断当中。1励磁电流增幅诊断发电机转子匝间短路故障1.1转子匝间短路故障特征汽轮发电机转子绕组发生匝间短路故障将导致转子绕组的有效匝数减少，若要维持气隙合成磁通不变，励磁电流必然增大。同时，转子绕组匝间短路将导致短路磁极磁势的局部损失，导致其平均值和峰值减少，有效磁场减弱，使转子绕组磁势对应的空载电动势较短路前有明显下降，在发电机端电压保持恒定的情况下，输出无功功率下降。1.2匝间短路故障励磁电流诊断判据为了便于诊断发电机转子绕组匝间短路故障，判断故障严重程度，本节将对故障诊断判据进行定量分析，得出转子绕组匝间短路故障严重程度诊断指标。文献 20提出了用励磁电流诊断转子绕组匝间短路的判据，在计算求得发电机励磁电流 If后，将其与励磁电流测量值 If进行比较，得到发电机转子绕组发生匝间短路故障的判据，表达式如下:If IfIf(1)式中，是把计算误差及测量误差考虑在内的偏差相对值。上述判据确定了转子绕组匝间短路故障的诊断标准，但未对故障的严重程度进行判断。为了进一步分412023.3大 电 机 技 术析故障时的电磁特性，利用故障前后励磁电流相对变化率，建立新的定量指标，来判别故障的严重程度。具体分析如下:同步发电机的稳态方程为:Ud=q aId(2)Uq=d aIq(3)d=LdId+LadIf(4)q=LqIq(5)其中，Ud和Uq分别为发电机端电压 U 的 d、q 轴分量;Ld和Lq为 d、q 轴绕组等值电感，分别对应 d、q 轴同步电抗Xd、Xq;d和 q分别为等值 d、q 轴绕组的磁链;a为发电机的定子绕组电阻;Lad为 d 轴电枢反应电感，对应 d 轴电枢反应电抗Xad;Id和Iq分别为发电机定子电流 I 的 d、q 轴分量;Ifs为由发电机转子侧实际励磁电流换算至定子侧的励磁电流;为发电机的电角速度。由上式(3)、(4)可得:Ifs=Uq+aIq+LdIdLad(6)将电感用电抗替代，可得:Ifs=Uq+aIq+XdIdXad(7)由公式(7)计算所得发电机励磁电流标幺值的基准值为额定