基于转矩比较原理的发电机励磁绕组短路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于转矩比较原理的发电机励磁绕组短路故障诊断方法，通过比较发电机电磁转矩的期望值和实际值判断励磁绕组短路故障。首先假定发电机励磁绕组正常，根据发电机的基本结构和电磁参数建立其二维仿真模型，将发电机的运行数据加载至模型中算得发电机磁场数据，并进一步计算电磁转矩的期望值，将之与按照计算得到的电磁转矩实际值比较，故障判据：当a％超过设定阈值即可判定汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。本发明专利技术能够改进现有技术的不足，克服虚功率法需海量数据构建空载电动势函数的缺点，避开了发电机端电压波动对函数计算准确性的影响，同时不受谐波转矩有无和发电机是否存在偏心的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于转矩比较原理的发电机励磁绕组短路故障诊断方法
本专利技术涉及发电机
，尤其是一种基于转矩比较原理的发电机励磁绕组短路故障诊断方法。
技术介绍
近些年，我国汽轮发电机励磁绕组短路故障呈现多发态势，先后已有近百台汽轮发电机发生过该励磁绕组短路故障。如元宝山电厂1#发电机(300MW)、沙角A电厂4#发电机、平圩发电厂1#发电机(600MW)、浙江兰溪电厂3#发电机(600MW)、阜阳华润电厂1#发电机(600MW)、山东邹县发电厂6#发电机(600MW)、四川广安电厂2#发电机(600MW)等。我国广东省仅2007年至2011年就有9台大型发电机先后出现了转子绕组匝间短路故障。汽轮发电机的励磁绕组短路故障最为显著的特征是转子磁场的不平衡并形成了不平衡电磁力，几乎所有的励磁绕组短路故障都伴随着发电机振动状态的恶化，使得发电厂不得不停机检修，由此造成了严重的经济损失。2011年3月，贵州华电集团大龙电厂1号300MW汽轮发电机出现励磁绕组短路故障，#5瓦X方向振动由48μm跃变至168μm，非计划停运时间为60天，损失发电量约为4亿。2010年2月国内某电厂一台600MW汽轮发电机#7瓦Y方向振动跃升至143μm、#8瓦Y方向振动达到168μm，拆除转子护环后检查发现：极1的6、7号线圈和极2的7、8号线圈端部绝缘及过渡引线处焦黑变色，存在烧损现象，转子存在多点匝间短路，需返厂大修。张家口沙岭子电厂1号300MW发电机1993年3月转子接地信号报警，测试试验确定了该机组存在转子绕组匝间短路和转子绕组一点接地故障，发电机部分部件被磁化，停机抢修70天后恢复正常。广东粤电沙角A电厂4#QFN-300-2型汽轮发电机自1992年8月投运起，20多年来就一直存在转子振动不稳定、大修后每次启动时都需反复多次冲转、动平衡调节困难、效果不显著等问题。直至2012年12月4#发电机大修期间，经有关电气试验结果确认该发电机转子存在不稳定的匝间短路故障，并返厂维修处理，但在2012年1月13日的出厂试验时发现，不稳定的匝间短路故障依然存在，但因继续进行处理的条件有限，该转子返回沙角A电厂完成了回装工作。2013年2月8日，4#发电机重新并网投入运行，后续运行过程中，该发电机在启动过程中，转子的振动仍然出现异常增大的现象。在长达20年的运行时间里，为了解决励磁绕组短路带来的转子振动问题，该发电机从2000年至2013年先后进行了82次冲转、37次配重，耗时57天，加上返厂处理时间，共耗时120天左右，造成了极为严重的经济损失，近百次起停机严重影响了发电机的预期寿命和运行安全。励磁绕组短路分为静态短路和动态短路两种类型，动态短路只有在发电机运行过程中才存在，停机检查时短路点断开，故障特征就消失了，因此常规的离线方法是无法发现动态匝间短路故障的，对励磁绕组健康状态实施在线监测是解决这一问题的唯一途径，也是未来状态监测的发展趋势。目前，汽轮发电机励磁绕组短路故障的在线监测方法主要包括探测线圈法、励磁电流法、轴电压法和虚功率法等。其中探测线圈法应用最为广泛，目前中国300MW以上机组大部分均安装了探测线圈。该方法在发电机空载或三相短路时具有较高的检测灵敏度，可以实现故障定位，发电机负载运行时灵敏度下降严重。励磁电流法适用于静止励磁发电机，可以发现较为严重的励磁绕组短路故障，轻微故障时的检测灵敏度不高。此外，已有文献采用有限元方法分析了励磁绕组短路故障下汽轮发电机的电磁稳态特征，但仅确定了短路故障后发电机的励磁电流和无功功率的上下限，仍然采用励磁电流和无功功率变化量作为励磁绕组短路故障判据，实际上仍属于励磁电流法，只是近一步提出了在发电机过励时采用励磁电流绝对变化量作为判据，欠励时采用励磁电流相对变化量作为判据。轴电压法不受发电机励磁方式的限制，但轴电压信号的获取依赖于电刷与发电机转轴表面的可靠接触，大型汽轮发电机由于转轴表面极高的旋转线速度以及油污问题，信号获取存在一定的困难。专利技术人在2014年5月14日公开的专利技术专利申请CN103792463A中，公开了虚功率法的检测过程。但是，经过专利技术人的深入研究和试验，发现虚功率法存在下述缺点：虚功率法利用PM与PM'的偏差判断励磁绕组短路故障，虚功率法在实施过程中需要建立空载电动势期望值E0′的计算函数，函数的准确性直接影响到E0′的计算精度，并进一步影响励磁绕组短路故障判断的灵敏度。对多台发电机的运行数据计算发现：空载电动势期望值计算函数的自变量较多，以QFSN-660-2型发电机为例，从图2可以看到：在机端电压基本稳定的工况下，空载电动势受励磁电流和有功功率的影响都很明显，因此，E0′应为励磁电流If和有功P的二元函数，即E0'＝f(If,P)，准确建立该函数需要大量的发电机历史运行数据作为支撑。在发电机机端电压波动工况下，发电机磁场饱和程度改变，所建立的函数E0'＝f(If,P)的适用性变差。以内蒙电力试验研究所1992年在丰镇电厂对1#QFSN-200-2型汽轮发电机所作的进相运行试验为例，表1包含了该发电机深度进相、迟相等运行工况的试验数据。表1QFSN-200-2型汽轮发电机运行数据由上表得到发电机空载电动势与励磁电流及有功关系，见图3。可见：当发电机机端电压不稳时，保持有功不变改变无功时，空载电动势与励磁电流之间不再满足线性关系，在低励磁区出现了明显的转弯。因此，空载电动势的计算函数将更加难以构建，利用机端电压稳定工况建立起的E0'＝f(If,P)函数无法计算电压大幅波动情况下的空载电动势期望值E0′。发电机电磁功率期望值的求取及虚功率法的应用受到了一定的限制。在发电机运行故障的研究中，利用电磁转矩对定子绕组进行分析的方法已经被多篇文献作公开，例如：2009年4月天津大学学报发表的《同步发电机定子绕组匝间短路下电磁转矩和振动分析》、2007年5月中国电机工程学报发表的《定子绕组匝间短路时发电机电磁转矩分析》、2013年第五期大电机技术发表的《定子绕组匝间短路时发电机转子电磁转矩特性的有限元分析》等文献。这些文章均研究的是发电机的定子绕组匝间短路，分别采用解析法或数值法得出定子绕组匝间短路后发电机电磁转矩中出现2倍频脉动的结论，并通过发电机电磁转矩的2倍频的变化来判断定子绕组匝间短路的情况。而本申请的分析对象是发电机的转子绕组(励磁绕组)匝间短路故障，研究对象完全不同，而且发电机发生转子绕组匝间短路故障后，电磁转矩中也不存在2倍频脉动，本申请采用的是发电机电磁转矩的期望值与实际值偏差作为故障判据，也与上述分析完全不同。2012年10月电工技术学报发表的《转子绕组短路故障时发电机转子不平衡电磁力分析》采用解析法分析了转子绕组匝间短路故障时的不平衡电磁力，但不平衡磁拉力和电磁转矩截然不同，不平衡磁拉力作用于转子径向，改变发电机的振动状态，而电磁转矩则作用于转子切向，只要原动机输入有功不变，电磁转矩是基本不变的。本申请采用的是发电机电磁转矩的期望值与实际值偏差作为故障判据，与不平衡磁拉力的分析完全不同。2012年8月电机与控制学报发表的《转子绕组匝间短路对发电机转子电磁转矩影响分析》通过谐波转矩检测转子绕组匝间短路故障，此文献采用解析法得出的发电机谐波转矩问题在实际运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于转矩比较原理的发电机励磁绕组短路故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：A、获取发电机的结构参数和BH特性曲线数据；B、建立发电机二维数值仿真模型，在DCS系统上获取励磁绕组正常时的发电机实时运行数据，计算得到定子、转子电流密度值，将其加载到定子、转子绕组上，通过数值计算得到发电机磁场数据，在发电机气隙设定圆形路径，将磁场数据映射到路径上；C、计算发电机电磁转矩的期望值TM′；D、计算发电机电磁转矩的实际值TM；E、故障判据值：将判据值a％与其设定阈值相比较，若故障判据a％超出设定阈值，则判定该汽轮发电机存在励磁绕组短路故障。

【技术特征摘要】
1.一种基于转矩比较原理的发电机励磁绕组短路故障诊断方法，其特征在于包括以下步骤：A、获取发电机的结构参数和BH特性曲线数据；B、建立发电机二维数值仿真模型，在DCS系统上获取励磁绕组正常时的发电机实时运行数据，计算得到定子、转子电流密度值，将其加载到定子、转子绕组上，通过数值计算得到发电机磁场数据，在发电机气隙设定圆形路径，将磁场数据映射到路径上；从DCS系统获取的汽轮发电机实时端电压Ul、线电流I、有功功率P、无功功率Q和励磁电流If，借助于发电机电动势相量图，采用式(1)可求得发电机的内功率因数角：式中：U表示相电压，定子三相电流分别为：根据定、转子绕组的截面积，求得各绕组需加载的电流密度值，将其分别施加在模型的定子三相绕组和励磁绕组中，对定子外圆周施加磁力线平行边界条件，得到发电机正常运行时的磁场数据；其中，为功率因数角、ψ为内功率因数角、xs为发电机同步电抗、ra为定子绕组电阻；C、计算发电机电磁转矩的期望值TM'；D、计算发电机电磁转矩的实际值TM；E、故障判据：将故障判据a％与其设定阈值相比较，若故障判据a％超出...

【专利技术属性】
技术研发人员：武玉才，张嘉赛，李永刚，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13