一种用于同步发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法

技术领域

本发明涉及同步发电机故障诊断技术领域，具体而言，涉及一种用于同步发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法。

背景技术

对于大容量同步发电机而言，转子绕组匝间短路无疑是一种令人困扰的故障，尽管故障不会导致机组和绕组的严重损坏，但次生的振动问题、绕组接地故障、大轴磁化和轴电压等问题却令现场运行人员饱受折磨，特别是持续增加的机组振动，是导致运行人员被迫停机的一个重要诱因。由于振动诱发因素的多样性，检修人员需要花费大量时间去确定振动故障的原因，停机成本高昂。因此，对转子绕组匝间短路故障的在线诊断和实时预警极为必要，急需一种用于同步发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法，将同步发电机内不同间距的穿心螺杆在单侧互连，形成可变节距的单匝线圈，用以检测同步发电机的转子绕组匝间短路故障。

发明内容

为了解决关于转子绕组匝间短路故障的预警问题，本发明的目的是提供一种通过可变节距等值线圈来实现同步发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法，为转子绕组匝间短路故障的在线诊断提供新方法。

为了实现上述技术目的，本申请提供了一种用于同步发电机转子绕组匝间短路的故障检测方法，包括以下步骤：

将同步发电机的定子铁轭内部的任意两个穿心螺杆的端头通过导线连接在一起，构成等值线圈；

通过分析等值线圈的感应电压的故障特征谐波含量来判定同步发电机的转子绕组匝间短路故障。

优选地，在构成等值线圈的过程中，在两个穿心螺杆与定子铁心、端部压板之间均设置绝缘层，使得穿心螺杆成为与定子铁心之间完全绝缘的导体。

优选地，在获取感应电压的过程中，将两个穿心螺杆的一端的端头连接在一起，构成等电位点，通过两个穿心螺杆的另一端，获取感应电压。

优选地，在获取故障特征谐波含量的过程中，根据两个穿心螺杆间隔的空间机械角度，获取等值线圈的输出电压有效值，生成感应电压；

依据感应电压，进行谐波分析，获取故障特征谐波含量。

优选地，在获取空间机械角度的过程中，空间机械角度表示为：

其中，Z表示穿心螺杆的数量。

优选地，在获取输出电压有效值的过程中，输出电压有效值表示为：

其中，ν表示谐波磁场，f表示发电机旋转的机械频率，Φ

优选地，在判定同步发电机的转子绕组匝间短路故障的过程中，基于故障特征谐波含量，通过获取故障励磁磁势，判定转子绕组匝间短路故障，其中，故障励磁磁势用于表示绕组正常时的励磁磁势与被短路绕组通入反向励磁电流所产生磁势的叠加。

优选地，在获取故障励磁磁势的过程中，故障励磁磁势表示为：

其中，p为同步发电机的极对数，k、j为正整数，θ

优选地，在获取故障特征谐波含量的过程中，通过对感应电压进行傅里叶分解，得到电压频谱；

依据电压频谱的谐波幅值，获取故障特征谐波含量。

优选地，用于实现故障检测方法的故障检测系统，包括：

数据采集模块，用于通过将同步发电机的定子铁轭内部的任意两个穿心螺杆的端头通过导线连接在一起，构成等值线圈，并获取等值线圈的感应电压；

故障分析模块，用于根据感应电压的故障特征谐波含量，判定同步发电机的转子绕组匝间短路故障。

本发明公开了以下技术效果：

1、本发明提出的基于可变节距等值线圈的同步发电机转子绕组匝间短路在线诊断方法适用于各种不同转速和极对数的同步发电机，具有普遍适用性。

2、本发明提取同步发电机等值线圈的感应电压特征，在机组运行过程中只需要实时采集等值线圈的感应电压信号并对其进行傅里叶变换，通过特征谐波幅值变化即可实现对同步发电机转子绕组匝间短路故障的在线诊断。

3、本发明提出的检测方法适用于静止励磁发电机，也适用于旋转励磁发电机，该方法只需要在螺杆端头引线，实现极为便利，不干扰发电机正常运行，无安全风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多极水轮发电机励磁磁场分布图；

图2是水轮发电机由2个穿心螺杆构成的一个磁场检测线圈示意图；

图3是18极水轮发电机二维有限元模型；

图4是水轮发电机等值线圈为2倍极距时的空载感应电压；

图5是水轮发电机等值线圈为2倍极距时的空载感应电压频谱图；

图6是水轮发电机等值线圈为2倍极距时的负载感应电压；

图7是水轮发电机等值线圈为2倍极距时的负载感应电压频谱图；

图8是水轮发电机等值线圈为4倍极距时的空载感应电压；

图9是水轮发电机等值线圈为4倍极距时的空载感应电压频谱图；

图10是水轮发电机等值线圈为4倍极距时的负载感应电压；

图11是水轮发电机等值线圈为4倍极距时的负载感应电压频谱图；

图12是水轮发电机等值线圈为6倍极距时的空载感应电压；

图13是水轮发电机等值线圈为6倍极距时的空载感应电压频谱图；

图14是水轮发电机等值线圈为6倍极距时的负载感应电压；

图15是水轮发电机等值线圈为6倍极距时的负载感应电压频谱图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-15所示，本发明提供了一种基于可变节距等值线圈的同步发电机转子绕组匝间短路故障检测方法，包括以下步骤：

选择同步发电机定子铁轭内部均匀分布的穿心螺杆中的某两个，将其某侧的端头通过导线连接在一起，构成一个等值线圈，在两螺杆与定子铁心、端部压板之间均设置绝缘层，使得穿心螺杆成为与定子铁心之间完全绝缘的导体。由于穿心螺杆贯穿发电机整个轴向长度，在机组运行过程中，旋转磁场切割穿心螺杆，在螺杆两端感应出较高的电压。为了检测转子绕组匝间短路特征磁场，将穿心螺杆某端不同间距的端头连接在一起，构成等电位点，在另一端将螺杆输出端接至数据采集仪，通过对等值线圈感应电压进行谐波分析，通过故障特征谐波含量来判定同步发电机的转子绕组匝间短路故障。

本发明提到的等值线圈的节距因两个螺杆的距离不同而不同，节距具有可变性和可调节性，等值线圈的节距选择应保证能够采集到上述特征磁场中的某一个或多个谐波信号，并尽量保证线圈输出电压不要过高，最好可以被采集仪直接采集，不需要降压。

本发明对于2P极同步发电机，转子绕组匝间短路故障特征谐波为k/P次，k为正整数，P为同步发电机的极对数。

本发明提到的可变节距等值线圈感应电压中的k/P次谐波幅值超过设定阈值时，可以判断同步发电机发生了转子绕组匝间短路故障。

本发明中的字母含义：p为同步发电机的极对数；θ

本发明一个具体实施方式包括以下步骤：将同步发电机内不同间距的穿心螺杆在一侧互连，在另一端将螺杆输出端接至数据采集仪，形成可变节距的单匝线圈，起到感应电压的作用。通过数据采集和实时分析系统对线圈感应电压信号进行采集和分析，得到等值线圈感应电压各次谐波幅值，通过故障特征谐波判断同步发电机转子绕组匝间短路故障。

同步发电机的定子铁心沿圆周方向均匀地排布Z个穿心螺杆(通常与定子槽数相同)，则相邻两个螺杆间隔的空间机械角度可以表示为：

将任意两个螺杆连接构成一个等值线圈，假设构成等值线圈的两个螺杆间距为nα空间机械角度，对于任意ν谐波磁场，则两个螺杆的间距为νnα空间电角度，测量线圈的输出电压有效值可以表示为：

根据式(2)可知，在螺杆总数量m确定的情况下，随着构成等值线圈的两个螺杆间距n的不同，其反映ν谐波的能力是不同的。

如图1所示为水轮发电机励磁磁场分布图，根据磁动势平衡关系，任何时刻，故障励磁磁势都可以看作绕组正常时的励磁磁势与被短路绕组通入反向励磁电流所产生磁势的叠加。按图1，使得坐标轴两侧的磁动势轴对称，并假设故障绕组刚好位于坐标轴位置的磁极上，则故障后的励磁磁势表达式如下。

上式中，F

对于不同磁极数、不同转子结构的同步发电机，构成磁场测量线圈的两个穿心螺杆的间距选择具有多种可能，检测效果也不同。以18极水轮发电机为例，水轮发电机的二维有限元模型见图3。

为了验证新型诊断方法在空载和负载两种工况下的有效性，仿真分别从空载和负载两种工况进行，首先进行水轮发电机转子绕组匝间短路故障模拟，分别设置绕组正常、短路5匝、10匝和15匝，由于水轮发电机极数为18，极对数较多，因此两个螺杆选择间隔一个磁极，即节距为2倍的极距，仿真得到等值线圈感应电压如图4、6所示，可以看到，空载和负载工况下等值线圈感应电压波形在故障前后变化并不明显，这是因为水轮发电机转子磁极数较多，故障极仅在扫过构成等值线圈的两个螺杆时，感应电压会有所减小，其它时段内等值线圈感应电压无明显变化。对等值线圈的感应电压进行傅里叶分解，得到电压频谱如图5、7所示，可以看到，水轮发电机发生转子匝间短路后，电压出现了1/9次、2/9次、1/3次和4/9次等分数次谐波，且谐波幅值随着短路匝数的增多而增大，由此可知，根据等值线圈感应电压的分数次谐波能够较为准确地判断水轮发电机的转子绕组匝间短路故障。

改变等值线圈间距，使其间距分别为4倍发电机极距和6倍发电机极距，等值线圈感应电压的变化情况与2倍极距时情况相同，故障极对应电压值减小，等值线圈感应电压频谱图中同样出现了1/9次、2/9次、1/3次和4/9次等分数次谐波。以上有限元仿真结果与理论分析完全吻合，证明通过等值线圈感应电压谐波幅值的变化可以对同步发电机转子绕组匝间短路故障进行有效的实时检测。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。