大型同步电动机转子匝间短路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种大型同步电动机故障诊断方法，尤其是一种大型同步电动机转子匝间短路故障诊断方法。

背景技术

大型同步电动机通常应用于运行速度较低且运行功率较大的场合，比如矿井提升机、抽水蓄能发电动机、压缩机等。其相比于传统的异步电动机，能够改善电力系统的功率因数，调速性能好，效率高，在大型社会生产中得到了广泛的应用。同步电动机的转子和同步电动机一样，分为凸极和隐极，除两机电动机为隐极式，其他同步电动机基本为凸极式，所以重点分析凸极式同步电动机。大型同步电动机的功率一般比较大，需要励磁绕组进行电励磁，内部结构较为复杂，内部发生故障不易检测到。但是大型电机发生转子匝间短路故障的比重较大，转子匝间短路会造成绕组电流增加，温度升高，电压畸变，振动加剧等问题，如果不能及时检测并处理，也会导致不能牵入同步，起动失败，会对机组的安全稳定运行构成威胁。目前大型机组的转子匝间短路检测主要是在大型检修时离线检测，不能及时发现故障。

在实际的大型同步电动机中，不易添加电气量检测设备，应该最大程度利用同步电动机本身的传感器。如小波分析、频谱分析，需要传感器采集更多数据，并不能大范围应用。本发明因此提出了一种利用同步电动机固定参数和基本运行参数来诊断转子匝间短路故障的方法。这种方法以励磁电流为特征量，利用有功功率、无功功率、电压、电流和阻抗值等参数，得到励磁电动势，再通过反向空载曲线得到理论励磁电动势，通过比较，判断是否发生转子匝间短路。在电机运行于饱和和不饱和状态时都适用，不需要额外增加测量装置，并且不需要离线检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，以励磁电流的变化识别大型同步电动机的匝间短路故障。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

大型同步电动机转子匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：建立大型同步电动机的相矢图，包括：利用凸极同步电动机的电磁关系，做出凸极同步电动机的相矢图。

凸极同步电动机的电磁关系如图1所示。

由励磁关系可以得到

其中

将公式(2)(3)代入(1)得

其中i

根据上述式子画出凸极同步电动机的相矢图。如图2。

对于一般的大型同步电机，通常Ir

步骤2：通过相矢图建立励磁电动势

通过凸极同步电动机相矢图可以得到如下关系

从相矢图可以得到气隙电动势为

将式(9)带入式(7)得到气隙电动势的直轴分量

再将式(10)带入(8)得到励磁电动势

上式中功率因数角

和相矢图数量关系可以得到如下励磁电动势的表达式

其中

其中r

步骤3：对x

在不饱和时，同步电抗可以通过从空载、短路特性试验求取，也可以通过小转差法等方法测量。但是在大多情况下，同步电机是在接近于饱和区域运行的。当运行于饱和状态时，同步电动机铁磁元件磁饱和后磁导率下降，导致x

直轴同步电抗的不饱和时的测量值与饱和值的比即为饱和系数，直轴同步电抗计算公式如下

其中x

其中F

而交轴同步电抗饱和系数与饱和度不满足线性关系

即

其中x

需要在计算出k

其中

通过分析转子结构发现，直轴方向磁通经过铁磁元件形成回路，而交轴方向磁通只经过小部分铁磁材料，大部分经由气隙形成回路，而饱和系数主要与铁磁材料的磁饱和有关，故交轴同步电抗受到饱和的影响较小。

步骤4：对凸极同步电动机的空载特性曲线进行反向拟合，得到励磁电动势与励磁电流的数学关系表达式；具体包括：通过空载特性试验法或转差法等方法做出同步电动机的空载特性曲线，即励磁电动势与励磁电流之间的函数曲线，其以励磁电流为横坐标，励磁电动势为纵坐标，通过反向拟合得到励磁电流的数学表达式。

当同步电动机运行于饱和状态时，励磁电流和和励磁电动势之间不再满足线性关系，但是由于正常运行时同步电机只有一条空载特性曲线，故励磁电流和励磁电动势仍具有一一对应的函数关系，可以通过matlab拟合工具将对应的函数关系表示出来，如下所示

其中n为拟合公式的阶数，k

步骤5：读取电机相关参数，通过

步骤6：使用电流监测装置测出同步电动机的励磁电流，并与所计算出的励磁电流进行比较，用到的判据是

步骤7：设置大阈值和小阈值；具体包括：若判据超过大阈值则判别同步电动机发生了匝间短路故障较为严重，需要立即停机；若判据未超过大阈值但超过小阈值，则判别同步电动机可能发生了匝间短路故障，并对后续数据进行分析

励磁电流匝间短路判据计算的值可以近似反映同步电动机的匝间短路故障的程度。考虑到计算精度和实际检测误差等因素，设置a％的大阈值为3％。当励磁电流相对偏差大于阈值3％时可以认为同步电动机存在较为严重匝间短路故障，需要停机检修。设置a％的小阈值为1％，当励磁电流相对偏差小于3％且大于1％时，同步电动机继续运行，并对后续数据进行分析，若后续连续两秒的数据的判据大于1％，则判定出现了匝间短路故障；否则判定为未发生匝间短路故障。

该技术与现有技术相比，具有如下有益效果；

本发明通过凸极同步电动机的电磁关系，该方法以同步电动机矢量关系为基础，通过电机固有参数和基本运行参数，建立励磁电动势的数学模型，利用反向的空载曲线求取励磁电动势所对应的正常工况下的励磁电流，并与实际励磁电流进行比较，根据相对变化量的大小来判断短路的严重程度。该方法在电机运行于饱和和不饱和状态时都适用，不需要额外增加传感装置，可以实时在线监测。

大型同步电动机转子匝间短路的的诊断一般是离线进行，如最常用的交流阻抗法、重复脉冲法等，本发明方法可以对同步电动机进行实时在线监测。

在实际的大型同步电动机中，不易添加电气量检测设备，本发明能最大程度利用同步电动机本身的传感器。如小波分析、频谱分析，需要额外传感器采集更多数据，并不能大范围应用。

附图说明

图1为凸极同步电动机的电磁关系图；

图2为凸极同步电动机的相量图；

图3为凸极同步电动机空载特性曲线；

图4为本发明的凸极同步电动机转子匝间短路故障诊断方法的流程图；

具体实施方式

本发明考虑到目前凸极同步电动机转子匝间短路故障诊断通常需要离线检测，提出了一种在线监测的新方法。以同步电动机矢量关系为基础，通过电机固有参数和基本运行参数，建立励磁电动势的数学模型，利用反向的空载曲线求取励磁电动势所对应的正常工况下的励磁电流，并与实际励磁电流进行比较，根据相对变化量的大小来判断短路的严重程度。该方法在电机运行于饱和和不饱和状态时都适用，不需要额外增加传感装置，可以实时在线监测。

为了更加具体地描述本发明，下面结合附图和具体实施案例对本发明做进一步说明。

图4是本发明的一种凸极同步电动机转子匝间短路故障诊断方法流程图，包括以下步骤：

步骤1：建立大型同步电动机的相矢图，包括：利用凸极同步电动机的电磁关系，做出凸极同步电动机的相矢图。

凸极同步电动机的电磁关系如图1所示。

由励磁关系可以得到

其中

将公式(2)(3)代入(1)得

其中i

根据上述式子画出凸极同步电动机的相矢图。如图2。

对于一般的大型同步电机，通常Ir

步骤2：通过相矢图建立励磁电动势

通过凸极同步电动机相矢图可以得到如下关系

从相矢图可以得到气隙电动势为

将式(9)带入式(7)得到气隙电动势的直轴分量

再将式(10)带入(8)得到励磁电动势

上式中功率因数角

和相矢图数量关系可以得到如下励磁电动势的表达式

其中

其中r

步骤3：对x

在不饱和时，同步电抗可以通过从空载、短路特性试验求取，也可以通过小转差法等方法测量。但是在大多情况下，同步电机是在接近于饱和区域运行的。当运行于饱和状态时，同步电动机铁磁元件磁饱和后磁导率下降，导致x

直轴同步电抗的不饱和时的测量值与饱和值的比即为饱和系数，直轴同步电抗计算公式如下

其中x

其中F

而交轴同步电抗饱和系数与饱和度不满足线性关系

即

其中x

需要在计算出k

其中

通过分析转子结构发现，直轴方向磁通经过铁磁元件形成回路，而交轴方向磁通只经过小部分铁磁材料，大部分经由气隙形成回路，而饱和系数主要与铁磁材料的磁饱和有关，故交轴同步电抗受到饱和的影响较小。

步骤4：对凸极同步电动机的空载特性曲线进行反向拟合，得到励磁电动势与励磁电流的数学关系表达式；具体包括：通过空载特性试验法或转差法等方法做出同步电动机的空载特性曲线，即励磁电动势与励磁电流之间的函数曲线，其以励磁电流为横坐标，励磁电动势为纵坐标，通过反向拟合得到励磁电流的数学表达式。

当同步电动机运行于饱和状态时，励磁电流和和励磁电动势之间不再满足线性关系，但是由于正常运行时同步电机只有一条空载特性曲线，故励磁电流和励磁电动势仍具有一一对应的函数关系，可以通过matlab拟合工具将对应的函数关系表示出来，如下所示

其中n为拟合公式的阶数，k

考虑到误差影响，一般只需要6阶表达式即可满足要求。

步骤5：读取电机相关参数，通过

将机组有功功率、无功功率、电压、电流、同步电抗数据代入公式(14)得到励磁电动势，再将励磁电动势代入公式(21)得到励磁电流计算值。

步骤6：使用电流监测装置测出同步电动机的励磁电流，并与所计算出的励磁电流进行比较，用到的判据是

步骤7：设置大阈值和小阈值；具体包括：若判据超过大阈值则判别同步电动机发生了匝间短路故障较为严重，需要立即停机；若判据未超过大阈值但超过小阈值，则判别同步电动机可能发生了匝间短路故障，并对后续数据进行分析

励磁电流匝间短路判据计算的值可以近似反映同步电动机的匝间短路故障的程度。考虑到计算精度和实际检测误差等因素，设置a％的大阈值为3％。当励磁电流相对偏差大于阈值3％时可以认为同步电动机存在较为严重匝间短路故障，需要停机检修。设置a％的小阈值为1％，当励磁电流相对偏差小于3％且大于1％时，同步电动机继续运行，并对后续数据进行分析，若后续连续两秒的数据的判据大于1％，则判定出现了匝间短路故障；否则判定为未发生匝间短路故障。

本实施方式基于张河湾水电站的抽水蓄能发电电动机的抽水时的运行数据，验证该发明方法的可行性。

表1张河湾抽水蓄能发电电动机基本参数

如图3是该机组的空载特性曲线，对空载特性曲线进行反向拟合，得到

I

其中k

表2正常同步电动机运行参数及电流偏差

下表是机组抽水时转子匝间短路时运行的数据

表3转子匝间短路故障后同步电动机运行参数及电流偏差

可以看出机组正常运行时判据小于1％，匝间短路时判据大于3％，验证了此方法的可行性。

本发明可以做到对凸极同步电动机进行实时监测，且不受机组运行状态的影响。可以使用同步电动机原有的传感器和自身参数，就可实现发电机转子匝间短路故障的在线诊断。判断转子匝间短路故障十分便捷有效，可以用于凸极同步电动机的早期诊断。