基于定子電流注入的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法，尤其是一種基于定子電流 注入的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法，屬于發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短路故障一直是困擾工程技術(shù)人員的難題，近些年關(guān)于同步 電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷取得了快速的進(jìn)展，一些檢測(cè)方法不斷在實(shí)際應(yīng)用中得到完 善和發(fā)展，幫助運(yùn)行人員縮短了故障處理時(shí)間，降低了機(jī)組停運(yùn)時(shí)間。
[0003]目前對(duì)轉(zhuǎn)子繞組短路的診斷主要包含離線(xiàn)和在線(xiàn)兩種方式，其中在線(xiàn)診斷方式由 于可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而被人們推崇，目前在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法主要包括：探測(cè)線(xiàn)圈法、勵(lì)磁電流 法、虛功率法、軸電壓法等，這些方法各有優(yōu)勢(shì)，其中一些方法已經(jīng)在電力系統(tǒng)中有成熟的 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在抗干擾和提高診斷靈敏性方面各種方法都還有一定的發(fā)展空間。轉(zhuǎn)子繞組的 離線(xiàn)診斷方法較多，具體包括：空載試驗(yàn)法、短路試驗(yàn)法、開(kāi)口變壓器法、直流電阻法、交流 阻抗法、分布電壓法、兩極電壓平衡試驗(yàn)法、RSO法。離線(xiàn)檢測(cè)方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)同步電機(jī) 的轉(zhuǎn)子繞組短路故障，但是多年來(lái)一直被運(yùn)行、檢修人員廣泛使用，這是因?yàn)椋海?)轉(zhuǎn)子繞 組短路故障對(duì)于同步電機(jī)非致命性故障，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組短路故障后，在發(fā)電機(jī)振 動(dòng)不嚴(yán)重的情況下通常不會(huì)選擇立即停機(jī)檢修。（2)離線(xiàn)檢測(cè)方法在停機(jī)狀態(tài)下完成，可以 有效排除各類(lèi)干擾，其檢測(cè)可靠性較高。因此，幾乎所有的大型同步電機(jī)在出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組短 路故障特征后，都要進(jìn)行相關(guān)的離線(xiàn)測(cè)試試驗(yàn)，其中，開(kāi)口變壓器法、分布電壓法、兩極電壓 平衡試驗(yàn)法等需要抽出轉(zhuǎn)子。眾所周知，抽出轉(zhuǎn)子檢查故障需要更長(zhǎng)的停運(yùn)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)成本 高昂，而且可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)子回裝后機(jī)組振動(dòng)變差現(xiàn)象，因此，離線(xiàn)檢測(cè)應(yīng)盡量避免抽出發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子?？蛰d短路試驗(yàn)法、RSO法、直流電阻法及交流阻抗法就屬于不需要抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的 離線(xiàn)檢測(cè)方法?？蛰d短路試驗(yàn)法是通過(guò)對(duì)比發(fā)電機(jī)空載短路曲線(xiàn)與正常時(shí)的偏差判斷轉(zhuǎn)子 繞組短路故障。RSO方法是根據(jù)行波原理在轉(zhuǎn)子繞組的兩端分別注入階躍信號(hào)，通過(guò)比較反 射波信號(hào)差異判斷轉(zhuǎn)子繞組短路故障。直流電阻法和交流阻抗法是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子的直、交 流阻抗判斷是否發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組短路故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于定子電流注入的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短 路故障診斷方法。
[0005] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0006] -種基于定子電流注入的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟A.任一選擇所述同步電機(jī)的定子的一相繞組作為交流電壓輸入繞組，連接 交流電壓源，所述交流電壓輸入繞組，在交流電壓源激勵(lì)下產(chǎn)生交流電流，在所述發(fā)電機(jī)內(nèi) 部形成脈振磁場(chǎng)；
[0008] 步驟B.旋轉(zhuǎn)所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)與所述交流電壓輸入繞組軸線(xiàn) 相重合，所述脈振磁場(chǎng)垂直穿過(guò)所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組；
[0009] 步驟C.測(cè)量所述交流電壓輸入繞組的電壓和電流，計(jì)算測(cè)量交流阻抗Z' ；
[0010] 步驟D.計(jì)算故障判據(jù)值a% :
[0011]
Cl)
[0012] 其中Z為所述流電壓輸入繞組等電壓條件下測(cè)量的正常交流阻抗；
[0013] 步驟E.判斷所述故障判據(jù)值a%是否大于預(yù)設(shè)閾值，如果是，則判定所述同步電 機(jī)存在轉(zhuǎn)子繞組短路故障；如果否，則判定所述同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組沒(méi)有出現(xiàn)短路故障。
[0014] 作為優(yōu)選，所述故障判據(jù)a%的閾值設(shè)定為0. 2%。
[0015] 所述計(jì)算測(cè)量交流阻抗Z'的方法為：
[0016]
(2)
[0017] 其中，U'表示計(jì)算測(cè)量交流阻抗Z'時(shí)，施加在所述交流電壓輸入繞組的交流電壓 值，I'表示所述交流電壓輸入繞組流過(guò)的交流電流值；
[0018] 所述交流電壓輸入繞組等電壓條件下測(cè)量的正常交流阻抗Z的計(jì)算方法為：
[0019]
Γ3)
[0020] 其中，U表示等電壓條件下測(cè)量的正常交流阻抗Z時(shí)施加在所述交流電壓輸入繞 組的交流電壓值，I表示所述交流電壓輸入繞組流過(guò)的交流電流值。
[0021] 采用上述技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果在于：
[0022] 本發(fā)明的診斷方法不需要抽出轉(zhuǎn)子，避免了轉(zhuǎn)子回裝后可能出現(xiàn)的振動(dòng)狀態(tài)變差 情況。本方法的檢測(cè)成本低且速度快，達(dá)到了較高的診斷精度，可廣泛應(yīng)用于同步電機(jī)轉(zhuǎn)子 繞組短路故障的離線(xiàn)檢測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是轉(zhuǎn)子繞組等效電路。
[0024] 圖2是轉(zhuǎn)子q軸與A相軸線(xiàn)重合情況的示意圖。
[0025] 圖3是轉(zhuǎn)子q軸與A相軸線(xiàn)重合情況的等效電路。
[0026] 圖4是轉(zhuǎn)子d軸與A相軸線(xiàn)重合情況的示意圖。
[0027] 圖5是轉(zhuǎn)子d軸與A相軸線(xiàn)重合情況的等效電路。
[0028] 圖6是轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖。
[0029] 圖7是轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路電壓。
[0030] 圖8是定轉(zhuǎn)子繞組電壓。
[0031] 圖9是定轉(zhuǎn)子繞組電流。
[0032] 圖10是定子繞組電流。
[0033] 圖11是轉(zhuǎn)子被短路繞組電流。
[0034] 圖12是轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)二極管短路實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖。
[0035] 圖13是定轉(zhuǎn)子繞組電壓。
[0036] 圖14是定轉(zhuǎn)子繞組電流。
[0037] 圖15是轉(zhuǎn)子繞組電流。
[0038] 圖16是被短路繞組電流。
[0039] 圖17是定子繞組電流。
[0040] 圖中，1表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，2表示被短路的轉(zhuǎn)子繞組，3表示q軸阻尼等效繞組， 4表示d軸阻尼等效繞組，I f表示勵(lì)磁電流，?表示施加在定子A相繞組上的交流電壓，i表 示定子A相繞組流過(guò)的交流電流，d)表示發(fā)電機(jī)內(nèi)部的主磁通，2 1表示定子A相繞組的漏阻 抗，Zni定子A相繞組的激磁阻抗，Z q表示q軸阻尼繞組漏阻抗歸算值，K表示轉(zhuǎn)子繞組斷開(kāi) 或閉合的等效開(kāi)關(guān)，Zd表示d軸阻尼繞組漏阻抗歸算值，Z shwt表示被短路的轉(zhuǎn)子繞組漏阻 抗歸算值，C1表示轉(zhuǎn)子繞組N極0%位置的抽頭，C 2表示轉(zhuǎn)子繞組N極5%位置的抽頭，C3 表示轉(zhuǎn)子繞組N極15%位置的抽頭，C4表示轉(zhuǎn)子繞組S極7. 5%位置的抽頭，C 5表示轉(zhuǎn)子 繞組S極0%位置的抽頭。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0042] 一種基于定子電流注入的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障診斷方法，包括以下步驟：
[0043] 步驟A.任一選擇所述同步電機(jī)的定子的一相繞組作為交流電壓輸入繞組，連接 交流電壓源，所述交流電壓輸入繞組，在交流電壓源激勵(lì)下產(chǎn)生交流電流，在所述發(fā)電機(jī)內(nèi) 部形成脈振磁場(chǎng)；
[0044] 步驟B.旋轉(zhuǎn)所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子繞組軸線(xiàn)與所述交流電壓輸入繞組軸線(xiàn) 相重合，所述脈振磁場(chǎng)垂直穿過(guò)所述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組；
[0045] 步驟C.測(cè)量所述交流電壓輸入繞組的電壓和電流，計(jì)算測(cè)量交流阻抗Z' ；
[0046] 步驟D.計(jì)算故障判據(jù)值a% :
[0047]
Cl)
[0048] 其中Z為所述流電壓輸入繞組等電壓條件下測(cè)量的正常交流阻抗；
[0049] 步驟E.判斷所述故障判據(jù)值a%是否大于預(yù)設(shè)閾值，如果是，則判定所述同步電 機(jī)存在轉(zhuǎn)子繞組短路故障；如果否，則判定所述同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組沒(méi)有出現(xiàn)短路故障。
[0050] 作為優(yōu)選，所述故障判據(jù)a%的閾值設(shè)定為0. 2%。
[0051] 所述計(jì)算測(cè)量交流阻抗Z'的方法為：
[0052]
(2)
[0053] 其中，U'表示計(jì)算測(cè)量交流阻抗Z'時(shí)，施加在所述交流電壓輸入繞組的交流電壓 值，I'表示所述交流電壓輸入繞組流過(guò)的交流電流值；
[0054] 所述交流電壓輸入繞組等電壓條件下測(cè)量的正常交流阻抗Z的計(jì)算方法為：
[0055]
(3)
[0056] 其中，U表示等電壓條件下測(cè)量的正常交流阻抗Z時(shí)施加在所述交流電壓輸入繞 組的交流電壓值，I表示所述交流電壓輸入繞組流過(guò)的交流電流值。
[0057] 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路故障后，其等效電路見(jiàn)圖1，圖中方框內(nèi)部是整流部 分，對(duì)于靜止勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，整流部分略有區(qū)別。圖1中被短路繞組隨發(fā)電機(jī)磁場(chǎng) 同步旋轉(zhuǎn)，短路繞組內(nèi)部電流為零，失去勵(lì)磁作用。
[0058] 將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到某一位置保持不變，在定子A相繞組上施加交流電壓，增大 交流電壓同時(shí)觀察A相交流電流，確保其不超過(guò)額定值。
[0059] 1)轉(zhuǎn)子q軸與A相軸線(xiàn)重合情況。此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組平行于A相繞組軸線(xiàn)，無(wú)交變磁 通穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞組，被短路繞組內(nèi)部無(wú)電流，僅q軸阻尼繞組有電流流過(guò)。定子A相繞組相當(dāng) 于變壓器的原邊繞組，q軸阻尼繞組相當(dāng)于變壓器副邊的短路繞組，如圖2和圖3所示。
[0060] 與之對(duì)應(yīng)的，A相繞組的交流阻抗為：
[0061]
⑷
[0062] 其中，Z1為定子A相繞組的漏阻抗，Z "為激磁阻抗，Z q為q軸阻尼繞組漏阻抗歸算 值。
[0063] 2)轉(zhuǎn)子d軸與A相繞組軸線(xiàn)重合情況。A相繞組產(chǎn)生的交變磁通垂直穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞 組，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組存在匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)交流電勢(shì)，被短路繞組存在交流電流，d軸阻 尼繞組中也有電流流過(guò)。A相繞組相當(dāng)于變壓器的原邊繞組，d軸阻尼繞組、轉(zhuǎn)子繞組以及 被短路繞組相當(dāng)于變壓器副邊繞組，類(lèi)似于四繞組變壓器，如圖4和圖5所示。
[0064] 對(duì)于靜止勵(lì)磁同步電機(jī)，可以將碳刷與滑環(huán)分離使得轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路，即圖4、圖5 開(kāi)關(guān)K保持常開(kāi)狀態(tài)，則對(duì)應(yīng)的A相繞組交流阻抗為：
[0065]