汽轮发电机转子绕组匝间短路故障在线监测技术研究

摘要

发电机的在线监测系统是目前电力工业应用综合性新技术最多的一个方面，汽轮发电机转子绕组匝间短路在线监测技术则是这一监测系统中的重要组成部分，对汽轮发电机组的安全运行以及状态维修具有重要意义。但目前国内外研制的汽轮发电机转子绕组匝间短路监测系统，只是在制造厂内或发电机工作在空载及短路的状态下才能发挥一定的监测作用。由于在线监测技术自身的复杂性和特殊性，目前还不能对发电机转子绕组匝间短路故障进行在线监测。本文对汽轮发电机转子绕组匝间短路故障在线监测技术进行了系统研究。
　　发电机转子绕组发生匝间短路故障时，必然要引起电磁场的变化。本文采用有限元法，分析计算在不同工况下发生匝间短路故障时电磁场的分布，研究了探测线圈上感应电动势信号的特征。对影响监测结果的各个因素进行了定量分析，提出了提高信噪比从而提高监测准确度的方法，为设计探测线圈提供了理论依据。
　　探测线圈监测法，就是利用探测线圈获得气隙磁场在其上的感应电动势波形，通过监测该波形的畸变判断转子绕组匝间短路故障。传统的方法之所以不能实现在线监测与诊断，主要原因是没有采用有效的数字信号处理技术。本文根据故障信号的特征，提出采用小波分析法，选用合适的小波基，分析处理探测线圈上的感应电动势波形信号。本文通过对仿真试验和现场空载试验数据处理的结果，验证小波分析法适用于监测探测线圈上感应电动势波形的畸变。
　　发电机负载运行时，通过探测线圈获得的感应电动势波形中含有大量的噪声干扰信号，使波形严重扭曲非常难以辨认，消噪是实现在线监测的关键问题。在深入研究有用信号和噪声信号的特征及频率范围的基础上，提出基于小波分析的消噪方法。该方法结合电磁场数值计算的结果和感应电动势信号的特征，有效地实现了信噪分离。应用该方法对仿真数据和实验数据进行了处理，表明该方法可以对探测线圈上的感应电动势信号进行消噪处理，实现对故障点的监测。
　　为了实现对匝间短路故障的在线监测，必须进行现场真机实验。电力生产是一个连续的过程，启、停机试验代价很高。试验中，频繁地调节发电机的工况，对电网的安全性和经济性都有不良影响，一般是不允许的。因此，汽轮发电机的真机试验极其困难。作者根据多年的工作经验和为电力系统服务的基础，成功地在铁岭、豆坝等电厂的发电机组上进行了真机实验，采集到了探测线圈上在不同工况下感应电动势波形的信号。该实验一方面在没有出现故障的发电机上进行，另一方面在已知出现匝间短路故障的发电机上进行，获得了大量实测数据，并对这些数据进行了处理，验证了本文提出的监测方法的有效性和可靠性。
　　本文以电磁场数值计算为基础，以小波分析为手段，以现场试验数据为根据，提出了切实可行的汽轮发电机转子绕组匝间短路故障在线监测方法。

目录

汽轮发电机转子绕组匝间短路故障 在线监测技术研究

STUDY OF ON-LINE CHECKING TECHNIQUE OF INTERTURN SHORT CIRCUIT FAULT IN TURBOGENERATOR ROTOR WINDINGS

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 发电机的在线监测

1.2发电机转子绕组匝间短路故障及研究意义

1.3匝间短路监测技术的发展概况

1.3.1 国外的发展情况

1.3.2 国内的发展情况

1.3.3 转子绕组匝间短路监测的新方法

1.4存在的问题

1.5 本文的主要研究内容

第2章 转子绕组匝间短路时电磁场机理分析

2.1 基本原理

2.1.1 算例及计算场域的选取和剖分

2.1.2 二维电磁场的计算

2.2 计算结果

2.2.1 空载工况

2.2.2 负载工况

2.2.3 短路工况

2.3 探测线圈感应电动势谐波的频谱

2.4各种因素对监测结果的影响

2.4.1 探测线圈匝数对监测结果的影响

2.4.2 探测线圈安装位置对监测结果的影响

2.4.3 槽加工公差对监测结果的影响

2.4.4 转子偏心对监测结果的影响

2.4.5 剩磁对监测结果的影响

2.4.6 运行方式对监测结果的影响

2.4.7 发电机饱和对监测结果的影响

2.5 本章小结

第3章 小波分析法的应用

3.1 小波分析方法的引入

3.2 多分辨分析及Mallat算法

3.2.1 多分辨分析

3.2.2 小波变换的Mallat算法

3.3 小波基的选择

3.4 小波变换模极大值的故障监测法

3.5 转子绕组匝间短路故障信号的小波分析

3.5.1 仿真信号的处理

3.5.2 实测空载信号的处理

3.6 本章小结

第4章 转子绕组匝间短路信号的消噪方法

4.1 基本消噪模型和一般消噪方法

4.1.1 基本消噪模型

4.1.2 小波分析用于信号消噪的一般方法

4.1.3 阈值函数的选取

4.1.4 阈值的选取

4.2 仿真研究

4.3 负载工况下匝间短路故障信号的消噪方法

4.3.1 感应电动势信号成份分析

4.3.2 匝间短路时感应电动势信号的特点

4.3.3 匝间短路故障信号消噪过程

4.4 本章小结

第5章 转子绕组匝间短路试验研究

5.1 试验机组及参数

5.2 试验装置

5.2.1 探测杆

5.2.2 信号放大单元

5.2.3 高速模/数转换单元

5.2.4 工业控制机

5.2.5 装置的软件设计

5.3 试验过程

5.4 试验结果处理及分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间所发表的学术论文

攻读博士学位期间科研获奖成果

哈尔滨工业大学工学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学工学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历