一种无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，包括反向计算所述无刷励磁发电机正常状态下无功功率理论值Q、计算所述无刷励磁发电机的无功功率实测值Q’与无功功率理论值Q的无功功率相对偏差和比较无功功率相对偏差与预设阈值大小关系判断转子绕组匝间短路故障是否发生的步骤。它提高了无刷励磁发电机转子绕组匝间短路检测方面准确性。弥补了无刷励磁发电机采用励磁电流法时励磁电流不可测的缺陷，可以对任意工况下的故障进行检测，判据的大小可以直接反映短路故障的严重程度。它不必增加新的监测点，操作简便，灵敏度高，节约成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，尤其是一种无刷 励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法,属于发电机故障诊断技术领域。

背景技术

目前，在线检测转子绕组匝间短路故障的方法主要有探测线圈法、励磁电 流法以及基于转子基频振动的检测方法。

探测线圈法是对发电机定子铁芯气隙中的旋转磁场进行微分，然后通过分 析信号微分后的波形来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障以及故障槽的位 置。但是，该方法只适合诊断分布式绕组的隐极电机而且只在电机空载状态才 能获得较高的监测可靠性，而当电机带载运行时，探测效果并不明显，检测准 确度较差。

励磁电流法是根据短路故障前后励磁电流的变化来监测转子短路故障，但 是无刷励磁系统的励磁电流是不可测的，该方法不适用于无刷励磁发电机。

基于电机转子的基频振动的检测方法是通过分析转子的振动信号来检测故 障的，然而转子振动是机电交叉作用的结果，包括质量不平衡和动偏心等初始 状态的影响，这使得短路发生后电机的基频振动可能仍处于正常范围，无法检 测出故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故 障诊断方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：反向计算所述无刷励磁发电机正常状态下无功功率理论值Q；

步骤2：计算所述无刷励磁发电机的无功功率实测值Q^’与无功功率理论值Q 的无功功率相对偏差a％：

$a\%=\frac{Q-Q^{\prime }}{Q+U^2/x_d}---\left(1\right)$

其中U是定子电压，x_d是纵轴同步电抗；

步骤3：如果所述无功功率相对偏差a％大于预设阈值，判断无刷励磁发电 机转子绕组存在匝间短路故障；否则，判断无刷励磁发电机转子绕组不存在匝 间短路故障。

所述步骤1包括以下分步骤：

步骤1-1：采集所述无刷励磁发电机正常运行时的电气参数，计算所述无 刷励磁发电机正常运行时发电机励磁I_fd；所述电气参数包括有功功率P、无功 功率Q、定子电压U和励磁机的励磁电流I_f；

步骤1-2：建立所述无刷励磁发电机无功功率计算模型Q(P,U,I_fd)：

以所述无刷励磁发电机正常运行时的有功功率P、无功功率Q、定子电压U 和励磁机的励磁电流I_f为输入数据，以无功功率Q为输出数据，拟合无功功率 计算模型Q(P,U,I_fd)；

步骤1-3：同步采集所述无刷励磁发电机运行时的无功功率Q^’、有功功率 P’、定子电压U’和励磁机的励磁电流I’_f，计算所述无刷励磁发电机运行时的励 磁电流I’_fd；

步骤1-4：将所述无刷励磁发电机运行时的有功功率P’、定子电压U’和励 磁电流I’_fd带入无功功率计算模型Q(P,U,I_fd)，计算所述无刷励磁发电机运行时 的无功功率理论值Q。

所述步骤1-2使用神经网络拟合所述无功功率计算模型Q(P,U,I_fd)。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、它利用发电机转子绕组发生匝间短路后，有效磁场减弱，输出无功功率 减小的特征，采用无功功率相对偏差的判据来进行故障识别,提高了无刷励磁 发电机转子绕组匝间短路检测方面准确性。

2、它通过无功功率的相对偏差来判断无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故 障，弥补了无刷励磁发电机采用励磁电流法时励磁电流不可测的缺陷，可以对 任意工况下的故障进行检测，判据的大小可以直接反映短路故障的严重程度。

3、它不必增加新的监测点，操作简便，灵敏度高，节约成本。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明步骤1的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

一种无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：反向计算所述无刷励磁发电机正常状态下无功功率理论值Q；

步骤2：计算所述无刷励磁发电机的无功功率实测值Q’与无功功率理论值Q 的无功功率相对偏差a％：

$a\%=\frac{Q-Q^{\prime }}{Q+U^2/x_d}---\left(1\right)$

其中U是定子电压，x_d是纵轴同步电抗；

步骤3：如果所述无功功率相对偏差a％大于预设阈值，判断无刷励磁发电 机转子绕组存在匝间短路故障；否则，判断无刷励磁发电机转子绕组不存在匝 间短路故障。

所述步骤1包括以下分步骤：

步骤1-1：采集所述无刷励磁发电机正常运行时的电气参数，计算所述无 刷励磁发电机正常运行时发电机励磁I_fd；所述电气参数包括有功功率P、无功 功率Q、定子电压U和励磁机的励磁电流I_f；

步骤1-2：建立所述无刷励磁发电机无功功率计算模型Q(P,U,I_fd)：

以所述无刷励磁发电机正常运行时的有功功率P、无功功率Q、定子电压U 和励磁机的励磁电流I_f为输入数据，以无功功率Q为输出数据，拟合无功功率 计算模型Q(P,U,I_fd)；

步骤1-3：同步采集所述无刷励磁发电机运行时的无功功率Q^’、有功功率 P’、定子电压U’和励磁机的励磁电流I’_f，计算所述无刷励磁发电机运行时的励 磁电流I’_fd；

步骤1-4：将所述无刷励磁发电机运行时的有功功率P’、定子电压U’和励 磁电流I’_fd带入无功功率计算模型Q(P,U,I_fd)，计算所述无刷励磁发电机运行时 的无功功率理论值Q。

所述步骤1-2使用神经网络拟合所述无功功率计算模型Q(P,U,I_fd)。

无功功率相对偏差a％大小表征转子绕组的短路程度，数值越大，短路程度 越严重。

考虑到发电机参数和数据采集过程中的误差，本实施例的阈值为4％如果 a％>阈值，无刷励磁发电机发生转子绕组匝间短路故障；如果a％≤阈值，无刷 励磁发电机无转子绕组匝间短路故障。

对于无刷励磁发电机，励磁电流是不能实测的，发电机励磁是由励磁机的 励磁控制的，我们可以利用可测的励磁机的励磁电流，根据励磁机及整流系统 数学模型，计算出正常运行情况下发电机励磁。正常条件下，对于发电机的某 一确定状态(励磁、有功及端电压一定时)，可以计算出无功功率计算标准值Q， 然后将它与无功功率的实际测量值Q’进行比较，通过实际测量值相对标准值的 变化率来判断是否发生转子绕组匝间短路。

假定Q无功计算值，Q’无功测量值，I_f励磁机励磁电流，I_fd发电机励磁电 流，P有功功率，U定子电压，w_fd转子绕组匝数，w’_fd转子绕组剩余匝数，p发 电机极对数，ψ同步电机各绕组磁链矩阵，R同步电机各绕组电阻矩阵，I同步 电机各绕组电流矩阵，ω电机转速，u_d定子绕组电压纵轴分量，u_q定子绕组电 压横轴分量，u₀定子绕组电压零轴分量，u_fd转子绕组励磁电压，ψ_d同步电机定 子绕组纵轴磁链，ψ_q同步电机定子绕组横轴磁链，ψ₀同步电机定子绕组零轴 磁链，ψ_fd同步电机转子绕组磁链，ψ_1d等效纵轴阻尼绕组磁链，ψ_1q等效横轴 阻尼绕组磁链，i_d定子绕组电流纵轴分量，i_q定子绕组电流横轴分量，i₀定子 绕组电流零轴分量，I_1d等效纵轴阻尼绕组电流，I_1q等效横轴阻尼绕组电流，r 定子绕组电阻，R_fd励磁绕组电阻，R_1d等效纵轴阻尼绕组电阻，R_1q等效横轴阻尼 绕组电阻，x_d纵轴同步电抗，x_ad纵轴电枢反应电抗，x_q横轴同步电抗，x_aq横轴 电枢反应电抗，x₀零轴同步电抗，x_ffd励磁绕组电抗，x_f1d励磁绕组与纵轴阻尼 绕组互感抗，x_11d纵轴阻尼绕组电抗，x_11q横轴阻尼绕组电抗，δ发电机功角， i_a定子绕组A相电流，i_b定子绕组B相电流，i_c定子绕组C相电流，E发电机空 载电动势，L_ad同步电机纵轴电枢反应电感系数，M_afd定子A相绕组与励磁绕组的 总互感系数，M_afd0定子A相绕组与励磁绕组的总互感系数最大值，L_δ定子自感 基值，k_ifd定子电流基值与转子电流基值比，i_δ定子电流基值，I_fdδ转子电流基 值，τ电机极距，l电机定子线棒有效长度，a_s定子绕组支路数，a_fd各极励磁 绕组支路数，k_0δ1定子绕组基波绕组系数，k_0δfd1励磁绕组基波绕组系数，λ_d11气隙磁导系数，w定子绕组匝数，U’发电机转子绕组匝间短路故障后的输出电压， E’发电机转子绕组匝间短路故障后的空载电动势，δ’发电机转子绕组匝间短路 故障后的功角。

基于无功相对偏差的无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊断判据的推 导如下：

无刷励磁发电机派克方程为：$U=\mathrm{p\psi }+\mathrm{RI}+\omega \left(\begin{array}{c}-{\psi }_q\\ {\psi }_d\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中：$U=\left(\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\\ u_0\\ u_{\mathrm{fd}}\\ 0\\ 0\end{array}\right)\psi =\left(\begin{array}{c}{\psi }_d\\ {\psi }_q\\ {\psi }_0\\ {\psi }_{\mathrm{fd}}\\ {\psi }_{1d}\\ {\psi }_{1q}\end{array}\right)I=\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\\ I_{\mathrm{fd}}\\ I_{1d}\\ I_{1q}\end{array}\right)R=\left(\begin{array}{cccccc}-r& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& -r& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -r& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& R_{\mathrm{fd}}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& R_{1d}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& R_{1q}\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{\psi }_d\\ {\psi }_q\\ {\psi }_0\\ {\psi }_{\mathrm{fd}}\\ {\psi }_{1d}\\ {\psi }_{1q}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccccc}-x_d& 0& 0& x_{\mathrm{ad}}& x_{\mathrm{ad}}& 0\\ 0& -x_q& 0& 0& 0& x_{\mathrm{aq}}\\ 0& 0& -x_0& 0& 0& 0\\ -x_{\mathrm{ad}}& 0& 0& x_{\mathrm{ffd}}& x_{f1d}& 0\\ -x_{\mathrm{ad}}& 0& 0& x_{f1d}& x_{11d}& 0\\ 0& -x_{\mathrm{aq}}& 0& 0& 0& x_{11q}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\\ I_{\mathrm{fd}}\\ I_{1d}\\ I_{1q}\end{array}\right)$

假定发电机在稳态对称条件下带负载运行，功角为δ，所以有边界条件：

I_1d＝0,I_1q＝0,ω＝1,ψ_d＝恒值,ψ_q＝恒值,u_d＝Usinδ,u_q＝Ucosδ

代入派克方程得：

u_d＝-ψ_q-ri_d＝x_qi_q-ri_d       (3)

u_q＝ψ_d-ri_q＝E-x_di_d-ri_q      (4)

$i_d=\frac{-{\mathrm{ru}}_d+x_q(E-u_q)}{r^2+x_d{x}_q}=\frac{-\mathrm{rU}\sin \delta +x_q(E-U\cos \delta )}{r^2+x_d{x}_q}---\left(5\right)$

$i_q=\frac{x_d{u}_d+r(E-u_q)}{r^2+x_d{x}_q}=\frac{x_{d}U\sin \delta +r(E-U\cos \delta )}{r^2+x_d{x}_q}---\left(6\right)$

在实际的同步发电机中，定子电阻r的值一般均很小,因此，上式可简化 为：

$i_d=\frac{E-U\cos \delta }{x_d}---\left(7\right)$

$i_q=\frac{U\sin \delta }{x_d}---\left(8\right)$

那么将上面的结果带入，同步发电机输出有功功率及无功功率分别为：

$P=u_d{i}_d+u_q{i}_q=\frac{\mathrm{EU}}{x_d}\sin \delta +(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})\frac{U^2}{2}\sin 2\delta ---\left(9\right)$

$Q=u_q{i}_d-u_d{i}_q=\frac{\mathrm{EU}}{x_d}\cos \delta -(\frac{1}{x_q}+\frac{1}{x_d})\frac{U^2}{2}+(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d})\frac{U^2}{2}\cos 2\delta ---\left(10\right)$

若为隐极同步电机，x_q＝x_d，则：

$P=\frac{\mathrm{EU}}{x_d}\sin \delta ---\left(11\right)$

$Q=\frac{\mathrm{EU}}{x_d}\cos \delta -\frac{U^2}{x_d}---\left(12\right)$

发电机空载电动势：

E＝x_adI_fd      (13)

其中：

x_ad＝L_ad＝M_afd      (14)

$M_{\mathrm{afd}}=\frac{M_{\mathrm{afd}0}}{L_{\delta }}\frac{1}{k_{\mathrm{ifd}}}---\left(15\right)$

$k_{\mathrm{ifd}}=\frac{i_{\delta }}{I_{\mathrm{fd\delta }}}---\left(16\right)$

$M_{\mathrm{afd}0}=\frac{16\mathrm{\tau lp}}{a_s{a}_{\mathrm{fd}}{\pi }^2}\left(w_{\mathrm{fd}}{k}_{0\mathrm{\delta fd}1}\right)\left(\frac{w}{2p}{k}_{0\delta 1}\right){\lambda }_{d11}---\left(17\right)$

将式(13)～式(16)带入式(12)，得到发电机空载电动势为：

$E=\frac{16\mathrm{\tau lp}}{L_{\delta }{k}_{\mathrm{ifd}}{a}_s{a}_{\mathrm{fd}}{\pi }^2}\left(w_{\mathrm{fd}}{k}_{0\mathrm{\delta fd}1}\right)\left(\frac{w}{2p}{k}_{0\delta 1}\right){\lambda }_{d11}---\left(18\right)$

将式(17)带入式(11)得到发电机输出无功和转子匝数关系：

$Q={\mathrm{aw}}_{\mathrm{fd}}\frac{U}{x_d}\cos \delta -\frac{U^2}{x_d}---\left(19\right)$

其中：

$a=\frac{16\mathrm{\tau lp}}{L_{\delta }{k}_{\mathrm{ifd}}{a}_s{a}_{\mathrm{fd}}{\pi }^2}{k}_{0\mathrm{\delta fd}1}\left(\frac{w}{2p}{k}_{0\delta 1}\right){\lambda }_{d11}---\left(20\right)$

如果转子绕组发生匝间短路，则无功输出变为：

$\left(\begin{array}{c}{Q}^{\prime }=\frac{E^{\prime }{U}^{\prime }}{x_d}\cos {\delta }^{\prime }-\frac{U^{\prime 2}}{x_d}=\frac{16\mathrm{\tau lp}}{L_{\delta }{k}_{\mathrm{ifd}}{a}_s{a}_{\mathrm{fd}}{\pi }^2}\left(w_{\mathrm{fd}}^{\prime }{k}_{0\mathrm{\delta fd}1}\right)\left(\frac{w}{2p}{k}_{0\delta 1}\right){\lambda }_{d11}\frac{U^{\prime }}{x_d}\cos {\delta }^{\prime }-\frac{U^{\prime 2}}{x_d}\\ =a{w}_{\mathrm{fd}}^{\prime }\frac{U^{\prime }}{x_d}\cos {\delta }^{\prime }-\frac{U^{\prime 2}}{x_d}\end{array}\right)---\left(21\right)$

式中，加撇量为转子绕组发生匝间短路后发电机量值。

经变换得到发电机发生转子绕组匝间短路故障前后转子绕组匝数表达式：

$w_{\mathrm{fd}}=\frac{{\mathrm{Qx}}_d}{a\cos \mathrm{\delta U}}+\frac{U}{a\cos \delta }---\left(21\right)$

$w_{\mathrm{fd}}^{\prime }=\frac{Q^{\prime }{x}_d}{a\cos {\delta }^{\prime }U}+\frac{U^{\prime }}{a\cos {\delta }^{\prime }}---\left(22\right)$

转子绕组发生匝间短路故障后短路程度判据为：

$a\%=\frac{w_{\mathrm{fd}}-w_{\mathrm{fd}}^{\prime }}{w_{\mathrm{fd}}}=\frac{\frac{{\mathrm{Qx}}_d}{a\cos \mathrm{\delta U}}+\frac{U}{a\cos \delta }-(\frac{Q^{\prime }{x}_d}{a\cos {\delta }^{\prime }{U}^{\prime }}+\frac{U^{\prime }}{a\cos {\delta }^{\prime }})}{\frac{Q{x}_d}{a\cos \mathrm{\delta U}}+\frac{U}{a\cos \delta }}---\left(23\right)$

由于发电机并网运行，发电机端口电压在转子绕组匝间短路故障前后保持 不变:

$a\%=\frac{w_{\mathrm{fd}}-w_{\mathrm{fd}}^{\prime }}{w_{\mathrm{fd}}}=\frac{Q-Q^{\prime }}{Q+\frac{U^2}{x_d}}---\left(24\right)$

式(24)就是基于无功相对偏差的无刷励磁发电机转子绕组匝间短路故障诊 断新判据，该判据比无功变化相对值略微小一点，说明发电机转子匝间短路故 障引起无功变化更大，如果是凸极发电机，根据发电机输出无功公式，和隐极 机相比，判据比无功相对值更小一点。另外在推倒过程中没有考虑发电机磁场 饱和影响，由于磁场饱和会引起磁场密度相对减小，无功输出将减小，因此该 判据数值会受其影响，如果发电机是欠励运行影响几乎没有，如果是过励，影 响程度随过励程度增加而增加。另外该判据也适应于有刷励磁发电机。

在本实施例中，无刷励磁发电机正常并网运行状态下，有功功率保持在18％ 左右，改变励磁绕组匝间短路程度，短路程度从0依次增加至20％，验证本发 明的有效性，定子电流为20A时的发电机电气状态监测量在线记录数据及计算 结果见表1。可见判据计算值a％与实验短路匝数百分比接近，验证了本发明的 准确性。

表1