（电机与电器专业论文）基于虚拟仪器的发电机转子匝间短路诊断系统的研制.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器的发电机转子匝间 短路诊断系统的研制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：重丛餐 日期：协口舌。3 吕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：重盥 日期：鲨! ! ：! ：l 导师签名：零硼 日期塑! ：! ! 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 发电机转子匝间短路故障诊断研究的意义 发电机作为电能生产的基本设备，是电力系统的心脏，其可靠性直接影响到电 网的稳定运行以及向用户安全、经济的供电。随着国民经济的发展、人类科学技术 的进步和社会现代化、工业化、自动化的不断发展，尤其是巨型集团企业和综合性 生活社区的出现，人类的生活及生产过程对电力的依赖和需求日益增强，进而对电 力系统的供电质量、可靠性及经济性等指标的要求也在不断提高。由于工业加工技 术、电力电子技术、绝缘技术、计算机技术等相关学科的不断进步，使得电力系统 运行可靠性指标的实现成为可能，汽轮发电机组正向着大容量、高可靠性、高效率 和自动化管理方向发展。 继电保护学科的不断发展和完善，过电流保护、过电压保护、欠电压保护、差 动保护、负序保护、失磁保护、逆电流保护、接地保护、过速保护等继电保护装置 己广泛应用到发电厂，从而防止了发电机多数故障的发生。然而有如下原因会导致 发电机发生转子匝间短路故障： ( 1 ) 转子端部绕组固定不牢，垫块松动： ( 2 ) 绕组铜导线加工成形后不严格的倒角与毛刺，端部拐角整形不好和局部遗留 褶皱或凹凸不平，绕组导线的焊接头和相邻两套线圈间的连接线焊口整形不良，制 造工业粗糙留下的工艺性损伤； ( 3 ) 高速旋转的转子受到离心力等动态应力引起移位变形： ( 4 ) 冷态启动机组转子电流激增，铜铁温差引起绕组铜线蠕变导致匝间绝缘与对 地绝缘的损伤； ( 5 ) 转子堵塞，造成局部过热，使匝间绝缘烧损 转子绕组存在轻微的匝间短路对发电机运行的不良影响较小，会导致发电机的 励磁电流升高、无功功率相对下降、轴承不平衡振动增加。一旦转子匝间短路的严 重程度增加，将会导致转子一点甚至两点接地故障的发生，使得转子大轴磁化，严 重时还将烧伤轴颈和轴瓦，对机组本身的安全运行构成巨大威胁【2 】。鉴于上述原因， 近年来，国内外对转子匝间短路故障的诊断研究非常重视。 随着发电机机组单机容量的迅速增大，自动化程度的进一步提升，就迫切需要 功能更强大，成本更低廉，性能更灵活的新一代测试仪器来检测发电机的运行状态。 从模拟技术向数字技术过度，从单台仪器向多种功能仪器组合过度，从完全由硬件 实现仪器功能向软硬件结合方向过度，从简单的功能组合向以个人计算机为核心的 通用虚拟测试平台过度，从硬件模块向软件包形式过度，代表了今后电子测试仪器 1 华北电力大学硕士学位论文 的发展方向【3 1 。因而，在不久的将来以先进的计算机总线技术和虚拟仪器编程技术 为核心的发电机故障诊断系统也必然代替传统的检测与诊断设备，成为这一领域的 主流。 1 2 发电机转子匝间短路故障诊断系统设计现状 1 2 1 国内外发电机转子匝间短路故障研究方法 目前对于发电机转子匝间短路故障的检测，国内外都在竞相研究，并提出过一 些可行的理论方法，其中应用较多的方法有： ( 1 ) 微分线圈动测法【4 j l 这种方法将探测线圈装在定子铁芯的空气隙表面，这样既可以测量磁通的径向 分量，也可以测量磁通的切向分量。其基本原理是把发电机气隙中的旋转磁场进行 微分，然后将此微分信号引入示波器进行分析。由于不同的信号微分后的波形不一 样，特别是正常和故障情况有很大的差别，所以对微分波形进行分析即可诊断出转 子是否存在匝间短路故障，并准确显示出故障槽的位置。 ( 2 ) 回复波检测法【6 ，7 】 这种方法也称作传输波分析法，是以行波理论为基础的。在转子的两端同时施 加矩形脉冲，脉冲通过绕组后因电路元件变化( 如阻抗不匹配、绕组不对称) 而反 射，通过测量并放大反射脉冲之间的差异，即可产生特征信号。利用记录下来的特 征信号和模糊神经网络，不但可以检查出故障，而且还能准确地确定故障的位置。 ( 3 ) 励磁电流有效值判别法弘1 这种方法通过检测发电机的励磁电流来判断是否存在匝间短路。匝间短路可以 认为是去磁的磁势分布，即短路等效磁势反向作用在短路磁极主磁场的磁势上，转 子的短路效应会导致磁场相对减弱，因此转子匝间短路虽然引起转子电流的增大， 但无功功率却相对减小或不变，这可作为判断发电机发生转子匝间短路故障的一个 明显的特征。根据这个故障特征，利用发电机的电气状态监测量，就可以计算发电 机运行状态下( 一定的无功输出、有功输出及端电压) 的励磁电流f 把它和励磁 电流的实际测量值f 。进行比较，可以判断发电机转子是否发生匝间短路故障，判据 为： 垃口 f ，0 式中：口为把计算误差及测量误差考虑在内的偏差相对值。 华北电力大学硕士学位论文 此外还有单开口变压器法【9 】，双开口变压器法，交流阻抗和功率损耗法】， 直流电阻法，发电机空载和短路特性试验法等研究方法。 其中，单、双开口变压器法和回复波检测法不能应用于转子转动状态下检测， 仅在停机抽出转子的情况下方能进行；交流阻抗法的测试结果受外部条件影响较 大，检测方法有很大的局限性；直流阻抗法及发电机空载和短路特性试验法灵敏度 低，只有在短路匝数较多时，诊断方法才比较有效；气隙线圈探测法只能在发电机 空载和三相短路的情况下进行，在发电机带负载条件下，由于存在电枢反应，探测 效果并不明显，且检测准确度也较差：回复波检测法虽然在理论上可行，但是实现 起来还有一定的困难，而且所需测量条件比较繁琐，所以在现场实际运行检测中并 不容易实现。励磁电流判别法对于未安装任何检测设备的已投运机组，该方法具有 明显的优势，但不足之处是不能对故障点定位。本文对发电机定子并联支路间的环 流、电枢电流和励磁电流的谐波进行了分析，并以此作为发电机转子匝间短路故障 的判据识别该故障。该方法测量简单，容易实现，并且可靠性较高。 1 2 2 发电机转子匝问短路故障诊断系统的设计方法 设备故障诊断技术是跨学科的综合诊断技术，其基本原理是根据机械、电气等 各类设备运行过程中产生的各种信号，判断设备运行属于正常还是发生了异常，识 别设备或者机器是否发生了故障。因而它能实现设备带负载运行时，或者在基本上 不拆卸的情况下，通过对其状态参数的检测和分析，判断是否存在异常和故障以及 故障的位置和原因，并对设备未来状态进行预测【1 ”。 设备故障诊断技术在生产中的应用，改变了维修方式，由于了解和掌握了设备 运行的状态，减少了突发事故停产，减少了过剩维修，降低了维修费用，提高了作 业率，其经济效益是显著的。发电机转子匝间短路故障是发电厂出现频率较高的一 种故障，因此迫切需要设计关于发电机转子匝问短路的故障诊断系统来检测发电机 的运行状态。 发电机转子匝间短路故障诊断系统包括信息的获取、数据采集、数据处理和诊 断决策等过程，图2 1 是发电机状态检测和故障诊断的流程图。 图1 1 发电机故障诊断系统流程图 华北电力大学硕士学位论文 使用传感器从被诊断的发电机中获取原始信息是故障诊断的第一步。从传感器 获取的电信号并不具备直接进行数据处理和分析的条件，必须进行阻抗变换、信号 放大、滤波等预处理。经过预处理后的信号往往是由很多幅值、频率、相位不同的 波形混叠而成，为了分解信号内的各种频率成分的有效值，为了全面揭示信号中包 含的信息，必须对信号进行处理，即信号分析。信号分析可以采用各种数学分析方 法，如时域分析、频域分析、幅值域分析等。这些分析可以通过硬件来实现，如f f t 、 数字滤波等，也可以通过软件来实现。故障诊断是根据检测到的信息进行趋势分析 和故障识别。 根据信号处理和显示方法的不同，发电机转子匝间短路故障诊断系统主要分为 两种。一种是全部由硬件来完成，或者为了提高精度在微处理器中进行进一步的处 理。这种方法硬件设计比较复杂，设计周期长，系统可靠性差，难以做到一机多用， 但由于不涉及到计算机，成本较低。另一种方法是由微处理器进行信号采集，然后 采用计算机的高级语言进行数据分析，这种方法硬件设计简单，甚至可以直接使用 产品化的数据采集卡，设计人员可以专注于信号的分析，从而缩短了设计周期，提 高了系统的可靠性。本论文正是应用后种方法，采用n i 公司的p c i 6 2 5 1 数据采集 卡和l a b v i e w 软件实现的。 1 3 本文主要工作 本文在研究发电机转子匝问短路故障时励磁电流、电枢电流、定子并联支路环流 谐波特性的基础上，研制了基于虚拟仪器技术和l a b v i e w 软件发电机转子匝间短路 故障诊断系统，并在华北电力大学电机实验室s d f 。9 型故障模拟机组上进行了验证， 主要工作如下： ( 1 ) 分析了发电机磁势特性，得出发电机正常运行时定子并联支路间的环流和定 子电枢电流中不存在偶次谐波，转子励磁电流仅含有直流分量：但当发电机转子发 生匝间短路故障时，定子并联支路间的环流、定子电枢电流以及转子励磁电流中都 包含偶次谐波。 ( 2 ) 对发电机电枢电流信号进行了小波分析，进一步验证了当发电机发生转子匝 间短路故障时，电枢电流存在偶次谐波的理论，并能准确的识别发电机发生转子匝 间短路故障的时刻。对定子并联支路环流和定子电枢电流进行了互相关和互功率谱 分析，进步提高发电机转予匝间短路故障诊断的可靠性。 ( 3 ) 设计了基于p c i 6 2 5 l 数据采集卡的发电机信号采集模块，采用l a b v i e w 软件 实现了数据消噪和故障特征的提取，并建立了发电机信号的数据库。在此基础上， 研制了基于虚拟仪器的发电机转子匝间短路故障诊断系统。该系统可以实现发电机 参数的查询、数据库管理、文件管理、小波分析、故障特征提取、离线分析以及在线数 华北电力大学硕士学位论文 据处理等功能。其中发电机信号的在线数据处理主要包括时域分析的波形显示、统计信 息、自相关分析、互相关分析以及频域分析中的f f t 变换、自功率谱分析、互功率谱分 析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章发电机转子匝间短路故障机理分析 发电机转子匝间短路是- l e o 常见的电气故障，如果故障不及时排除，将会导致 转子振动，甚至发生转子接地、转子烧毁、发电机失磁、发电机部件磁化等严重故 障，危机到发电机及其电力系统的稳定运行，因此分析发电机转子匝间短路故障的 机理有十分重要的意义。本章首先从发电机的气隙磁势入手，研究了发电机电枢电 流、励磁电流以及定子并联支路间环流的谐波特性，得出当发电机发生转子匝间短 路故障时，此三种电流中均含有偶次谐波( 主要是二次谐波) 的结论；然后在华北 电力大学电机实验室s d f 一9 型故障模拟发电机上进行了验证，并用m a t l a b 软件分析 了实验的结果，实验结果与理论分析一致。 2 1 转子匝问短路时的气隙磁动势 2 1 1 发电机正常运行时气隙磁动势 以电机实验室s d f 9 型隐极同步发电机为例研究发电机转子匝间短路故障，该 电机定子2 4 槽，转子虚槽数为1 6 ，实槽数为1 2 ，一对极，励磁绕组为同心式分布绕 组，各槽绕组之间为串联连接，两个极之问的绕组也是串联的。 假设把气隙圆周展开成为直线，定子在上面，转子在下面。把直角坐标系建立 在转子表面上，选择磁极的中一1 1 , 线作为坐标的原点，规定从转子到定子作为磁动势 的正方向，横坐标表示沿着圆周方向的空间距离，用电角度o r 表示。 在不考虑定、转子槽开v i 的影响时，根据全电流定律，磁动势的大小和波形只 与“线圈边”在转子表面分布情况以及电流的大小和方向有关，即磁动势只在有槽的 地方发生变化，而在两槽之间保持不变o ”1 4 b j 。可以做出发电机正常运行时的磁动 势如图2 1 所示。 图2 1 发电机正常运行时气隙磁动势 6 华北电力人学硕+ 学位论文 由于发电机转子不停的旋转，所以气隙磁动势为一旋转磁动势。在上述坐标系 下，气隙磁动势就是以2 疗为周期的周期函数。这一周期函数可以按傅立叶级数展开， 由于该函数沿纵轴对称，傅立叶级数中不含正弦分量；而且，磁动势由于遵守磁通 量等面积的原理，是以横坐标为界将其磁动势曲线包围的面积平均分成上下两个面 积相等的部分，即从n 极出来的磁通量一定等于进入s 极的磁通量，所以磁动势的 函数中也并不含有直流分量：由于正常情况下的磁动势分布是一个奇谐函数，即其 信号波形沿横坐标轴向左或者向右平移半个周期，并作上下翻转后得出的波形与原 波形重合，所以不含余弦分量的偶次谐波分量。总之，发电机正常运行时气隙磁动 势中只含有余弦分量的奇次谐波分量，即： 厂+ ( 目，) = 日。c o s n o ， 2 1 2 转子匝间短路故障时气隙磁动势 ( 2 1 ) 当发电机发生转子匝间短路故障时，包含短路匝的磁极磁势就会产生局部损 失，磁极的磁势峰值和平均值均会减小。因此，匝间短路故障可以认为是退磁的磁 势分布作用，即短路部分的等效磁势反向作用在有短路磁极的主磁场的正常磁势 上。不妨以2 号槽转子线圈发生匝间短路为例来分析转子匝问短路故障时气隙磁动 势，等效反向磁势如图2 2 。 i 6i d 2：2 ： 1 s1 4 图2 - 2短路匝绕组产生的等效反向磁势 图2 2 中只有2 号槽有等效电流流过，并且方向与正常时相反，产生了反向等 效磁势。将正常条件下的磁势加上由短路引起的磁势小的突变，即可得到故障后的 合成磁势。虽然发电机主磁通回路上出现饱和，会导致一些非线性的问题。但由于 磁势的损失会使整个问题更倾向于线性，不会使得线性程度减小，因此可以用叠加 的方法分析匝间短路的磁势损失问题。 7 华北电力大学硕士学位论文 将图2 1 与图2 - 2 的气隙磁动势合并即可得到发电机转子匝间短路故障时的气 隙磁动势，如图2 - 3 所示。图2 3 中虚线表示发电机正常运行时的气隙磁动势，实 线表示发电机发生转子匝间短路故障时的气隙磁动势。 654321rjj456 o 广 on o 厂 o r o 厂 e f - 睁n o n o 厂 o 厂 o 厂 o 广 uuuuuuuuuuuu c 二= 。二i 6 ；= ：一432iffjl d i = ：一 图2 3 转子匝间短路故障时气隙磁动势 同样发电机转子匝间短路故障时气隙磁动势是以2 耳为周期的周期函数。这一周 期函数仍可以按傅立叶级数展开，由于该函数沿纵轴对称，傅立叶级数中不含正弦 分量；而且，磁动势由于遵守磁通量等面积的原理，不含有直流分量：但转子匝间 短路故障时磁动势分布不是一个奇谐函数，所以气隙磁动势含有余弦分量的各次谐 波，即： 厂( = c o s n 口r h = l 2 2 发电机励磁电流谐波特征 2 2 1 定子绕组磁链 ( 2 2 ) 忽略定转子齿槽的影响，隐极同步发电机的气隙长度为一常数6 ，则导磁系数( 单 位面积的磁导) 为： 丑= 5 气隙的磁通密度为： 耳3 l 娶咖幔卜坩 厂m、 ( 2 - 3 ) 发电机运行过程中，转子以同步角速度相对定子旋转，因此转子上的每一个槽 8 华北电力大学硕士学位论文 的位置相对定子也是不断变化的，其中某一个槽的位置为： 8 r = e s 一t 以定子表面为横坐标表示的气隙磁通密度为： 。= i 妻a n c o s z b c 见一国d 胁，占 。= ( 见一国，) l 胁占 ( 2 5 ) 定子绕组每槽的匝数沿定子内表面的分布如图2 - 4 。 定子每槽匝数n ：! ! ：二口口口口口田口口口口口口：1 2 12 22 32 423456 图2 - 4 定子绕组各槽的匝数沿定子内表面的分布图 把定子绕组各槽的匝数沿定子内表面的分布函数按傅立叶级数展开，可得该级 数含有直流分量和各次余弦分量，即： ( 以) = k 。+ “c o s ( n o , ) 因而，定子磁链为： r 虬2jn ( o , ) b j r d o 。 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 式中：，为定子绕组线圈有效边的长度，r 为定子的内径。把式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 代 入式( 2 8 ) ，整理得： 虬= x 8 ) 吒c o s n 0 2 疗= l ，2 ，3 ，4 ，5 ( 2 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 发电机电枢电流谐波特征 根据法拉第电磁感应定律，定子绕组感应的电动势为 e ：一盟 础 。(2-10) = 一石占) 吒k c o c o s ( n c o t 一行2 ) 刀= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 h = i 由式( 2 10 ) 可以看出当发电机发生转子匝间短路故障时，定子绕组感应的电动 势含有各次谐波。如果发电机并网运行，定子绕组电动势与外电路形成回路，从而 流过电枢电流，并且电枢电流中也含有各次谐波，但在发电机正常运行时，电枢电 流中基本上不含有偶次谐波分量。因而可以把电枢电流是否含有偶次谐波，作为发 电机转子匝间短路故障的的一个判据。 2 2 3 发电机励磁电流谐波特征 当发电机被原动机拖动到同步速时励磁绕组通入电流，在气隙中产生旋转磁 场，该磁场以同步速旋转。定子绕组切割该磁场在定子绕组中感应电枢电动势，如 果发电机并网运行，则在定子绕组中产生感应电流。该电流在气隙中产生电枢磁动 势，由于定子绕组对称，三相负载也对称，电枢磁动势为一同步旋转的磁动势。励 磁磁动势和电枢磁动势的合成决定了气隙合成磁动势。在正常情况下，电枢磁动势 和励磁磁动势均以同步速旋转，合成磁动势也以同步速旋转l l 。合成磁动势与转子 相对静止，因此不会在励磁绕组中产生额外的感应电流。因此，励磁电流中仅含有 直流分量。 但当发电机发生转子匝间短路故障时，电枢绕组电流中含有各次谐波分量。在 电枢感应磁动势中也将含有谐波分量，进而合成磁动势也含有谐波分量。合成磁场 将与转子失步，从而切割转子励磁绕组，在其中产生额外的感应电流，此电流中必 将含有各次谐波分量。从而励磁电流中含有直流分量和各次谐波分量。这是区别于 正常情况运行时的明显特征，可以作为判别发电机发生转子匝间短路故障的依据。 2 3 电枢绕组并联支路间环流分析 图2 5 为s d f 一6 型故障模拟发电机的定子a 相绕组接线图，定子槽数为2 4 ， 双层短距绕组，节距为l o ，每相两条支路。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5s d f 6 型故障模拟发电机的定子a 相绕组接线图 对于一个线圈组考虑分布因数和节距因数的作用后，定子绕组一条支路感应谐 波电势的有效值为： e _ = 4 4 4 吻比吒，九 ( 2 1 1 ) 式中：v 是谐波次数，q 为每极每相槽数，k 为绕组系数。v 次谐波的磁通为： 纯= b , l r v( 2 - 1 2 ) 式中：f 为发电机定子绕组极距，f 为定子绕组有效边的长度。根据磁路欧姆 定律，磁通与导磁系数的关系为： 为 戎= e a ( 2 1 3 ) 把式( 2 一1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 1 ) 得，定子绕组一条支路感应谐波电势有效值 e 。= 4 4 4 石力心，旯只 f 2 1 4 ) 图2 - 6 为a 相绕组电路图，图中忽略了定子绕组支路电阻，l a ll 。：分别为 a 相两条支路的自感，m 。，m 。分别为两条支路与其它支路的互感。 华北电力大学硕士学位论文 a 图2 6a 相绕组电路图 记a 相第一条支路4 互感应电势为： q = 弛，c o s v 耐= 墨ec o s v 叫 式中：毛= 6 2 8 r f q w j k w 。丑 第二条支路一：互感应电势为 e 2 = 墨e c o s v ( 国t 一万) 两条支路之间的电压差可以表示为 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 吨。：= 一屯。+ j c o v l , ，l + v z m o 。t j 柳z m ：。丘- j c o v l a 2 , , ：一忘： ( 2 - 1 7 ) fk 发电机正常运行时，各相绕组对称分布，各绕组自感与互感均分别相等，各支 路电流也相等“；气隙磁势中只有奇数次谐波分量，e “= 一e 。z 。因此，电枢绕组 两条支路之间的电压差为零，即不存在环流。但发电机发生转子匝问短路故障时， 气隙磁势中含有各次谐波分量，对于奇数次谐波分量，e m = 一e 。z ，对于偶次谐波 分量，e m = e 。z 。因此，电枢绕组两条支路之间的电压差不为零，即存在环流，并 且环流中含有偶次谐波分量。这又可以作为判断发电机发生转子匝间短路故障的一 个依据。 2 4 实验验证 2 4 1 s d f - 9 型故障模拟发电机简介 s d f 9 型发电机是华北电力大学电机实验室的一台故障模拟电机，在此机组上 可以模拟励磁绕组匝间短路故障、定子绕组匝间短路故障以及气隙偏心故障。该发 华北电力大学硕士学位论文 电机是一台两极隐极同步发电机，其主要参数如表2 1 ： 表2 - 1 发电机参数 在励磁绕组上有三个抽头来模拟发电机转子匝间短路故障，如图2 7 。 3 1 5 6 kl 3l 4 图2 7 发电机励磁绕组抽头示意图 把l 1 和l 2 短接，相当于发电机3 的绕组发生短路；把l 1 和l 3 短接，相当 于发电机1 5 的绕组发生短路；把l 4 和l 5 短接，相当于发电机6 的绕组发生短 路。 定子有三相绕组，每相绕组有两条支路共6 条支路，为了便于实验接线，发 电机各相支路都连接到发电机上部的接线板上。 2 4 2 发电机转子匝问短路实验 2 4 2 1 实验目的 验证发电机转子发生匝间短路故障前后发电机励磁电流，电枢电流以及定 子并联支路环流谐波特性的变化。 2 4 2 2 实验设备 l 、电机实验室s d f 一9 型故障模拟机组 2 、电流传感器：采用科海公司的传感器，型号分别为k t 5 a 、k t l 0 a 。k t l 0 a 电流传感器输入额定值为1 0 a ，变比为l ：1 0 0 ，用于测量电枢电流；k t5 a 电 流传感器输入额定值为5 a ，变比为1 ：1 0 0 ，用于测量励磁电流和定子并联支路 间环流。该电流传感器需要+ 1 5 v 的直流电源供电，其接线示意图如图2 - 9 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 8s d f 一9 型故障模拟发电机 = 图2 9 科海电流传感器接线示意图 脯 3 、数据采集仪：采用波谱公司的数据采集仪，该设备具有1 6 路输入通道， 采集到的数字信号可以通过u s b 接口输入计算机，其附带的分析软件可以实现 频谱分析、数字滤波、数学运算、信号处理、信号生成、绘图等功能。 4 、- + 1 5 v 的直流电源、导线、电流表等。 2 4 2 3 实验接线与实验过程 实验接线图如图2 一l o 所示： 图2 1 0 发电机转子匝间短路实验接线图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 在电流表a 1 、a 2 、a 3 、a 4 、a 5 处接入电流传感器分别用于测量励磁电流、 定子并联支路环流，以及三相电枢电流。其中a 2 处两条支路反向串联，接入电流 传感器后测量到的就是a 相绕组两条并联支路的电流差，即环流。 图2 - 1 1 为发电机信号测量的部分现场照片。 图2 i i 发电机信号测量的部分现场照片 确定直流调速装置和励磁调压器在零位置后，缓慢启动直流电动机，将同步发 电机拖入同步转速= 3 0 0 0 转分，并保持不变；合励磁开关给同步发电机励磁绕 组通入励磁电流，注意缓慢调节励磁，使发电机端电压升至u o = 1 2 u = 4 8 0 v ，此 时测量发电机励磁电流、电枢电流和定子并联支路环流，其实验频谱分别如图2 1 2 、 图2 1 3 、图2 一1 4 。 ( a ) 正常运行( b ) 转子匝间短路3 华北电力大学硕士学位论文 ( c ) 转子匝间短路1 5 图2 1 2 发电机励磁电流频谱图 ( a ) 正常运行( b ) 转子匝间短路3 ( c ) 转子匝间短路6 ( d ) 转子匝间短路1 5 图2 一1 3 发电机电枢电流频谱图 1 6 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 正常运行( b ) 转子匝间短路3 ( c ) 转子匝间短路6 ( d ) 转子匝间短路1 5 图2 1 4 发电机定子并联支路环流图 通过发电机信号的频谱图可以看出当发电机发生转子匝间短路故障后发电 机励磁电流、电枢电流以及定予并联支路环流中均出现了二次谐波，实验结果 与理论相符。 2 5 小结 本章研究了发电机发生转予匝间短路故障时并联支路间环流、励磁电流以 及电枢电流的谐波特性，并在实验室s d f 一9 型故障模拟机组上进行了验证，为 研制发电机转子匝间短路故障诊断系统奠定了理论基础。 华北电力大学硕士学位论文 第三章小波分析在发电机转子匝问短路故障诊断中的应用 发电机故障诊断就是通过状态检测所提供的发电机运行的各种信息，对其有无 故障及故障程度做出判断，便于及时、准确地采取相应措施使系统恢复到正常运行 状态。在这个过程中，故障信号分析和特征提取方法占有重要的地位，而小波分析 是一种新型的时频分析工具在处理暂态非平稳信号方面具有显著的优势。本章首先 对比分析了傅立叶变换、加窗傅立叶变换以及小波分析各自的优势和特征；然后对 小波变换的多分辨率分析进行了理论分析；最后将多分辨率分析应用到发电机转子 匝间短路故障诊断中，并在实验室模拟机组上进行了验证。 3 1 傅立叶变换与小波变换 3 1 1 傅立叶变换 1 8 2 2 年，法国数学家约瑟傅立叶首次发表了“热传导理论”论文，提出了f o u r i e r 分析方法，使数理科学发生了很大变化，f o u r i e r 变换定义了频率的概念，连续时间 信号工( f ) 如果满足条件： m 陋 o , r r 1 9 华北电力大学硕士学位论文 将函数，( f ) 在小波基下展开，就称为将函数，( r ) 的连续小波变换，其表达式为： 啊 咖击l ，( f ，y 旧弘 b ， 式( 3 7 ) 为小波变换系数，它表征的是在r 位置处，时间段a a t 上包含在中心频率为 ( o o a 、带宽为d a 的频窗内频率分量的大小。随着a 的变化，对应窗口中心频率以及窗 口宽度也是变化的，因此小波变换是一种变分辨率的时频联合分析方法。当分析低频信 号时，其时间窗很大；当分析高频信号时，其时间窗很小。这恰恰符合实际问题中高频 信号持续时间短，低频信号持续时间长的自然规律。与其他变换工具相比，小波变换在 时频分析领域具有不可比拟的优点 2 0 , 2 1 1 。 小波分析作为一种数学理论和方法，是泛函分析、调和分析、数值分析等半个 多世纪以来发展最完美的结晶，是正在发展中的新的数学分支。它在科学技术界引 起了越来越多的关注和重视，从而开发了越来越多的软件工具包，如m a t h w o r k s 公 司的w a v e l e tt o o l b o x ，s t a n f o r d 大学的d o n o b o 小组研制的w a v e t o o l ，y a l e 小组研制 的x w p l w p l a b 软件，s t a n f o r d 和t a s w e l l 共同研制的w a v e b o x ，s p a i n 的一个小组 研制的u v i w a v e 软件，a w a r e 公司的w a v e t o o l 软件等。由于这些软件的研制，使小 波分析更加广泛的应用到许多领域，如j m o r l e t 等将小波用于地震信号的分析与处 理，s m a l l a t 将二进s q , j , 波变换用于图象的边缘检测、图象压缩与重构，m f a r g e 将 连续小波变换用于涡流的研究，m f r i s c h 等将小波变换用于噪声中的未知瞬态信号， p d u t i l l e u x 等将小波变换用于语音信号的分析、变换和综合等，都取得了初步的成 果。本论文将小波分析用于发电机转子匝间短路故障的识别。 3 2 小波变换的多分辨率分析 3 2 1 多分辨率分析原理 小波变换在时频分析领域具有的优点是显而易见的，然而在小波变换中寻找一 种合适的正交小波基却有一定的困难。s m a l l a t 在研究图像处理问题时提出了正交 小波变换理论中的多分辨率分析( m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s m r a ) 的理论，m r a 理论 不仅为正交小波基的构造提供了一种简单的方法，而且为正交小波变换的快速算法 提供了理论依据。其思想又同多采样率滤波器组不谋而合，使我们又可将小波变换 同数字滤波器的理论结合起来。因此多分辨率分析在正交小波变换理论中具有重要 的地位，这套理论广泛应用于数据计算、数据压缩以及特征提取等方面。 3 2 1 1 尺度函数与尺度空间 定义函数庐( f ) l 2 ( r ) ( r ( r ) 指实数域内平方可积函数构成的函数空间) 为尺度 华北电力大学硕士学位论文 函数，假设尺度函数在平移的同时又进行了尺度的伸缩，使我们得到一个尺度和位 移均可变化的函数集合： 啦( ，) = 22 矿( 2 t 一丘) = 破( 2 1 f ) ( 3 - 8 ) 则称每一固定尺度j 上的平移系列a 2 7 f ) 所张成的空间_ 为尺度j 的尺度空 v ，= s p a 一 噍( 2 1 r ) 那么，对于任意，( f ) v j ，有 ， ”) = 吼丸( 2 一f ) = 2 一i 吼声( 2 t 一七) 女k 3 2 1 2 多分辨率分析的概念2 3 ( 3 - 9 ) 如果我们把尺度理解为照相机的镜头的话，当尺度由大到小变化时，就相当于 将照相机镜头由远及近的接近目标。在大尺度空间里，对应远镜头观察到的目标， 只能看到目标的大致概貌。在小尺度空间里，对应近镜头下观察目标，可观察到目 标的细微部分。因此，随着尺度由大到小的变化，在各尺度上可以由粗及精的观察 目标，这就是多分辨率的思想。 多分辨率分析是指满足下列性质的一系列闭子空间 v ， ，_ ，z ： ( 1 )一致单调性： c v 2cv 1cv ocv l c v 一2c ( 3 1 0 ) ( 2 ) 完全渐进性： m ，= 0 ，u v ，= r ( r ) j z ( 3 - 1 1 ) ( 3 )伸缩规则性： ，( f ) v ，铮f ( 2 0 f ) v 0，z ( 3 - 1 2 ) ( 4 ) 平移不变性：，( f ) v o j f ( t 一行) v o 对所有h z( 3 - 1 3 ) ( 5 ) 正交基存在性：存在庐妒，使得 妒0 一九) 。是v 0 的正交基。 由多分辨率分析的定义知，其一系列尺度空间是同一尺度函数在不同尺度下张成 的，即一个多分辨率分析 v ， 。对应一个尺度函数。虽然u 巧= r ( r ) ，j z ，但 v ， 脚空 川，e 。 、。，o 华北电力大学硕士学位论文 一 间相互包含，不具有正交性。因此它们的基谚 ( f ) = 22 ( 2 一t - k ) 在不同的尺度空间不 具有正交性，不能作为l 2 ( r ) 空间的正交基。 为了寻找一组上2 ( r ) 空间的正交基，定义尺度空间的补空间如下： 圪一。= 圪。吮，上 f 3 1 4 ) 显然，任意子空间与是相互正交的( 空间不相交) ，并且上。当研肝 和m h z ，由式可知： e ( r ) = o ，j e z 因此， ，构成了r ( r ) 的一系列正交子空间。并且 j z = k 一v o且= _ 一- 一_ 若，( ，) ，则，o ) 屹，一，由式( 3 1 2 ) f 1 1 ，f ( 2 一。f ) 巧一。一_ 即 ，( r ) 铮f ( 2 一f ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 若设 雌 。为空间w o 的一组正交基，则由式( 3 - 1 7 ) 对所有尺度，z ， 妒似= z 号妒c z 。卜t ，) 。必为空间的正交基。再根据式c ，。s ，t 的整个集合必然 构成了i f ( r ) 空间的一组正交基，称矿是尺度为- ，的小波空间。因此： = ko m = 0 o 彬= 巧0 o o 彬一 ( 3 _ 1 8 ) 对于任意函数，( r ) ，我们可以将它分解为细节部分和大尺度部分巧，然 后将大尺度部分进一步分解。如此重复就可以得到任意尺度上的逼近部分和细节部 分，这就是多分辨率分析的框架。 设工。p ) 为函数( f ) 向尺度空间投影后所得到，尺度下的概貌信息，则： 华北电力大学硕士学位论文 息： t o ) = c 1 ，( 2 - i t ) ，k z ( 3 1 9 ) t 其中， c ，。= ，称为尺度展开系数。 若将函数，( f ) 向不同尺度的小波空间投影，则可得到不同尺度下的细节信 力他) = d j 。帆( 2 一f ) ，k z ( 3 2 0 ) l 其中： 乃，。= ，称为小波展开系数。 3 2 2 小波变换的m a l l a t 算法 工程应用中，为了便于计算机的处理引入了小波变换的m a l l a t 算法”1 ，即多分 辨率分析的m a l l a t 算法。设v j 是一给定的多分辨率分析，y ( z ) 和妒( 石) 分别为小波函 数和尺度函数，( x ) v 0 ，有 jo 厂( x ) = 竹。( 工) + d j i y ( z ) t = j = li = 啪 式中：尺度函数系数q 和小波函数系数q 有如下递推关系。 c 川( t ) = e c ，( n ) h o ( n 一2 k ) q + 。( 尼) = d 加) ( n - 2 k ) ( ，= 0 ，1 ，2 “3 - ，j 一1 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 式中：q ( 七) 、q ( 七) 分别表示尺度j 上信号的概貌和细节部分，( ) 、啊( 1 j ) 是 满足二尺度差分方程的两个镜像滤波器系数。 3 3 多分辨率分析在发电机转子匝间短路故障诊断中的应用 3 3 1 傅立叶变换在发电机故障信号分析中存在的问题 目前在发电机故障信号分析领域广泛采用傅立叶变换及其派生出的离散傅立 叶交换d f t 和快速傅立叶变换f f t 。但这些方法是建立在信号平稳的假设之上，实 际应用中主要存在频谱混叠、频谱泄露和栅栏效应。若不满足采样定理，或在非整 周期采样和噪声影响下会产生混叠现象；若采样数据不是信号的整周期，将产生频 华北电力大学硕士学位论文 谱泄露；若信号包含非整数次谐波，则会产生栅栏效应。在复杂的电力系统中设备 投切，闪电冲击等任何扰动均会使的电网频率出现波动，而同步实时跟踪频率变化， 特别是存在多谐波的情况下满足整周期采样是很困难的；再者，电力电子设备在运 行过程中会产生大量非整数次谐波，影响了信号分析的准确度。这些限制影响了d f t 和f f t 的应用效果，而借助于f f t 算法的信号处理方法如频谱分析、相关分析、细 化谱分析、包络分析、倒谱分析等的应用也大打折扣。 3 3 2 发电机故障信号的多分辨率分析 发电机本身结构复杂，尤其在故障情况下，定转子耦合关系更加复杂，磁场变 化大，状态变量多，难以建立准确的数学模型来研究故障状态。发电机的内部故障， 会引起相应电压、电流等发生突变，故障的识别和诊断从信号分析角度看，属典型 的信号特征谱分析问题。通过对发电机转子匝间短路故障机理的分析，可以发现在 发电机转子匝间短路故障信号中主要包含基波和二次谐波，还有幅值较小的高次谐 波。发电机发生转子匝间短路的过程是个暂态过程，用傅立叶变换难以确定发电机 发生故障的时间等信息，并且在信号分析过程中存在频谱混叠、频谱泄露和栅栏效 应等问题。然而小波变换的低频部分具有高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在 高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。鉴于小波分析具有的自适应 多分辨率方面的优势，可以提高故障识别的可靠性，从而更加有效和稳定的检测到 故障，因此，在发电机转子匝间短路的故障检测中可以采用小波变换的m a l l a t 算法 来判断发电机的故障。 3 3 3实验验证 采用华北电力大学电机实验室s d f 一9 故障模拟同步发电机进行转子绕组匝间短 路实验。在并网带负荷情况下保持励磁电流为1 5 a 的情况下进行了发电机转子匝间 短路故障暂态过程的模拟实验。采用北京波谱公司生产的u 6 0 1 1 6 c 型采集仪采集发 电机发生转予匝间短路故障和排除匝间短路故障两个过程的电枢电流信号，采样频 率f s = 1 0 0 0 h z ，。选用m e y e r 小波基，运用多分辨率分析对电枢电流信号进行三层分 解，其概貌部分和细节部分波形如图3 1 所示。图中横坐标为采样点数，纵坐标为 电枢电流的幅值。 在图3 - 1 ( a ) q u ，当t = 4 0 0 f s 时刻电枢电流信号在频率6 2 5 1 2 5 h z 处发生跳变， 即电枢电流信号中出现二次谐波，由此可以判断发电机在该时刻发生转子匝间短路 故障。在图3 - 1 ( b ) 中，当t = 3 0 0 f s 时刻电枢电流信号在频率6 2 5 1 2 5 h z 处发生跳变， 即电枢电流信号中二次谐波消失，由此可以判断发电机在该时刻转子匝问短路故障 已排除。理论分析与实验过程相符，从而验证了该方法的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 发电机短路过程的电枢电流信号 ( a ) 发电机突然发生短路时刻的暂态过程 短路故障排除过程的电枢电流信号 洲m m m m 帆m m m1 ( b ) 发电机短路故障排除时的暂态过程 图3 - 1 电枢电流暂态过程的三层分解波形图 兰! ! 皇垄奎堂堡主堂垡堕壅 图3 一l 中概貌部分、细节部分与频率的对应关系见表3 1 。 3 4 小结 表3 - l 概貌部分、细节部分与频率的对应关系 本章首先对比分析了快速傅立叶变换、加窗傅立叶变换和小波变换的优缺点， 然后详细讨论了小波变换的多分辨率分析方法，最后将多分辨率分析方法应用于发 电机发生转子匝间短路故障的识别。 华北电力大学硕士学位论文 第四章转子匝问短路诊断系统的信号采集与数据库管理技术 发电机信号的采集是发电机转子匝间短路故障诊断系统的一个重要组成部分， 获得准确、不失真的采样信号是判定发电机运行状态的前提和基础。研制发电机信 号的数据库管理系统，便于发电机信号的存储、查询等数据操作，也是分析发电机 运行状态的重要环节。本章首先介绍了发电机信号采集的虚拟仪器技术、l a b v i e w 软件开发平台以及p c i 一6 2 5 l 数据采集卡。然后详细分析了基于虚拟仪器的发电机信 号采集过程；最后，为了便于采集数据的存储和管理，采用l a b v i e ws q lt o o l k i t 工具包研制了基于l a b v i e w 软件的数据库管理系统。 4 1 虚拟仪器概述 4 1 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器 通过软件将计算机硬件与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处 理功能和仪器硬件的测量、控制功能结合在一起，大大减小了仪器硬件的成本和体 积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理拉副。 虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能和想象力的空间，用户( 而不是 仪器厂家) 可以根据自己的需求设计自己的仪器系统，从而满足多种多样的应用需 求。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形 式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和显 示；利用1 1 0 接口设备完成发电机信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功 能的一种计算机仪器系统。计算机的显示器类似传统仪器的操作面板，输入设备( 如 鼠标，键盘) 相当于传统仪器的功能按钮。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就 如同使用一台专用测量仪器一样。 4 1 2 电子测量仪器的发展 电子测量仪器是电力系统一种重要的二次设备，它的发展主要经历了模拟仪 器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器、虚拟仪器五个阶段。 模拟仪器：这类仪器是以电磁感应定律为基础的指针式仪器，借助指针来显示 最终结果。 分立元件式仪器：这类仪器是以电子管或晶体管电路为基础。 数字化仪器：集成电路的出现是数字化仪器产生的基础，这类仪器将模拟信号 的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较 2 7 华北电力大学硕士学位论文 高准确度的测量。 智能仪器：这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处 理功能，可取代部分脑力劳动，但其缺点是功能块全部都以硬件( 或固化的软件) 形 式存在，无论对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。 目前，随着微电子技术和计算机技术飞速发展，出现了现代计算机技术、通信 技术和测量技术相结合的产物虚拟仪器，它是仪器产业发展的一个重要方向。 它的出现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元【2 。 4 1 3 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统 的核心，故有“软件就是仪器”的说法。任何使用者都可以通过修改软件方便地更新、 增减仪器系统的功能。