（电机与电器专业论文）基于模糊神经网络的发电机转子绕组短路故障诊断研究.pdf

模仿人脑的运行机制为目标，在函数逼近方面来看，模糊系统能够在任意精 度上一致逼近任何一个定义在一个致密集上的函数，具有很强的非线性映射 能力。它是多项式函数逼近器、神经网络之外的另一个非线性建模工具。因 此，本文利用基于神经网络集成的高木一关野模糊系统来建立发电机正常运 行时转子电流的预测模型。 第三，本文介绍了神经网络的故障诊断原理。其中详细讨论了带有偏差 单元的递归神经网络的模型和学习算法，在此基础上合成了模糊神经网络系 统，将模糊理论和神经计算原理相结合，使神经网络借助其大规模的并行分 布处理结构完成模糊诊断的推理过程。 最后，本文分别介绍了该故障诊断系统的各功能模块，并完成了诊断系 统的合成。经仿真研究表明，该系统有较好的故障诊断能力。 关键词同步发电机转子绕组短路故障故障诊断模糊理论 神经网络模糊系统 t h es t u d yo ft h eg e n e r a t o rr o t o rw i n d i n gs h o r tf a u l t d i a g n o s i sb a s e do nf u z z yn e u r a l n e t w o r k s m a j o r ：e l e c t r i c a lm a c h i n e a n de l e c t r i c a le q u i p m e n t p o s t g r a d u a t e ：l i uj i n g a d v i s o r ：l i un i a n t h e t u r b o g e n e r a t o ri s ak i n do fs y n c h r o n o u se l e c t r i c a lm a c h i n er o t a t i n ga t h i 曲s p e e d d u r i n gi t so p e r a t i o n ，t h er o t o ro ft h em a c h i n ei sa l w a y su n d e rt h e g r e a ts u p p r e s s i o no fc e n t r i f u g a lf o r c e t h es u r f a c eo f r o t o ri st h em o s t i m p o r t a n t p a r tt oe n d u r i n gt h ef o r c e sa n d t h e r m a le n e r g y s ot h ew i n d i n g so fr o t o ra r ei na c o m l n o n p r o b l e m o f h a p p e n i n go n e - p o i n t t oe a r t hs h o r tf a u l t ，t w o p o i n tt oe a r t h s h o r tf a u l t ，o rt u r n - t o - t u r ns h o r tf a u l t b e c a u s et h ef a u l to ff i e l d w i n d i n g s t u r n - - t o - t u r ns h o r t e dd on o tc a u s em u c he f f e c to f t h eo p e r a t i o no f t h em a c h i n eo r i t sf a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa r en o tv e r yc l e a r , m o s to f t h ef a u l t sa r en e g l e e t e d b u ti f a m a c h i n ei si nt h i sk i n ds t a t ei nal o n gp e r i o d so ft i m e ，i tm a yc a u s eo t h e rf a u l t s s u c ha so n e - p o i n tt oe a r t hs h o r tf a u l to rt w o - p o i n tt oe a r t hs h o r tf a u l t b e c a u s et h e r e s i s t a n to f o n e - p o i n tt oe a r t hs h o r tf a u l ti ss og r e a tt h a ti tm a y n o tc a u s em u c h t r o u b l ee x c e p ta f f e c t i n gt h er o t o r su s i n gp e r i o d so ft i m e n l et w o - p o i n tt oe a r t h s h o r tf a u l tm a yc a u s es h o r tc u r r e n t sw h i c hc a nl e a dt os e r i o u sa c c i d e n t s oi ti s n e c e s s a r yt om o n i t o r t h es t a t eo f f i e l dw i n d i n g so f t u r b o - g e n e r a t o ra n dd e t e c tt h e k i n do ff a u l ta n dp r e d i c ti t si n c l i n a t i o n t h u st h es e c u r i t yl e v e lo f p o w e rs y s t e m w i l lb ei m p r o v e d i nt h i sp a p e rt h et e c h n o l o g i e so fm o d e lf o r e c a s t i n ga n dt h e f a u l tm o d e li d e n t i f i c a t i o na n dt h ei n t e l l i g e n c em o n i t o r i n g u s i n gf u z z ys y s t e ma n d n e u r a ln e t w o r ka r es t u d i e d f i r s t , t h e2 - dm o d e lf o ra n a l y z i n gi sp r o v i d e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f w a r d ，t h ef i e l do f e l e c t r i c a lm a g n e t i s mi sf o r m e du n d e rt h eb a s eo fl i n e a r i z a t i o n t h e nt h ef i e l dm o d e li nr e a l i t yw i ub ef o r m e di ft h eo n ew i t h o u tf a u l ti sa d d e d a c c o r d i n g t ot h em o d e l ，t h eh a r m o n i cv o l t a g e sa tt h ef r e q u e n c yo f1 0 0 h za tt h e s i d eo fs t a t o ra r ea n a l y z e d b e c a u s et h e r ew i l lb en os u c hh a r m o n i cv o l t a g e si n t h en o r m a ls t a t e ，i tc a nb et r e a t e da saf a u l tc h a r a c t e r i s t i c s 。a tt h es a m et i m et h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec u r r e n to ff i e l da n dg e n e r a t o ro u t p u tv a l u e sa n di t s p a r a m e t e ri sd i s c u s s e d i ti st h ec u r r e n tt h a tp r o d u c et h em a g n e t i s mf i e l d ，s oi t w i l lb ea l li m p o r t a n tf a c t o ri nd e t e c t i n gt h ef a u l t so f r o t o r w i n d i n g s s e c o n d ，t h ef o r e c a s t i n gm o d e lf o rt h ef i e l dc u r r e n tb a s e do nt h ef u z z y s y s t e mi s d i s c u s s e d t h ef u z z ys y s t e mi sf o u n d e dt od e s c r i b et h e o p e r a t i o n m e c h a n i s m so fh u m a nm i n d 。i tc a n d e s c r i b eaf u n c t i o nf b u n d e do nas e t e s p e c i a l l yw i t hn o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sw i t hh i g ha c c u r a c y b e c a u s ei th a st h e n o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c i ti sa n o t h e rm o d e ls i m u l a t i o na p p l i c a t i o n u s ta sn e u r a l n e t w o r k sa n dp o l y n o m i a lt h e o r y i nt h i s p a p e rt h ep r e d i c t i v es y s t e mo ff i e l d c u r r e n ti ss t u d i e du s i n gt a k a g i s u g e n of u z z ys y s t e m t h ei n p u tp a r a m e t e r sa r e d r a w nf r o mt h e t u r b o g e n e r a t o r ss t a t o r t h ef u z z ys y s t e mi sc o n s t r u c t e dt h r o u g h t h ea r t i f i c i a ln e u r a l l e a r n i n ga l g o r i t h m 。 髓i 穗t h ef a u l td i a g n o s i su s i n gn e u r a ln e t w o r k si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yt h e i n t e m a lb a c k w a r dn e u r a ln e t w o r kw i t hd e v i a t i o ne l e m e n t s i t s m o d e la n dl e a r n i n g a l g o x i t h ma r e s h o w e di n 如t a i l t h e nt h ef u z z yn e u r a l n e t w o r ki sf o r m e d t h i sk i n d o f s y s t e mi n t e g r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef u z z y l o g i cs y s t e ma n d n e u r a ln e t w o r k i t0 8 n c o m p l e t et h el o g i cd e d u c t i o np r o c e s s i o n u s i n gt h et h e o r yo f n e u r a lc o m p u t i n g l a s t , t h ed i f f e r e n tf u n c t i o n a lp a r t so f t h e d i a g n o s i ss y s t e m 蹴d i s c u s s e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wi th a sas a t i s f i e dc a p a b i l i t yi nd i a g n o s i st h ef a u l t si nt h e r o t o r w i n d i n g s o f t h e t w o 羚l e st u r b o - g e n e r a t o r k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , r o t o rw i n d i n gs h o r t e d ，f a u l td i a g n o s i s ， f u z z ys y s t e m ，n e u r a ln e t w o r k s ，f u z z ys y s t e m 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 “七五”、“八五”期间，随着我国国民经济高速增长，我国电力工业发 展很快，总装机容量和发电量已占世界第二位。据电力部可靠性中心统计， 自1 9 9 3 - - 1 9 9 7 年国产2 0 0 1 删机组的等效可用率( e a f ) 由8 4 4 5 提高到 8 8 7 1 ；3 0 0 m w 机组由7 6 4 7 提高到8 6 8 6 “1 。近年来，大型发电机的典型 故障还屡有发生。发电机是机、电密度很高的产品，旦出现问题，定转子 烧毁的几率高，造成的停电损失比较大。同时大型发电机的单机容量越来越 大，大功察的两极汽轮发电机单机容量已达1 0 0 0 m w ；而用于核能发电的汽 轮发电机，因蒸汽条件，汽轮机为低速机，发电机为四极，最大单机容量已 达1 5 0 0 m w l 2 1 ，【3 】。大型发电机在电力系统中居于生产中的关键位置，并要求 有极高的运行可靠性，即使一台大型发电机出现事故，影响生产和造成的停 产损失都是巨大的，而且还可能会造成人身伤害及设备损坏的恶性事件。因 此发电机运行状态直接影响电力系统运行的可靠性、安全性和经济性。 发电机转子作为发电机的重要组成部分，通常有多个磁极线圈，有线圈 引线、阻尼绕组等。这些部件承受较大的电流及离心力，当超过部件极限强 度时将导致大的事故。转子作为较易出现故障的部位，除了转子本体故障以 外，主要是转子绕组的短路故障，其表现形式主要为匝间短路、一点接地短 路、两点接地短路等【4 l 。例如沙岭子电厂i 一3 号机1 9 9 4 年至今已先后发生4 次转予匝间短路事故，其中3 次严重匝间短路，转子线圈烧损并将转子护环 烧坏，转予大轴磁化而进行退磁处理【3 】；某电厂四台汽轮发电机，在投入运 行后，先后出现转子匝间短路故障，随着运行时间的增长，匝间短路故障愈 趋严重。在额定出力对，转子电流增加了1 5 2 0 ，长期以来只好压低无功 负荷，保持转子电流不超过额定值【5 】。 目前，国内已运行的大型汽轮发电机组中，发生转子线圈匝间短路故障 占故障总数的比重较大，大多数发电机都发生过或存在转子线圈匝间短路故 障。由于绕组绝缘损坏造成转子绕组匝间短路后，便会形成短路电流，从而 形成局部过热点。在长期运行下，局部过热点又会进一步引起绝缘损坏，导 致更为严重的匝间短路，从而形成恶性循环的局面。旦出现匝间短路，电 机中便会出现磁通的不对称和转予受力不平衡现象，从而引起转子振动。 四川大学硕士学位论文 转子绕组接地是发电机运行中较易发生的故障，又是严重影响发电机安 全的运行的故障。正常运行状态下，发电机转子绕组对地之间有一定的绝缘 电阻与分布电容。其绝缘电阻一般大于1 m q ，水冷绕组转子因有绝缘引水 管，在通水状态下的绝缘电阻仅有数千欧。因某种原因绝缘电阻严重下降或 对地绝缘损坏时，即发生转子绕组接地事故。发电机转子绕组一点接地故障， 是常见的故障形式之一，两点接地故障也时有发生。励磁回路一点接地故障， 对发电机一般不会造成危害，因为发电机发生转子绕组一点接地故障时，励 磁电源的泄漏电阻很大，限制了接地泄漏电流的数值。但是，如果再有另外 一个接地点，即发生两点接地故障时，就会产生很大的电流，由于故障点流 过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电 流增加，可能引过热而烧伤：由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡， 从而引起振动，特别是多极机会引起更加严重的振动，甚至会因此而造成灾 难性后果将严重威胁发电机的安全。此外，汽轮发电机励磁回路两点接地， 还可能使轴系和汽机磁化。因此两点接地故障的后果是严重的。近几年来， 国内大型发电机由转子绕组接地所引起的严重运行事故并不少见。 许多年来，人们认为只要不酿成运行问题( 如由于热不平衡引起振动等 级的变化) ，转子发生匝间短路是允许的。许多小容量( 3 0 1 2 0 m w ) 转子 带着匝间短路已运转几十年，其中有些短路线匝直到最近用转子匝间短路探 测技术仔细检查时才被发现。经验表明，某些情况下短路故障是隐藏的，及 只有影响发电机运行时才会发现短路故障。然而在较高参数的工况运行时， 由短路故障导致一系列事故的可能性会更大。 所谓状态监测就是在设备整个使用周期内连续不断的对它们进行运行 状态的检查与判断。监测能够在事故发生前进行预报，状态监测有在事故的 早期阶段就发现事故与提前报警功能，这样就可以选择在最合适的条件下有 准备的停机与检修设备，其结果是既节省时间又减少损失嘲。众所周知，发 电机运行状态直接影响电力系统运行的可靠性、安全性和经济性，及时准确 地判定其故障的原因和故障点，是电力部门关注的一个重要课题。因此对于 很多关键机组都应采用以安全为主要目的的在线监测，以防止突发性事故， 同时还具备趋势分析、故障诊断的功能，为实现预测维修提供了有效的技术 手段。这些情况表明，有必要对转子绕组进行在线状态监测，目的是在故障 或缺陷的初始阶段，提出警报，最终避免事故发生。实现对发电机转子绕组 2 莲矧大学矮士学整论文 的监测有助子提高运行的安全水平、设备的技术状态和管理水平。 1 。2 藿秃外磁究豹囊状 目前，我国的国家标准制定了转予静态下交流阻抗及转子动态下气隙探 测线圈这两种方法来检测转子线圈是褥发生匝间短路故障t 3 1 。 全国务发电厂用于检测发电枫转予是否存在甄闻短路( 静态、动态) 豹 方法禳多，魏：灏量壹滚毫疆、溺羹交流电疆，空载、短路菇线溯藿，绕维 交流分包聪降，波形监测，向量法等。 1 测墩绕组的直流电阻 墨转予绕缝短路三凝沃上霹，壹滚邀淹瓣变豫方这爨2 ，嚣魏嚣量壹 流电阻对葳映少匝线圈缀路是不灵敏的。 2 测擞转子绕组交流阻抗和功率损耗 发电枫交接或大修辩，都要测试转予在膛外、膛内不同转速下的交流阻 抗。由予彩弼交流阻抗懿因素穰多，鲡施期线窀舔逐是稻电基、镣次所使强 的调压器的麓别、转子程膛外放置位鬻的地面及周围物体情况、转子槽楔的 松紧程度、施加电压时转予回路并联设备的不同、辩速的停留点不能满足测 试要求等，瓣溺耋缝鬃誉怒准确熬下络论。 3 。测爨发电机空载、短路特性曲线 通过测摄发电机空载电压、短路电流与励磁电流的关系曲线，看其斜率 骞无变纯，从稳判断转予绕组有无匮阏短路。但是受灏萋耪度豹戳翩，一般 在转子绕缀短鼯的匿数越过总匝数静3 皴上对，雳能靛蓝线上藏浃出来。 4 转予绕组交流分戗压降 当转予绕组有一匝短路时，其分包压降比对应憩的压降差2 0 以上，但 其逶合手嚣：餐分包压薄溅浚条舞熬发魄：疆。 5 动态匝闻短路程线检测 在定予上安装测试线圈，通过引线引出发电机，用示波器撼乐波形，从 嚣判断转予有无匾翔短路。该方法具谢简便易行，燹危叁性、携骏携确定短、 能确定短路程度等优点。 对于离线检测，仅谯停机且抽出转子后方能谶彳予，而且受转予槽楔的材 料及与槽楔接触的紧密程度的影响；阍时出于实琢逡杼中的动态腿间短路往 往蘧转子鹣羚建嚣瀵失竣壤轻，上述方法无法耩鬟凌态匿溺短臻拔薅。瑟气 四川大学硕士学位论文 隙探测线圈只能在发电机空载和三相短路情况下进行，在发电机带负荷的条 馋下，童予毫枢反疲，探溅效票誉鞠显。擞分搽测线整法( 躐称擞分动溯法) 在很大程度上弥补了以上方法盼不足，获得了广泛应用。目前用微分探测线 圈法最适用于发电机在空载及三相稳定短路状态下来判断转予是否存在匝 问短路及其严重程度。正常负载逐行时，由于墩枢反映磁场罨致的气隙磁遇 密瘦液豹畸交及磁鼯饱和等因素豹影确，使匝阕短路戆难确粥断造残困滩。 从华北及东北的十几个大型火力发电厂的情况来看，绝大多数电厂根本没有 气隙线圈探测装置。两种匝间短路故障探测方法的不足之处都是只能在机级 歇毫瓣释残之磊遂纷。 文献f 7 】提出了利用无功输如鞠转子电流变化韵相对关系进行故障判断， 但该方法只能判断单一故障，并鼠忽略了发电机参数的动态变化特性。 文献【8 】零用线能预测的原理，建立数学模溅，判断一定工况下发彀瓿转 予绕筑溺路邀疆交纯区溺，著戳蠹| ：作为瓤据。 文献【9 】提出用小波变换，对发电机转予电流进行分析，从而得出结果， 虽然结聚较满意，但是该方法需爨对励磁电流进行较复杂的变换。 发魄凝转子接羹鏊放簿爨孽在线梭溅，逶索在转予绕缝主麓上一壹滚偏舔， 检测流缎转子本体和报警继电器的电流。如果上述电路中的继电器报警了， 要继续检测接地的泄漏电流，如果泄漏电流进一步增加，说明产生了第二个 接地点，那裁要动手控阕，实枫缀终止运转。 罗轹绉格( r o s e i l 抽耀严铸和竟遮伯雪夫轴如酝s e h e v ) 蚤5 糖出对匝闽簸路 故障可队用周期性冲难波示波图法来做离线检测。 阿尔布莱特( a i m g h t ) “2 j 首先提如了把一静止的探测线嘲装在电机气隙 楚熬褒线捡溺方法。该方法鬏蠢绞波秘蜂篷嚣貉蓬懿赛霾变识来礁定短爨涎 数的多少和短路点的位置。 柯铸里( c o n o l l ”等人【l 叫介绍了一种用与探测线圈相连的监测器显承出 匝闻故障蛇发展过程，再用详缨的分析方法离线分辑探鞠l 线潮豹邀压波形， 翔断簸绛类型窝对故簿定整。在线簸测器测鬈探测线翻电舔浚形的次数最低 的四个偶次谐波的和。报警预置电平的数值，取决于发电机本身，发电机的 历史状况和所装的撵测线圈的类型。此外，如何确定基准噪声的大小也还是 毒特瓣凌。 拜尔斯y a r s ) i l q 提出把监测器输出波形与其延迟半个周期的波形褶藏 4 嚣列丈学联囊学斑论文 加。这样除了不对称分墩外其它的分擞都被抵消了，有利于故障特征分量的 提取。 峦事敖萼| 起熬搽溅线鞭电基波形不j c 重穆豹大小与受载豹丈，j 、短路匿豹 位置和短路的匝数有关。此饱和的程度对短路匝有缀大影响，故辩某些负载 和某些位置的匝间短路，不对称的幅度实际上是随转予的电流的增加而减少 的。需要寻求最好的方法来计算这些因索的影响。 竞歪乌爨事匿翻l 酶m 、， 1 5 l 疆窭来瘸定_ 予绕蕴本菇终为探溺线骚靛避行放 障监测。 克罕利( k e y h a n i ) i l6 j 提出基于参数观测器的发电机内部故障检测技术。 吉特葵淼( g u t t o r m s s o n ) i 瞧出蘩予撩强聚类豹凝方法进行旋转电辊转 子绕组短路敞障的检测。 随着计算机技术的发展，促使了计算机技术与脓测技术结合，使其在进 孳亍在线监测的同时，还嶷镰趋势分析、姣障诊断的功能。设备诊断技术是7 0 年霞兴莛豹- f l 薪技术，窀髓实蕊莰蠢在带受载运弦，在不箨梳豹 擎况下， 通过使用先进的技术手段，对设备状态参数监测和分析，判断设备是否存在 异常或故障，故障的部俄和原因以及故障的劣化趋势，以确定合理检修时间 秘方案。嚣懿这瑗技拳委纛遮速冁超，痰建领域不凝装竟。8 0 冬我饔，这顼 技术舞始在电机制造和运行中崭露头角，并立即显示出它的巨大优越性。 状态监测的方法可分为两大类：撼乎模型的方i 盎和基于特征的方法。基 于模型的方法是以系统模裂化和模型傣诗为基础，将传感器信号认为是动态 系统翡输密，并淡对溺穿捌雏形式表瑗邀来。基予特征豹方法燕褥传感器信 号的适当特征来辩识设备过程的状态。 国内设铸诊断技术的研究和开发是从7 0 年代米期开始的。8 0 年代初国 内开爱这习l 技零豹基旗疆究窝痉曩按零瓣疆究嚣发，取霉了一大凝骚究袋 巢。 电力部在各发电厂大力推广以透甲机组安全j | 鬣视为目的的旋转电机机 械状态监测系统，目前溪痣很多2 2 0 m w 以上豹汽轮发电规组，几乎全部装 备这静盗铡系统，在穰大麟度上，挺蔫了辘组运幸亍爵靠性，降低了攀教概率， 取得了很好的效果和经济效益。 英国盼设备诊断技术研究工作始予6 0 年代末期，首先开展诊断技术的 鬟黄、壤调、咨谗露嚣发，戳蓐曼锯聚褥大学等相继舞浸我瑷臻究，势取褥 四川大学硕士学位论文 了很多成就。 欧洲其他国家的设备诊断技术研究和开发都有了进展，而且它们各具有 自己的专长领域和特色。如丹麦b & k 公司的声学和振动的监测和检测技术； 瑞典a g e m a 公司的红外测温技术；瑞典s p m 对于轴承故障检测颇有特长。 日本钢铁、电力等产业部门在设备诊断技术的开发和应用方面发展很 快，他们很重视这项技术的发展动向，积极引进最新技术，开发和研制诊断 仪器，以提高设备的可靠性为目的，研究和开展了实用性诊断技术，取得了 进展【4 1 。 发电机监测和诊断专家系统是对目前单纯地用于报警的监测系统的改 进。国外已有各种商业应用产品，如加拿大的g e m s 系统，其为一种实时的、 在线的和自适应的诊断系统，主要由数据采集系统、g e m s 监视程序、装置 顾问程序、发电机模拟输入程序等组成；俄罗斯的水轮发电机专家诊断系统， 主要由监测系统和专家系统组成；美国的p d s 过程诊断系统1 1 8 , 1 9 , 2 0 1 。它能比 监测系统更早更精确地辩识出发电机的异常情况并根据目前的运行状态迅 速而准确地推出应采取的措施，可以避免灾难性事故。但是，专家诊断系统要 求对故障及系统有较好的认识，同时专家数据库的建立需要较充足的数据资 源。 近年来，神经网络和模糊技术的研究在国内外广泛兴起。特别是在故障 诊断领域，充分利用神经网络很强的自适应能力、学习能力和容错能力，代 替复杂耗时的传统算法，对故障的诊断识别更快速、充分。同时神经网络与 模糊系统的结合使故障诊断更能充分利用语言形式的知识，更好的处理不精 确的信息，实现故障诊断的智能化。 1 3 研究的内容和主要工作 本文首先分析了同步发电机转子绕组短路故障情况下发电机的二维模 型，进而分析了故障的主要特征量，即定子侧二次谐波电压和转子电流。 其次，本文将基于神经网络集成的模糊系统应用到转子电流的预测模型 建立中，较好的考虑了被预测系统的动态特性，具有较好的白适应学习能力， 与传统的多项式预测相比，它不需要有精确的数学模型，而且输入参数可以 从发电机定子侧获得。 第三，根据神经网络辩识理论和模糊逻辑推理知识，合成了基于模糊神 6 靼强大学琰士学位论文 经网络的故障诊断系统。该系统是根据大型同步发电机发生转予绕组匝间短 路故障、一点接地故障和酒点接地故障的机理，从发电机的定予侧提取故障 特薤售号，势褥模攒逻辑零| 入，戮攘逡缀验瞧豹语蠢变量，曩孵缝会耱经网 络的学习和j 陡e 性映射能力实现了故障诊断。 最后通过对某厂的一裔机组的运杼数据进行转予绕组故障的仿真，并用 文献【9 】中的方法进行对比验证，取褥了较为满意的结果。 7 四引太学疆士学位谂文 2 同步发电机转子绕组短路故障分析 本章主获分绥了目步发邀辊发生转予绕组匿阗筑熬、一点接蟪短薅和嚣 点接地短路辩的二维分析模型，并对故障特征信号漱行了分析。 2 。1 同步发电机转子绕组故障的生要类型 旋转毫橇羲可敬将毫酝转按兔辊械麓，也麓将穰i 城鼹转换麓电能。这稀 能量转换是通过磁耦合的方式来完成的。一个在定予膛内可以自由旋转的转 子绕组通过气隙与定子绕组相耦合。机械能是通过个机械上与电机转子相 逐靛戳菝竣入或竣出熬。凌发邀援串，转子绕组绝缘及其霾定系统妊须能够 承受作用与其上的强大的离心力，而这种离心力通常就是造成放障的主要原 因。除了转予本体故障外，主要是转予绕组故障，备种故障的原因及特征如 下： 接逢短辫簸障，主要赉子绝缘瘗攒，由导线瘗籁荫弓| 超静金耩粉尘，过 分频繁启动丽造成的热变形；其特征为振动、接地电流、绝缘热解。 匝间短路故障，主要由于绝缘磨损、由于导线廉损而引起的愈属粉尘、 j 璧分频繁痘魂造蔽兹热变彩；其特 蒌热气骧磁逶波形跨交、杂教磁遴、摄动、 环流、接蛾激流、速度波动、电源电流波动、绝缘热解。 断线，激要由于设计缺陷、制造缺陷、接头开焊、过分频繁启动造成的 热变形；其特征为电弧放魄、绝缘热解、气骤磁通波形畸变、杂散磁通、振 动、速度滚渤、电源电流波动。 2 2 同步擞电机转子绕组短路故障的二维分析模型 爨组正露运孬嚣，臻去拜疆造藏磁势懿少诲不逐续，转子磁势麴空藏分 布非常接近予梯形。转予的短路故障会使磁势局部损失，故障部分的磁势峰 值和平均值减小，因此短路故障是可以认为是等效的磁势反作用予故障磁极 主磁场的磁势上。 逶常假设如下条薛：定、转子铁蕊静相对导磁攀骞恒定豹馕；定、转子 槽忽略不计，但要用c a r t e r 系数来增加气隙的有效长度；假设转予绕组仅在 转子本体表褥形面电流；认为短路匝是在2 p 极电机中的一个极上的同心绕 缝戆一个线鬻主，撰失安爨为i ；不诗漩帮效痤。这样，撮攥w a r d 豹理论， 四川火学硕士学位论文 短路题艘磁场就可以分褥出来。魄就是缓设短路厦上增搬一反窍舶电漉，糖 它在气辍中产奠三瀚磁场热蘩添蠢静均匀磁场上，台减磊蓑会形成有短路鬣状 态下的电机磁场。 依泰。 犍f 囝2 ， 转子的空阊位置谠聃 如果假设短路匝是在n 扳，节距为2 a 的个线圈上， 给出由损失安匝在转予表面形成的电流 越 k 8 = 趸。s i n n o h t l 那么下式就可以 ( 2 ，1 ) 设转予槽开口是2 枫械弧度，则槽电流的损失部分可由袭灏密度6 ：士 ，2 来表承。短路状态下的磁场要在艨有的均匀磁场上加一由短路匝而形成臼勺磁 场，这梯就需要把加在短路匝上的电流方向与槽中的实际电流的方向相威。 这样，式( 2 1 ) 中的系数就可写为： 妊2 妻& 蜘a 鲫= 一磊4 b s l n 。”渊n 够 用i 代特b ，把足嚣的单位由安匝每弧度换为安培每米，这样 d ；i 蹬搦大学硕士学位论文 芷。丽2 i s i n 懒i n ”芦 ( 2 - 2 ) 塑予转子表嚣上磁磁露涟置。仅仅浍善辍赢浚璐，擐搀磁失撼毽分量乏 可以描述二维磁场： 耻；等旭一去等 亿s ， 为简便起凳t a ：或a 满慰r 一毋系中的挝普拉斯方稷，其解为 4 ；意( ；，+ 膨一j s i n 船疗 ( 2 - 4 ) 下标i 表示转子槽中的隧域，满足了崩。= 0 的要求，因力区域l 包含坐标原 点a 如果忽略定子铁芯的漏磁，则r 。坞，4 ；0 时 麓k = l k 毯。 另外的边羿条件是在r 。r ：时 曰= b ，2 ，h 口3 = h 口2 ( 2 5 ) 奁，= 趸辩 b ，2 = b ，l ，h 口2 一h 刺= k 口 ( 2 6 ) 澄必气陈系数麓： m 2 。= 三。x o x s ，三：。= j ：r 产。 ( 2 ，7 ) n 其中 以= 等小筹 黔卜 乏；型， 2 2 。+ 1 跫j 4 一r 2 赫 i 四j i i 大学硕士学位论文 z 。是含有气隙磁场对定子铁芯深度影响的系数，当深度到一足程度后z 一魈十 一致。参数l 不仅含有铁芯深度的影响，也包含了相对导磁率的影响，当后 者增加时z 趋于一致。运用( 2 - 3 ) 和( 2 4 ) 可以得到气隙磁场分量。在转 子表面这一特殊情况，= r 。时 “= ；以i _ 时“ c o 舢 协s ， b 。：= 一车r 。il ( 乏 “一l s i n ”口 c z 。， 2 3 同步发电机转子绕组两点接地短路时定子二次谐波电压分 析 正常运行的两极发电机，不管三相负荷是否完全对称，气隙磁场的南北 极是对称的，亦即其气隙磁密的空间分布完全对称于横轴。因此从理论上， 根据傅立叶级数谐波分析可知，在这一气隙磁密的空间波形中，不存在偶次 谐波。这样，由它产生的定子电势中，也就不会包含任何偶次谐波分量。 当发电机转子回路发生两点接地短路故障后，将有部分线匝被短接，只 要被短接的线匝不对称于横轴的气隙磁密，根据傅立叶级数的谐波分析，其 一定包含有包括二次谐波在内的一系列偶次谐波，从而在定子中产生相应的 偶次谐波电压。因此，在转予绕组两点接地短路时分析定子二次谐波电压， 可按上述二维模型，亦即把匝问短路后的励磁磁势，看作是正常磁势与被短 接的线匝所产生的反向磁势相叠加的结果。 2 3 1 发电机空载运行时 1 少量匝数发生短路故障的情况： 设被短路匝数与一个磁极下励磁绕组总匝数的比值为k ，正常空载励磁 电流为丘，一个极下励磁绕组的总匝数为既，则发生转子绕组匝间短路故 ojp鲫 o + 以 + i 生如 ，l 。 = 以 时 b 如 = r面表 内子定在 四川大学硕士学位论文 障时，相应的反向励磁安匝为k i l 既。 为简化计算，将k i l w l 看作是集中绕组，这一条件对讨论是允许的。定 义 被短路绕组的宽度 y 2 1 丽一 显然，符号y 表示的是被短路的绕组在转子上的空间位置( 图2 1 ) 。当被短 路的线匝靠近大齿时，yf r i g i d 、；而当靠近横轴时，则y 值趋向于1 。 图2 2 表示了反向安匝k l 既，零磁位线( 横轴) 将它分为正向磁势m 和 负向磁n ，即 m n = k 1 l 睨 ( 2 - 1 1 ) 根据磁通连续性原理，有 m 三y ) = 一( 2 万一砂) ( 2 - 1 2 ) 解上两式可得： m = k 。呒( ，一訇( 2 - 1 3 ) n = 一k 。睨娄 ( 2 1 4 ) 其按傅立叶级数谐波分析法可得： f ( 1 2 ) - 口ic o s o r + a 2c o s 2 a + + a n c o s n a( 2 - 1 5 ) 其中系数为： = 昙f ( t 一考) 。睨c 。s 一耐口弓辱一考灯。睨c o s n 耐口 ：三k i l w l i n n y ；, r 2 s i l l n y ；, r 1 2 = ( 2 】6 ) 1 2 四川大学硕士学位论文 f m i 硒秽l 一j 0i ， ， 乎i 0 n 7 。 图2 2 两极发电机转子匝间短路时的谐波分析 所以基波幅值为； 9 n l = 三k l 呒s i n y r t 2 二次谐波的幅值为： 1 a 22 盯l 睨s i n y l r 这个基波和二次谐波幅值，是对反向励磁磁势谐波分析的结果。 l f 盯弋 丐。莩 l 一1 1 。 i f 、 厂邑 1 1 l 、 7 i 。话u - 孵孵 围2 3 两极发电机空载时的谐波分析 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 此外，还要对正常空载励磁磁势( 图2 3 ) 进行谐波分析，它的谐波表达式 为： f 0 ) = 巧c o s t + f 3c o s 3 a + + e c o s r a( 月= 奇数)( 2 1 9 ) 式中r 为 疆矧大学琰士学蕴论文 只：昙f 讽昙枣鞣概妣 = 8t 睨f s t n o m 如栊 式中掰一大齿宽度魂爱躐，一般m = o 2 5 。 所以正常警载励磁磁势的基波幅值为： 只= 吾t 觋击s i n ( 1 一埘k 2 ( 2 2 0 ) 因为汽轮发电秘是均匀气隙，所良气陈二次谐波磁努( 幻) 与基波磁势( 毋a d 之比，就等于二次谐波磁密与基波磁密之比，这样就可以根据上式得二次谐 波电势e 2 与基波电势嚣，之比： 】 墨。墨缒。三! 竺羔 e l 置要土s i n ( 1 - m ) 露2 一三k 8 i n y 席2 。g g , , 2 。 茎墅差苎 莨i i 芝s i n ( 1 一，h ) 硝2 2 五s i n ，疗2 万( 1 一m 1 、 “ ( 2 - 2 1 ) 式串k w ；k w ：分鬃表示蒸波稻二次游波绕缝系数。辩予瓒代太鳖汽轮发瞧 机，有瞄 ，= o 见铷广0 4 8 5 。所以： 曼己：0 5 4韪! i 塑兰兰( 2 - 2 2 ) 最 3 1 5 2 k s i n y l r 2 2 较多匝发生短路故障的情况： 对一个极下的励磁绕组全部被短接的情况分析时，不能把短路部分的励 磁绕组看穆巢孛绕组了tj 琏：醛t 可殴褥一个摄的爱憩聚磁安匝涎议鞋撵形波 表示，它豹零磁位绞可用横辅酝代袋( 由磁遗连续经原理决定) ，僵是对予 我们讨论的二次谐波的大小问题，可以简单的以0 a 作为零磁能线( 横轴) ， 因为横轴平移仅改变恒定分量的大小。 壶 ：波形怼缎辘对髂。蜃羧薅立酚级数谐波公耩孛没鸯歪弦瑗，悉嚣二 四川大学硕士学位论文 次谐波摇篷为 铲2 m e 气缈s 2 勰弹2 致茹湖2 施 ；埠。上( 1 + c o s r a n ) 口。1 一m 、 ( 2 2 3 ) 越波形弱基波耀篷受 铲2 1 t i n 溉c o s 砒磷2 i t 飒茹粥础 = 砉矗魏击娥三( 1 一搬) * 丢曩 ( 2 谢) 所以励磁绕组一个极被短路时，定子二次谐波电压与綦波电压值比为 e _ 。l ：堡生：一g w 2 蟹坠( 2 - 2 5 ) 置足旷一只一嘶 足旷一4 s i n 要( 1 一肌) 1 仍以k 旷2 0 4 8 5 ，k 旷l “0 9 ，m 一0 2 5 为例，有导= 2 4 7 如果以额定电压 也t 作为基波的大小，即助要增大倍，则励磁绕组一个极被短路时，定子二 次谐波电压将为基波额定电压的1 2 一1 3 。 睁持嚣_ 卜| 厂 _ ；五 一撑 一亳7q z 一r一一 士 c k 专+ 三一 g 粒2 4 等效藏磁蜜逛戆谐波分撬 四川大学硕士学位论义 2 3 。2 发毫辘豢受耱运纷鹫 发电机定子电骶的二次谐波姆三相基波定予负荷电流没有直接关系，定 子三相旗波电流和棚皮的磁势只熊加强或削弱转子的直流磁势，雨与转予的 谐波磁势无关只g 玻嚣转子磁势农磁极缴辘瓣慰称性，与产生定予二次 蠹波 电压的磁极横轴对称性无关。 但是，发电机带熊荷后，励磁电流将增大，定子三相电流将产生电枢反 应，并鼹磁路可能如瑗一定程度的饱和。饱和将使同一大小的二次谐波磁势 产生较夸懿二次谐波定予电势。豢发邀瓤豢颥定受蕊薅，獭磁窀流要魄空载 励磁电流大的多，如果其它条件栩同，感性负荷要比容性负荷所需的励磁电 流大。颁路故障引起的定子二次谐波电压与励磁电流成比例。因此，发电机 繁受耱馕嚣下发生矮踌敖障鞋，联产生懿二次谐波宅歪将魄窆鼗黠娱熬大， 而且随负荷增加丽增加，当带懑俄负荷时的比带容性负荷时的大。其次，发 电机定予三相电流所产生的磁势，对转子起到增强或削弱转予磁势的作用， 而不会泼变转予磁势对横轴的对称性。因此，定予三相电溅膊产生的磁势本 身不会孳| 起二次谐浚瞧压，毽不会影确短路鼗辕对短接部分线匝嚣掰产袋的 二次谐波电压，亦即，发电机三相基波负荷电流与短路故障引起的二次谐波 电压无关。因此，发电机带负荷后发生短路故障时，产生的定子二次谐波电 篷褥毙空载辩大。 幽予大型发电机都有并联支掰，在其中都将存在二次谐波环流，其其有 去磁作用，从而减小定子中的二次谐波电压，假其在负载和缴载时都存程， 与发电枧所带的负荷的大小和性质无关。 2 3 3 奠它类型短路救障分析 转予发生其它缀路故障时，同样会引起有效安匝数的减少。因而从定予 测来餐，灏产生黪效莱与发生嚣纛接速短黪敖颦应该是一群瓣，夯帮宅餐夔 会在定予铡产生二次谐波电压，德是其大小不同，从而提供了识剐故障的依 据。 2 。3 ，4l 转子绕继激路敌薄雩l 越酌定子二次谣波电珏分耩 发电机总是存程转子偏心的影响。偏心基本的类型有两种：( 1 ) 静恣偏 l 婴型奎堂堡主堂垡堡壅 一一 心，转子表面相对定子内表面或多或少的存在着气隙的偏差；( 2 ) 动态偏心， 由于一些原因，使转子受热不均，从而导致整个转子稍有弯曲，当转予旋转 时就会出现转子偏心。因此在正常运行时定子二次谐波不平衡电压，由于转 子偏心等原因，励磁绕组中将有微小的基波电压，相应有定子二次谐波电压。 对容量从i o m w 到3 0 m w 的多台汽轮发电机实测的结果，定子线电压中含 有o 0 3 加1 5 的二次谐波成分。 表2 1 正常运行时定子侧二次谐波实测表 ：塑盟