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专利名称：一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法
技术领域：
本发明涉及一种能够确定发电机转子线圈动态匝间短路故障位置的方法，属于发 电机技术领域。
背景技术：
转子线圈匝间短路故障是汽轮发电机的频发故障，一般有静态和动态匝间短路两 种形式。静态匝间短路不随转子转动状态和运行工况而变化，可在停机时检测出来；动态匝 间短路是由于转子运行过程中的离心作用，导致励磁绕组之间压力过大，压破邻近绕组间 绝缘而形成的，在发电机停止运行时，励磁绕组之间的压力减小，短路消失，因此停机时很 难进行检测。
目前，检测转子线圈动态匝间短路故障的方法主要有励磁电流增幅检测法、基于 转子振动与励磁电流正相关性的判断方法、基于定转子振动特性改变的方法、基于定子绕 组并联支路间的偶次谐波环流分析方法以及气隙磁场探测线圈等方法。
励磁电流增幅检测法是根据匝间短路故障后励磁电流增大和无功减小的原理来 检测转子匝间短路故障。由于励磁电流增幅常常不是恨明显，且受调节时多种因素的影响， 因此，一般作为判断转子存在匝间短路的参考判据。
基于转子振动与励磁电流正相关性的判断方法，其基本原理是转子线圈出现匝 间短路后，转子振动出现异常，且转子的轴振值随励磁电流的变化而变化，两者之间存在正 相关性。当转子的轴振值与励磁电流之间存在明显的正相关性或随动性时，即可诊断转子 绕组存在匝间短路故障。
基于定转子振动特性改变的方法监测转子匝间短路故障所依据的原理是转子线 圈出现匝间短路后，定、转子振动出现异常。根据定子和转子的振动轨迹是否异常来诊断转 子绕组是否存在匝间短路故障。
基于定子绕组并联支路间的偶次谐波环流分析方法，其基本原理是转子线圈出 现匝间短路后，气隙磁场中出现偶次谐波，在定子绕组中感应偶次谐波电势，对于定子具有 两条并联支路的电机来说，偶次谐波电势会在并联支路间产生环流。通过检测定子绕组并 联支路间是否存在偶次谐波环流来诊断转子绕组是否存在匝间短路故障。
气隙磁场探测线圈法是预先在发电机定子膛的通风沟处安装一个探测线圈，当转 子旋转时，该探测线圈可以检测到气隙中磁场的变化情况。通过对气隙旋转磁场进行微分， 然后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。所 述方法的缺点是需要将探测线圈装在定子铁心的空气隙表面，对已经投运的电机安装探测 线圈难度较大，因此使所述方法的应用范围受到了限制。
除此之外，还有基于励磁电流是否存在谐波、轴电压信号中是否出现与定子齿槽 数对应的特征谐波等方法，以及借助于数学方法如神经网络、小波分析建立诊断规则从而 诊断转子绕组是否存在匝间短路等方法。
以上涉及的方法中除探测线圈法外，其它方法虽然能够诊断转子匝间短路的程度，但诊断匝间短路线圈的位置比较困难。
总之，尽管国内外对转子绕组匝间短路故障的检测十分重视，但现有的各种方法实现匝间短路线圈的定位还存在一定的困难。发电厂因发生转子绕组匝间短路故障后未能及时发现而造成严重后果的事例屡见不鲜，因此有必要进一步提高此类故障的诊断水平。发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，以提高此类故障的诊断水平。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，所述方法为打开汽轮发电机定子任意一相绕组并联支路端口，使电机空载运行，采集定子端口打开相绕组的一条支路电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子支路电压频谱图，然后计算其基波、二次、三次、四次谐波有效值相对于事先存储的无故障电机在相同励磁电流下的谐波有效值的变化量，进而得到基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值，最后将这两个比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在动态匝间短路故障的线圈。
上述发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，所述方法包括以下步骤a.利用有限元方法分别计算汽轮发电机无故障以及转子不同线圈匝间短路时的磁场分布，得到不同线圈短路时的气隙磁密分布；然后对气隙磁密进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，将电机无故障与存在匝间短路时的磁密相比较，计算基波幅值的变化量 、二次谐波幅值的变化、三次谐波幅值的变化量』3m和四次谐波幅值的变化量b.计算气隙磁密的基波与三次谐波幅值变化量的比值f以及二次谐波和四次谐波幅值变化量的比值；C.计算定子支路空载电压中基波与三次谐波有效值变化量的比值f以及二次谐波和四次谐波有效值变化量的比值=其中、>, >,和&分别为定子绕组基波、二次、三次和四次谐波的绕组因数，将各个线圈匝间短路时的两个比值建立数据库；d.打开被测汽轮发电机定子任意一相并联支路的端口，对被测电机进行空载实验，利用电气参数数据采集仪采集汽轮发电机空载运行时的定子绕组端口打开相的支路空载电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子绕组支路电压频谱图，获得空载电压的各次谐波有效值；e.将定子空载电压的各次谐波有效值与事先存储的无故障电机相同励磁电流下的谐波有效值进行比较，计算其基波有效值的变化量&、二次谐波有效值的变化量、三次谐波有效值的变化量、四次谐波有效值的变化量；f.计算支路空载电压的基波与三次谐波有效值变化量的比值Vi以及二次和四次谐波有效值变化量的比值V1;g.将步骤f的计算结果与步骤C的计算结果相比对，在步骤C所建立的数据库中找到与步骤f的计算结果相接近的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测发电机的故障，从而判定出匝间短路线圈的位置。
上述发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，在计算出被检测发电机的基波有效值的变化量、二次谐波有效值的变化量、三次谐波有效值的变化量、四次谐波有效值的变化量之后，应先判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障，然后再对故障进行定位，判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障的方法是如果定子支路空载电压的各次谐波变化量超过预先设置的阈值，且电机并网运行时励磁电流的变化量超过预先设置的阈值，可判定励磁绕组存在匝间短路故障。為I 、^的阈值分别设定为5%、20%、10%、20%，励磁电流变化量的阈值设定为3%。
本发明无需在发电机定子膛内安装探测线圈就可实现转子绕组动态匝间短路故障的定位，具有定位准确度高、适用范围广等优点，采用本方法可及时发现转子绕组动态匝间短路故障，防止短路故障进一步蔓延给发电厂造成重大损失。



下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是转子槽及绕组编号示意图；图2是模型机空载试验接线图；图3是空载短路25匝时A相一条支路空载电压波形。
文中各符号清单为Am为气隙磁密基波幅值的变化量，』2m为气隙磁密二次谐波幅值的变化量，』3m为气隙磁密三次谐波幅值的变化量，-S4m为气隙磁密四次谐波幅值的变化量，k_、km、k_、k_分别为定子绕组基波、二次、三次和四次谐波的绕组因数， ^rl为定子空载电压基波有效值的变化量、^r2为定子空载电压二次谐波有效值的变化量、为定子空载电压三次谐波有效值的变化量、』一为定子空载电压四次谐波有效值的变化量，为汽轮发电机励磁磁动势，为通入同心式励磁线圈中的直流电流，、分别为转子N极和S极下第i个励磁线圈的有效匝数;0flj、.ef2i分别为转子N极和S极下第i个励磁线圈的短距比W是各个磁极下实际同心式励磁线圈数'k为谐波次数，Λ 为气隙单位面积的磁导，W1为定子一条支路串联的线圈匝数，^为定子绕组A次谐波的绕组因数L为A次谐波磁通量。
具体实施方式
汽轮发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法所依据的原理如下在忽略电机饱和的前提下，两极汽轮发电机励磁磁动势空间分布的解析表达式为
权利要求
1.一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，其特征是，打开发电机定子任意一相绕组并联支路端口，使电机空载运行，采集定子端口打开相绕组的一条支路电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子支路电压频谱图，然后计算其基波、二次、三次、四次谐波有效值相对于事先存储的无故障电机在相同励磁电流下的谐波有效值的变化量，进而得到基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值，最后将这两个比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在动态匝间短路故障的线圈。
2.根据权利要求1所述的一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，其特征是，所述方法包括以下步骤 a.利用有限元方法分别计算汽轮发电机无故障以及转子不同线圈匝间短路时的磁场分布，得到不同线圈短路时的气隙磁密分布；然后对气隙磁密进行快速傅立叶变换，得到其各次谐波幅值，将电机无故障与存在匝间短路时的磁密相比较，计算基波幅值的变化量 、二次谐波幅值的变化量、三次谐波幅值的变化量M3m和四次谐波幅值的变化量 IlJ11 b.计算气隙磁密的基波与三次谐波幅值变化量的比值f以及二次谐波和四次谐波 Am幅值变化量的比值t； C.计算定子支路空载电压中基波与三次谐波有效值变化量的比值$ =以及二次谐波和四次谐波有效值变化量的比值=,其中， 、；和丨aV >4km km km分别为定子绕组基波、二次、三次和四次谐波的绕组因数，将各个线圈匝间短路时的两个比值建立数据库； d.打开被测汽轮发电机定子任意一相并联支路的端口，对被测电机进行空载实验，利用电气参数数据采集仪采集汽轮发电机空载运行时的定子绕组端口打开相的支路空载电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子绕组支路电压频谱图，获得空载电压的各次谐波有效值； e.将定子空载电压的各次谐波有效值与事先存储的无故障电机相同励磁电流下的谐波有效值进行比较，计算其基波有效值的变化量&、二次谐波有效值的变化量、三次谐波有效值的变化量&七3、四次谐波有效值的变化量； f.计算支路空载电压的基波与三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐 气1波有效值变化量的比值;g.将步骤f的计算结果与步骤C的计算结果相比对，在步骤C所建立的数据库中找到与步骤f的计算结果相接近的比值，则该比值所对应的线圈匝间短路故障即为被检测发电机的故障，从而判定出匝间短路线圈的位置。
3.根据权利要求2所述的一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，其特征是，在计算出被检测发电机的基波有效值的变化量、二次谐波有效值的变化量、三次谐波有效值的变化量、四次谐波有效值的变化量之后，应先判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障，然后再对故障进行定位，判断发电机转子绕组是否存在动态匝间短路故障的方法是如果定子支路空载电压的各次谐波变化量超过预先设置的阈值，且电机并网运行时励磁电流的变化量超过预先设置的阈值，即可诊断励磁绕组存在匝间短路故障；Al、^^的阈值分别设定为5%、20%、10%,20%,励磁电流变化量的阈值设定为3%。
全文摘要
一种发电机转子绕组动态匝间短路故障的定位方法，所述方法为打开发电机定子任意一相并联支路端口，使电机空载运行，采集定子端口打开相的绕组支路电压信号，并对该信号进行快速傅立叶变换，得到定子支路电压频谱图，然后计算其基波、二次、三次、四次谐波有效值相对于无故障电机的变化量,进而得到基波和三次谐波有效值变化量的比值以及二次和四次谐波有效值变化量的比值，最后将这两个比值与事先通过仿真得到的比值进行比较，找到与该比值相对应的故障，从而确定存在动态匝间短路故障的线圈。本发明具有定位准确度高、适用范围广等优点，它可以及时发现转子绕组动态匝间短路故障，防止故障进一步蔓延造成重大损失。
文档编号G01R31/06GK102998591SQ20121051893
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者李俊卿, 李和明, 侯纪勇 申请人:华北电力大学(保定)