检测转子绕组匝间短路的有效性验证方法与流程

1.本发明属于有效性验证方法技术领域，具体涉及检测转子绕组匝间短路的有效性验证方法。


背景技术：

2.我国电力系统结构转型过程中，高比例新能源、高压直流输电广泛应用是一个显著特征。为了维持系统电压稳定，在直流输电系统受端和弱交流系统送端加装了大量调相机，其中既有50mva的分布式调相机群，也有300mva的大容量调相机组。
3.对于同步调相机，励磁电流需要频繁、快速变化，导致转子绕组在槽内反复伸缩位移，容易造成匝间绝缘破损和绕组端部变形搭接，引发转子绕组匝间短路故障，导致机组振动加剧、大轴磁化等问题，甚至会诱发转子一点或两点接地故障。因此，对转子绕组匝间短路故障的准确检测和及时预警十分必要。
4.同步调相机普遍采用自并励励磁方式，这种励磁方式机组的励磁电流可测，因此，一些依赖于励磁电流准确测量的转子绕组匝间短路故障在线检测方法在这些机组上具有适用性，包括期望电动势法，然而，在调相机状态剧烈变化的动态过程中，期望电动势法是否还适用？是否会出现误报警？目前在这一领域还缺少可靠的验证方法，研究期望电动势法在调相机动态过程中的适用性关系到故障在线监测的连续性和可靠性，是当前亟待开展的研究任务。
5.公布号为cn113156309a的发明专利公开了一种同步调相机转子绕组微弱匝间短路故障诊断方法，实时采集同步调相机的气隙磁密、转子振幅和定子振幅，选取故障前后同步调相机的气隙磁密、转子振幅和定子振幅作为证据体；计算故障前后三种证据体的基本信任分配函数，并采用证据融合规则将三种信任分配函数进行融合，计算故障信任分配值，并将其与故障判定阈值相比较，若故障信任分配值大于故障判定阈值，判定存在故障，构建含同步调相机的高压直流输电的场-路-网耦合仿真模型，进行仿真验证。该发明提供的方法运算复杂，诊断精度不高，不能满足需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供了一种检测转子绕组匝间短路的有效性验证方法，该方法适用于基于期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性验证，避免了真机实验以及故障模拟所带来得经济成本和安全风险。
7.本发明的技术方案是：
8.测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，适用于基于期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性验证，包括如下步骤：
9.s1.将通过有限元仿真所构建的空载电动势关于励磁电流的函数作为任意励磁电流下的期望空载电动势计算表达式；
10.s2.通过有限元软件仿真调相机短路和强励两种暂态过程，获取电气状态量的有
效值，按照向量关系求取实际空载电动势；
11.s3.将上述期望电动势与调相机短路和强励两种暂态过程的实际电动势相比较，根据两者的偏差是否大于转子绕组匝间短路故障判别阈值来验证期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性。
12.具体的，所述的转子绕组匝间短路故障判别阈值采用如下函数：
[0013][0014]
式中，e'0为期望空载电动势，也就是在同一励磁电流、无匝间短路故障的空载电动势，e0为实际空载电动势。
[0015]
具体的，所述故障判据a％的阈值设定为0.4％。
[0016]
具体的，所述步骤s2中仿真调相机短路和强励两种暂态过程中电气状态量有效值计算方法采用入下函数：
[0017][0018]
式中：g
rms
表示某电气量单周期的有效值，t表示电气周期，g(t)为该电气量的随着时间的变化函数，t表示时间。
[0019]
具体的，所述的有效值计算方法计算出每一相的有效值后再取平均值。
[0020]
具体的，所述的电气状态量包括调相机励磁电流、定子电流、端电压有效值、同步电抗及功率因数角。
[0021]
本发明的有益效果是：本发明将通过有限元仿真所构建的空载电动势关于励磁电流的函数作为任意励磁电流下的期望空载电动势计算表达式，通过有限元软件仿真调相机短路和强励两种暂态过程，获取相电压、相电流有效值，以及功率因数角，按照向量关系求取空载电动势。将上述期望电动势与调相机短路和强励两种暂态过程的实际电动势相比较，根据两者的偏差是否大于转子绕组匝间短路故障判别阈值来验证期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性。本发明提出的基于期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性验证方法，避免了真机实验以及故障模拟所带来得经济成本和安全风险，该验证方法低成本、低风险、可重复、方便灵活的针对调相机转子匝间短路故障检测方法进行有效性的验证，通过阈值的设定可以得出期望电动势是否适用于暂态工况，为确定期望电动势法在线监测调相机转子绕组匝间短路故障的实施策略提供了数据支持。
附图说明
[0022]
图1是本发明提供的验证方法原理示意图；
[0023]
图2是调相运行机组等值电路图；
[0024]
图3是电机励磁磁动势示意图；
[0025]
图4是调相运行机组二维有限元模型示意图；
[0026]
图5是励磁电流2600a-1300a时定子电流、电压图；
[0027]
图6是励磁电流1300a-50a时定子电流、电压图；
[0028]
图7是过励磁状态下励磁电流与空载电动势关系曲线图；
[0029]
图8是欠励磁状态下励磁电流与空载电动势拟合曲线图；
[0030]
图9气隙磁通密度波形图；
[0031]
图10是调相机机端电压下降的定子电流、电压图；
[0032]
图11是调相机启动2倍强励磁定子电流、电压图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例提供的检测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，适用于基于期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性验证，如图1所示为本实施例提供的验证方法的原理流程示意图。包括如下步骤：
[0036]
s1.将通过有限元仿真所构建的空载电动势关于励磁电流的函数作为任意励磁电流下的期望空载电动势计算表达式；
[0037]
s2.通过有限元软件仿真调相机短路和强励两种暂态过程，获取电气状态量的有效值，按照向量关系求取实际空载电动势；
[0038]
s3.将上述期望电动势与调相机短路和强励两种暂态过程的实际电动势相比较，根据两者的偏差是否大于转子绕组匝间短路故障判别阈值来验证期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性。
[0039]
对于调相运行的隐极同步机组，其时空相-矢量图与发电机状态明显不同，在忽略有功损耗前提下，定子电流与相电压之间的夹角为90
°
。
[0040]
从调相机时空相-矢量图可以看到，无论工作在欠励状态下还是过励状态下，励磁磁势与电枢反应磁势都在一条直线上，气隙合成磁势为两者的代数和。
[0041]
在过励状态下满足关系：
[0042][0043]
在欠励状态下满足关系：
[0044][0045]
调相运行机组的电压方程为：
[0046][0047]
其中：为空载电动势、为调相运行机组的机端相电压、为定子电流、xs为同步电抗，j表示虚部。
[0048]
e0为与对应的空载电动势，当励磁绕组发生匝间短路时，励磁磁动势较绕组正常时减少，其感应的空载电动势也较绕组正常时的小。基于上述特征，我们用偏差a％来体现这种差异。
[0049]
[0050]
式中，e'0为期望空载电动势，也就是在同一励磁电流、无匝间短路故障的空载电动势，e0为实际空载电动势，所述故障判据a％的阈值设定为0.4％。
[0051]
调相运行机组经升压变压器并入电网，其等值电路如图2。图中xs为调相机组同步电抗，zs为升压变压器的短路阻抗。
[0052]
在机组调相运行过程中，以维持主变高压侧电压稳定作为目标，则在不同无功负荷状态下，调相机组的机端电压是波动的。由于电机铁心所用铁磁材料固有的饱和特性，机端电压较低时，铁心饱和度较低，导磁能力较强，这时，励磁电流if产生的励磁磁场在定子侧感应的空载电动势e0相对较大；机端电压较高时，铁心的饱和度较大，导磁能力变弱，这时，励磁电流if产生的励磁磁场在定子侧感应的空载电动势e0相对较小。
[0053]
转子绕组匝间短路故障的特征之一是导致了电机的一部分转子绕组无电流流过(纯金属性短路)或流过的电流减小(非金属性匝间短路)，导致该槽所对应的磁势为零或下降，使得转子整体励磁磁势减小，如图3所示。
[0054]
实施例2
[0055]
本实施例以一台qfsn-300-2-20b型汽轮发电机为例(参数见表1)，将其改为调相运行状态，通过有限元仿真进行分析和验证期望电势法的性能。
[0056]
表1qfsn-300-2-20b型汽轮发电机主要参数
[0057][0058]
搭建机组的二维有限元模型，如图4所示。
[0059]
为得到变化的励磁电流与空载电动势之间的关系，模型中机组状态稳定后励磁电流沿斜坡缓慢减小。
[0060]
为了展示机组在不同工况(过励、欠励)下的运行特性，并缩短单次仿真时间，仿真分两次进行：
[0061]
1)仿真前6秒励磁电流保持为2600a，机组状态稳定(此时机组为过励状态)，从第6秒开始，线性减少励磁电流，使其从2600a缓慢变化到1300a，此时定子电流、机端电压变化如图5所示。
[0062]
可以看到，当机组的励磁电流减小时，定子电流(感性无功电流)在逐步降低，这与式(3)吻合，由于机组无功出力减小，机端电压有小幅降低。
[0063]
2)励磁电流前6秒为1300a，从第6秒开始线性减少励磁电流，使其从1300a缓慢变化到50a，机组的定子电流及机端电压变化如图6所示。
[0064]
可以看到，当励磁电流线性减少时，定子电流先减少到零，再逐渐增大，机组由过励磁状态经过正常励磁过渡到欠励磁状态，正常励磁时励磁电流约为1050a。机端电压在励磁电流减小时也在逐步降低。
[0065]
提取定子电流及机端电压有效值，根据式(3)求出空载电动势，可以得到过励磁状态、欠励磁状态下的空载电动势与励磁电流关系曲线，进一步得到与曲线对应的拟合函数，如图7、图8所示。
[0066]
在过励磁状态下，励磁电流与空载电动势的关系为：
[0067][0068]
在欠励磁状态下，励磁电流与空载电动势的关系为：
[0069][0070]
对比图7和图8中的曲线，图7中在励磁电流增大过程中，空载电动势线性不是增大，而是有所减缓，而图8中两者是线性关系。可以初步断定是励磁电流变化影响到机组电压，进而影响了铁心饱和度所导致的。
[0071]
为了验证上述判断，在模型气隙中心设置一圆形路径，获取励磁电流为2600a、2040a、1340a、740a、180a时该路径上的磁通密度，如图9所示，显然，是磁场饱和影响了励磁电流与空载电动势之间的函数关系。
[0072]
对转子绕组健康状态下当联络阻抗远端发生三相短路导致调相机机端电压下降时进行仿真。0.5s时发生短路，此时机端电压下降，机端电压及定子电流如图10所示。
[0073]
利用公式计算暂态阶段的定子电流及机端电压有效值，由调相运行机组的电压方程求出实际暂态空载电动势。我们通过实际电动势与期望电动势来确定偏差a％，结果如表2所示。
[0074]
表2机端电压下降的偏差a％的值
[0075]
[0076]
[0077][0078]
从表2可以看到，即使在转子绕组健康状态下，当调相机因外部三相短路导致机端电压发生较大变化情况下，空载电动势的实际值与期望值也出现了较大偏差，可能被误判为发生转子绕组匝间短路。
[0079]
再进行调相机转子绕组健康状态下、2倍强励的有限元仿真。0.5s时发生2倍强励，机端电压及定子电流如图10所示。
[0080]
利用公式计算暂态阶段的定子电流及机端电压有效值，由调相运行机组的电压方程求出实际暂态空载电动势。我们通过实际电动势与期望电动势来确定偏差a％，结果如表3所示。
[0081]
表32倍励磁的偏差a％的值
[0082]
[0083][0084]
从表3可以看到，即使在转子绕组健康状态下，当调相机发生强励导致机端电压发生较大变化情况下，空载电动势的实际值与期望值也出现了较大偏差，可能被误判为发生转子绕组匝间短路。
[0085]
综上所述，本发明提出分别从短路和强励两种状态验证期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性，这种验证方法避免了真机实验以及故障模拟所带来得经济成本和安全风险，实现了一种低成本、低风险、可重复、方便灵活的调相机暂态过程的期望电动势法有效性验证，为确定期望电动势法在线监测调相机转子绕组匝间短路故障的实施策略提供了数据支持。
[0086]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0087]
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，适用于基于期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性验证，其特征在于，包括如下步骤：s1.将通过有限元仿真所构建的空载电动势关于励磁电流的函数作为任意励磁电流下的期望空载电动势计算表达式；s2.通过有限元软件仿真调相机短路和强励两种暂态过程，获取电气状态量的有效值，按照向量关系求取实际空载电动势；s3.将上述期望电动势与调相机短路和强励两种暂态过程的实际电动势相比较，根据两者的偏差是否大于转子绕组匝间短路故障判别阈值来验证期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性。2.根据权利要求1所述检测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，其特征在于，所述的转子绕组匝间短路故障判别阈值采用如下函数：式中，e'0为期望空载电动势，也就是在同一励磁电流、无匝间短路故障的空载电动势，e0为实际空载电动势。3.根据权利要求2所述检测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，其特征在于，所述故障判据a％的阈值设定为0.4％。4.根据权利要求1所述检测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，其特征在于，所述步骤s2中仿真调相机短路和强励两种暂态过程中电气状态量有效值计算方法采用入下函数：式中：g
rms
表示某电气量单周期的有效值，t表示电气周期，g(t)为该电气量的随着时间的变化函数，t表示时间。5.根据权利要求4所述检测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，其特征在于，所述的有效值计算方法计算出每一相的有效值后再取平均值。6.根据权利要求1所述检测转子绕组匝间短路判断方法的有效性验证方法，其特征在于，所述的电气状态量包括调相机励磁电流、定子电流、端电压有效值、同步电抗及功率因数角。

技术总结
本发明属于有效性验证方法技术领域，具体涉及检测转子绕组匝间短路的有效性验证方法，该方法将通过有限元仿真所构建的空载电动势关于励磁电流的函数作为任意励磁电流下的期望空载电动势计算表达式，通过有限元软件仿真调相机短路和强励两种暂态过程，获取电气状态量的有效值，按照向量关系求取空载电动势。将上述期望电动势与调相机短路和强励两种暂态过程的实际电动势相比较，根据两者的偏差是否大于转子绕组匝间短路故障判别阈值来验证期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性。本发明提出的基于期望电动势法在调相机暂态过程检测转子绕组匝间短路的有效性验证方法，避免了真机实验以及故障模拟所带来得经济成本和安全风险。所带来得经济成本和安全风险。所带来得经济成本和安全风险。


技术研发人员：陈二强 李珍平 曹桂州 夏大伟 史书怀 杜君莉
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/9/11