基于励磁磁势计算的同步发电机转子匝间短路监测方法,属电力系统主设备继电保护及在线监测技术领域,其特征在于,首先利用发电机相电压、相电流及定子漏阻抗,计算出实际运行时的励磁磁势;再根据该工况下的励磁电流,计算出正常励磁绕组所应产生的励磁磁动势;正常运行时,两励磁磁势的计算结果应相同,而发生转子匝间短路时实际的励磁磁动势将小于根据正常励磁绕组得到的计算结果,由此形成故障判据;一台典型同步发电机负载运行时发生的转子绕组匝间短路的实验表明,本发明提出的方法能实现对转子匝间短路故障的监测,并可应用于不具备分支电流互感器安装条件的同步发电机。
1.基于励磁磁势计算的同步发电机转子匝间短路监测方法,其特征在于,所述方法是依次按以下步骤进行的:步骤(1),计算发电机气隙电势E_δ: E · δ = U · + I · ( R + j X σ ) ]]> 其中:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="53"/>和ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="41"/>分别为A相电压和电流相量,R和X_σ分别为定子每相的电阻和漏抗;步骤(2),计算气隙电势E_δ对应的气隙基波磁动势F_δ:首先查发电机的空载特性曲线表,得到E_δ对应的阶梯波转子磁动势幅值F_f,由于空载特性是在转子正常时测得,这时E_δ对应的气隙基波磁动势大小为F_δ=k_fF_f其中:k_f为转子磁动势的波形因数,其值为磁动势的基波有效值与幅值之比,与励磁线圈在转子上的分布情况有关,是发电机的固有参数,在时空相矢图上,F_δ超前ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="62"/>90°;步骤(3),计算定子三相合成电枢磁动势F_a: F a = 1.35 IN 1 p k dp 1 ]]> 其中:N₁为定子绕组每相串联匝数,k_dp1为定子基波绕组因数,p为极对数,在时空相矢图上,F_a与A相电流相量ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="41"/>方向相同;步骤(4),得到如图1所示的发电机时空相矢量图,进而求得发电机实际运行时的励磁磁动势基波分量大小F_f1": F f 1 ′ = | F δ - F a | ]]>;步骤(5),根据实测的励磁电流直流分量计算出发电机正常运行时的转子基波励磁磁动势: F f 1 = 1 2 k f N f I f ]]> 其中:N_f为励磁绕组的总匝数,I_f为实测的励磁电流直流分量;步骤(6),进行故障判断:若ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="262"/>,则认为发电机转子绕组存在匝间短路故障,发报警信号;其中:σ>0为误差系数,应根据实际发电机的正常运行状态对其进行整定,保证各种工况下正常运行时ntent="drawing" img-format="jpg" inline="yes" orientation="portrait" wi="262"/>。技术领域
本发明属于电力系统主设备继电保护及在线监测技术领域,尤其涉及一种基于励磁磁势计算的同步发电机转子匝间短路故障监测方法。xa0
背景技术
随着电网的迅猛发展及发电机单机容量的不断增大,人们对发电机的安全可靠运行提出了越来越高的要求。转子匝间短路是发电机时常发生的电气故障,轻微的匝间短路不会对发电机运行产生严重影响,但如果故障继续发展,会造成发电机励磁电流增大、输出无功减小、振动加剧等不良影响。短路点处局部过热还可能使故障演化为转子接地故障,对机组安全稳定运行带来巨大威胁。xa0转子旋转中励磁绕组承受离心力造成绕组间的相互挤压及移位变形、励磁绕组的热变形、通风不良造成的局部过热等是造成发电机转子绕组匝间短路的重要原因,这些原因引起的故障通常只有在发电机实际工况运行时才有所显现。因此,实现对转子绕组匝间短路故障的在线监测与保护显得尤为必要。xa0利用发电机运行中的电气量实现对转子绕组匝间短路故障的实时在线监测与保护不需附加装置,也不需对发电机进行改造。水轮发电机转子绕组匝间短路的故障特征提取方法(公开号:CN102087329A)和汽轮发电机转子匝间短路故障位置及短路匝数的判定方法(公开号:CN102044862A)即是根据故障时产生的定子分支不平衡电流进行故障监测及短路匝数和位置判断的。xa0但由于中国绝大多数大型汽轮发电机的中性点仅引出三个端子,不具备分支电流互感器的安装条件,使得基于分支不平衡电流的转子绕组匝间短路故障监测方法应用于大型汽轮发电机时受到了限制。为了提高大型汽轮发电机运行的安全可靠性,应努力寻求现有条件下对转子匝间短路故障的在线监测。xa0
发明内容
本发明的目的是为同步发电机提供一种转子绕组匝间短路的在线监测方法,尤其是对于不具备分支电流互感器安装条件的大型汽轮发电机。xa0为了提高发电机运行的安全可靠性,本发明提出了一种基于励磁磁势计算的同步发电机转子匝间短路监测方法。本发明的特征在于,所述方法是依次按以下步骤进行的:xa0步骤(1),计算发电机气隙电势E_δ:xa0 E · δ = U · + I · ( R + j X σ ) ]]> 其中:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="53"/>xa0和ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="41"/>xa0分别为A相电压和电流相量,R和X_σ分别为定子每相的电阻和漏抗;xa0步骤(2),计算气隙电势E_δ对应的气隙基波磁动势F_δ:xa0首先查发电机的空载特性曲线表,得到E_δ对应的阶梯波转子磁动势幅值F_f,由于空载特性是在转子正常时测得,这时E_δ对应的气隙基波磁动势大小为xa0F_δ=k_fF_f其中:k_f为转子磁动势的波形因数,其值为磁动势的基波有效值与幅值之比,与励磁线圈在转子上的分布情况有关,是发电机的固有参数,xa0在时空相矢图上,F_δ超前ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="62"/>xa090°;xa0步骤(3),计算定子三相合成电枢磁动势F_a:xa0 F a = 1.35 IN 1 p k dp 1 ]]> 其中:N₁为定子绕组每相串联匝数,k_dp1为定子基波绕组因数,p为极对数,xa0在时空相矢图上,F_a与A相电流相量ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="41"/>xa0方向相同;xa0步骤(4),得到如图1所示的发电机时空相矢量图,进而求得发电机实际运行时的励磁磁动势基波分量大小F_f1":xa0 F f 1 ′ = | F δ - F a | ]]> 步骤(5),根据实测的励磁电流直流分量计算出发电机正常运行时的转子基波励磁磁动势:xa0 F f 1 = 1 2 k f N f I f ]]> 其中:N_f为励磁绕组的总匝数,I_f为实测的励磁电流直流分量;xa0步骤(6),进行故障判断:xa0若ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="262"/>xa0,则认为发电机转子绕组存在匝间短路故障,发报警信号;xa0其中:σ>0为误差系数,应根据实际发电机的正常运行状态对其进行整定,保证各种工况下正常运行时ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="262"/>xa0。xa0上述步骤可基于发电机实际运行时同步采样三相电压、电流及励磁电流数据进行实时的判断,亦可应用于采样上述数据后的离线分析,本发明的原理框图如图2所示。xa0通过对一台典型同步发电机负载运行时发生的转子匝间短路的实验表明,本发明提出的方法能灵敏的反应所发生的转子匝间短路。应用本方法可实现对同步发电机转子绕组匝xa0间短路故障的有效监测。xa0
附图说明
图1为发电机的时空相矢量图。xa0图2为本发明的原理框图。xa0图3为隐极同步电机转子匝间短路前后励磁磁动势的变化。xa0图3(a)隐极同步电机的励磁绕组。xa0图3(b)隐极同步电机正常运行的励磁磁动势。xa0图3(c)隐极同步电机转子匝间短路时的励磁磁动势。xa0图4为A1552样机转子各抽头位置及匝数。xa0
具体实施方式
首先简要介绍本发明的基本原理。xa0以图3(a)所示的隐极同步电机为例,该电机的励磁绕组是由11"、22"、33"、44"四组线圈串联而成。励磁绕组正常时,励磁磁动势的波形如图3(b)所示,阶梯波的幅值F_f=N_fI_f/2,其中N_f为励磁绕组总匝数,I_f为励磁电流。对该阶梯波磁势进行傅里叶分解,可得到基波磁动势的幅值F_f1=k_fF_f。xa0假设绕组11"发生部分匝间短路,短路后的励磁磁动势分布如图3(c)所示,由于励磁绕组有效匝数的减少,短路后的基波励磁磁动势的幅值F_f1"将必然小于根据正常励磁绕组计算的F_f1。若短路后的励磁电流为Ixa0_f,则xa0 F f 1 ′ < F f 1 = 1 2 k f N f I f ]]> 因此,理论上正常运行时F"_f1应等于F_f1,而转子匝间短路时将有上式的关系,由此即可实现对转子匝间短路故障的判断。xa0为验证本发明的有效性,对一台典型的A1552样机进行了不同匝数的励磁绕组匝间短路实验。A1552样机为1对极、12kW同步发电机,该样机励磁绕组除首、末端的2个抽头以外,还在内部另外引出了5个抽头,这7个抽头分别与7个滑环相连,滑环又通过电刷连到外部接线端子上,各抽头的位置及相应匝数如图4所示。xa0表1为该样机联网负载时励磁绕组4-6(短路135匝)、2-4(短路231匝)抽头发生匝间短路故障前后的实验数据,表中的ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="28"/>xa0为相电压和相电流之间的功率因数角。xa0表1xa0A1552样机转子匝间短路故障前后实验数据xa0 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 根据发明内容,对两种短路故障前后发电机实际运行时的基波励磁磁动势F_f1"进行计算,并与根据实测的励磁电流直流分量及转子绕组的分布计算出的发电机正常运行时的转子基波励磁磁动势F_f1进行比较,计算结果见表2。xa0表2xa0A1552样机转子匝间短路故障前后励磁磁势的比较xa0 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 表3为该样机带电阻负载时励磁绕组4-6、2-4抽头发生匝间短路故障前后的实验数据。xa0表3xa0A1552样机带电阻负载转子匝间短路故障前后实验数据xa0 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 同样,对两种短路故障前后发电机实际运行时的基波励磁磁动势F_f1"及假设发电机正常运行时的转子基波励磁磁动势F_f1进行比较,见表4。xa0表4xa0A1552样机带电阻负载时转子匝间短路故障前后励磁磁势的比较xa0 ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 从表2和表4中可见,故障前正常运行时计算得出的F_f1和F_f1"不完全相等,有约3%的误差,可将误差系数σ取为0.05。故障后计算得出的F_f1和F_f1"偏差均显著增大,可实现有效的监测。xa0通过上面的计算与分析,说明了本发明提出的方法可实现对同步发电机转子匝间短路故障的监测,并且计算模型中仅需用到受运行方式影响很小的定子漏抗参数,保证了监测的可靠性;且只需采集实际运行中的三相电流、三相电压及励磁电流,适用于无分支(组)电流互感器安装条件的发电机。xa0