多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置与流程

本发明涉及发电厂励磁系统领域，更具体地说，涉及一种多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置。

背景技术：

参见图1为多相无刷励磁系统的结构示意图。多相无刷励磁系统的交流励磁机电枢、旋转整流器、发电机转子同步旋转，相互间相对静止，避免了静止励磁系统使用碳刷和集电环等滑动接触元件带来的运行维护繁杂及频引发生产事故的问题。

但是，由于多相无刷励磁系统的旋转整流器中的整流二极管处于高速旋转状态，在实际运行中整流二极管的损坏时有发生。在开路故障初期励磁机仍能给主发电机提供正常的励磁电流，如果任故障继续恶化将严重影响主发电机的正常安全运行，造成严重的后果。因此，对旋转整流器故障进行检测，对多相无刷励磁系统的运行有重要的意义。

另一方面，因旋转整流二极管随励磁机电枢绕组一同旋转，难以配置传感器进行监视，对其故障的检测十分困难。因此，现有技术中并没有有效的检测方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不能实现旋转整流器的故障检测的缺陷，提供一种多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法，包括以下步骤：

S1、获取发电机和励磁机的实际尺寸，并按照发电机和励磁机的实际尺 寸建立主发电机的有限元模型和励磁机模型；

S2、根据旋转整流器的实际连接关系，建立旋转整流器模型；

S3、验证所述主发电机模型、励磁机模型和旋转整流器模型的准确性；

S4、利用建立的模型对旋转整流器进行故障检测。

优选的，所述步骤S3具体包括：

在多相励磁机的定子励磁绕组施加电密；

分别计算正常实际工况运行、额定工况运行及2倍强励工况运行的励磁机和主发电机的各电气量，并将计算得到的各电气量与录波数据及运行参数对比，以验证所述主发电机模型、励磁机模型和旋转整流器模型。

优选的，所述步骤S1具体包括：

按照主发电机定子绕组的实际连接方式建立主发电机的有限元模型；

按照励磁机定子绕组的实际连接方式建立励磁机模型。

优选的，所述步骤S1还包括：获取发电机、励磁机的实际运行参数和结构参数，然后根据获取的实际运行参数和结构参数对模型进行设定。

优选的，所述步骤S2具体包括：按照旋转整流器的实际连接方式建立旋转整流器模型。

优选的，所述步骤S4具体包括：

利用所建立的模型，对发电机机端按照实际录波电流施加绕组电密作为边界条件，对主发电机进行转子运动时的电磁场数值计算，计算出发电机励磁绕组的反电势，根据励磁绕组的反电势以检测到旋转整流器的工作状态。

优选的，所述步骤S4具体包括：

利用所建立的模型，将发电机的励磁绕组和系统短路故障引起的反电势一起作为多相无刷励磁机的负载；对励磁机的励磁电流按照实际大小施加电密，计算此时系统的励磁反电势，根据计算得到的励磁反电势以检测旋转整流器是否发生反向击穿。

优选的，所述步骤S4具体包括：

利用所建立的模型，将发电机的励磁绕组和系统短路故障引起的反电势一起作为多相无刷励磁机的负载；对励磁机的励磁电流按照实际大小施加电 密；将二极管置短路状态，得到此时旋转整流器的电气量，以对旋转整流器进行故障分析。

优选的，所述旋转整流器模型中，负载为发电机励磁绕组和反电势。

另一方面，提供一种多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测装置，包括：

第一模型建立模块，用于获取发电机和励磁机的实际尺寸，并按照发电机和励磁机的实际尺寸建立主发电机的有限元模型和励磁机模型；

第二模型建立模块，用于根据旋转整流器的实际连接关系，建立旋转整流器模型；

验证模块，用于验证主发电机模型、励磁机模型和旋转整流器模型的准确性；

检测模块，用于利用建立的模型对旋转整流器进行故障检测。

实施本发明的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置，具有以下有益效果：可实现大型核电机组励磁系统电暂态仿真；分析故障期间电气量特征，重现故障期间发电机励磁系统电气量的变化规律，实现对旋转整流器的故障检测；成本低，效率高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是多相无刷励磁系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法流程图；

图3是本发明实施例的主发电机的定子绕组连接图；

图4是本发明实施例的主发电机的物理模型及有限元网格剖分；

图5是本发明实施例的励磁机的定子绕组连接图；

图6是本发明实施例的励磁机的物理模型及有限元剖分；

图7是本发明实施例的39相旋转整流器模型；

图8是本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测装置的 结构框图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置，解决了现有技术中不能实现旋转整流器的故障检测的缺陷，取得了可实现大型核电机组励磁系统电暂态仿真；分析故障期间电气量特征，重现故障期间发电机励磁系统电气量的变化规律，实现对旋转整流器的故障检测，且成本低，效率高的有益效果。

本发明实施例解决上述技术问题的总体思路为：提供一种多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法，包括以下步骤：获取发电机和励磁机的实际尺寸，并按照发电机和励磁机的实际尺寸建立主发电机的有限元模型和励磁机模型；根据旋转整流器的实际连接关系，建立旋转整流器模型；验证所述主发电机模型、励磁机模型和旋转整流器模型的准确性；利用建立的模型对旋转整流器进行故障检测。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参见图1为多相无刷励磁系统的结构示意图。多相无刷励磁系统包括：旋转部分1、主发电机2和励磁调节器3。其中，旋转部分1包括旋转整流器11。旋转整流器11用于将交流电流转化为直流电流。

励磁调节器3将交流电转换成频率和幅值可调的交流电提供给交流感应励磁机的定子感应绕组。

旋转整流器11将交流感应励磁机的转子感应绕组的感应交流电压变换成直流向主发电机2的励磁绕组供电。

旋转整流器11故障时，励磁机产生不同于正常运行的电枢电流，进而会在励磁机定子励磁回路中感应出特定谐波的电流。

参见图2，本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法包括以下步骤：

S1、获取发电机和励磁机的实际尺寸，并按照发电机和励磁机的实际尺 寸建立主发电机的有限元模型和励磁机模型。

具体的，按照主发电机定子绕组的实际连接方式建立主发电机的有限元模型。按照励磁机定子绕组的实际连接方式建立励磁机模型。

建立模型时，首先获取发电机、励磁机的额定参数和实际结构参数，然后进行设定。例如，发电机的实际运行参数包括：额定电压、额定电流、额定容量、额定励磁电流、空载额定电压时的励磁电流；发电机的实际结构参数包括：定子铁芯外径、定子铁芯内径、定子铁芯长度、极距、定子齿数、定子绕组节距、定子每线圈匝数、转子铁芯长度、转子每极阻尼条数、气隙长度设计值、转子实槽数、转子虚槽数、励磁绕组各分布式线圈的匝数及节距。励磁机的实际运行参数包括：额定电压、额定电流、额定励磁电压、额定励磁电流、空载励磁电压、空载励磁电流；励磁机的实际结构参数包括：相数、极对数、转子铁心外径、转子铁心内径、定子铁芯外径、定子套筒内径、定子铁芯长度、转子槽数、定子绕组节距、气隙长度设计值。

参见图3是本发明实施例的主发电机的定子绕组连接图；图4是本发明实施例的主发电机的物理模型(左)及有限元网格剖分(右)；图5是本发明实施例的励磁机的定子绕组连接图；图6是本发明实施例的励磁机的物理模型(左)及有限元剖分(右)。为了清楚的展示本发明实施例的旋转整流器模型，本发明实施例以39相旋转整流器为例建立了图7所示的旋转整流器模型。图3中，①为汽轮机侧，②为发电机出线侧，③为下层线棒，④为空心线棒，⑤为连接环，⑥为出线箱，⑦为冷却水出水口连接，⑧为冷却水入水口连接。图5中，①为二极管侧，②为二极管对侧，③为相数，④为槽数。应理解，图3和图5所示的连接关系为主发电机和励磁机的实际连接关系，即根据现有技术的实际连接关系进行连接。

S2、根据旋转整流器的实际连接关系，建立旋转整流器模型。

旋转整流器模型中，负载为发电机励磁绕组和反电势。用励磁机励磁电压或电流作为励磁机边界条件。

按照旋转整流器的实际连接方式建立旋转整流器模型。图7是以39相旋转整流器为例而建立的39相旋转整流器模型，该模型的左侧正方型为多相无 刷励磁机，其负载是发电机的励磁绕组。

在本发明实施例中，可通过ANSYS/Maxwell软件进行上述模型的建立。

S3、验证主发电机模型、励磁机模型和旋转整流器模型的准确性。

具体的，在多相励磁机的定子励磁绕组施加电密作为激励。分别计算正常实际工况运行、额定工况运行及2倍强励工况运行的励磁机和主发电机的各电气量。并将计算得到的各电气量与录波数据及运行参数对比，以验证上述模型的准确性。具体的，若计算得到的电气量与录波数据及运行参数的差值在预设范围内，则证明上述模块准确。应理解，发电机在正常情况下都是在额定情况下运行，若在负载增大或其他原因使端电压下降时，会引起励磁系统的强励，本发明实施例即在2倍强励工况运行时，计算励磁机和主发电机的各电气量。

其中，录波数据是由故障录波器进行录波得到的，为现有技术，在此不详细介绍。录波数据反映系统的实际运行情况。

在本发明的实施例中，正常实际运行工况、额定运行工况及二倍强励运行工况下的电气量包括：发电机励磁电流；发电机励磁电压；发电机相电压；发电机相电流；励磁机电枢绕组电流；励磁机电枢绕组对应的上、下桥臂电流；旋转整流器下桥臂二极管承受的电压；旋转二极管的电压、电流。

S4、利用建立的模型对旋转整流器进行故障检测。

具体的，利用已建立的模型可以从以下二个方面对旋整流器进行故障检测：

(1)若在多相无刷励磁系统故障期间，发电机机端出现非常大的负序电流分量，负序电流产生的旋转磁场相对发电机转子是以2倍同步转速旋转，会引起励磁反电势(2倍频)。该反电势作为多相励磁机的负载，直接加在旋转整流器上，会对旋转整流器的工作状态产生影响。

由此，利用所建立的模型，对发电机机端按照实际录波电流施加绕组电密作为边界条件，对主发电机进行转子运动时的电磁场数值计算，计算出发电机励磁绕组的反电势，根据励磁绕组的反电势即可检测到旋转整流器的工作状态。

(2)若多相无刷励磁系统的主变高压侧接地故障引起的发电机励磁反电势作为多相励磁机的负载，会对旋转整流器的工作状态(比如换向、导通状态等)产生影响。如果这时候二极管承受巨大的反向电压，将会引起管子的反向击穿。

由此，利用所建立的模型，将发电机的励磁绕组(电阻+电感)和系统短路故障引起的反电势一起作为多相无刷励磁机的负载；对励磁机的励磁电流按照实际大小(录波数据)施加电密，计算此时系统的励磁反电势，根据计算得到的励磁反电势即可检测旋转整流器是否发生反向击穿。

此外，由于旋转整流器中的二极管发生短路(反向击穿)时，旋转整流器的工作状态会发生巨大变化。这时主要关注反电势引起二极管反向击穿后，熔断器的电流以及励磁机定子励磁绕组的过电压。利用所建立的模型，将发电机的励磁绕组(电阻+电感)和系统短路故障引起的反电势一起作为多相无刷励磁机的负载；对励磁机的励磁电流按照实际大小(录波数据)施加电密；将二极管置短路状态，得到此时旋转整流器的电气量，即可对旋转整流器进行故障分析。

参见图8本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测装置的结构框图，其包括：

第一模型建立模块10，用于获取发电机和励磁机的实际尺寸，并按照发电机和励磁机的实际尺寸建立主发电机的有限元模型和励磁机模型。

第二模型建立模块20，用于根据旋转整流器的实际连接关系，建立旋转整流器模型。

验证模块30，用于验证主发电机模型、励磁机模型和旋转整流器模型的准确性。

检测模块40，用于利用建立的模型对旋转整流器进行故障检测。

应理解，本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测装置的具体实现过程和原理与上述多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法相同，在此不再赘述。

本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置：基 于实际参数(包括电机的结构尺寸、定子绕组形式等)准确建立发电机和励磁机的物理模型；应能够正确反映故障期间电机内部气隙磁场(包括谐波磁场)的变化，可客观的反映故障期间电机内部发生的暂态过程；对旋转整流器的仿真考虑二极管实际的导通和关断条件，即：当二极管两端承受正向开通压降时导通；当流过二极管的电流为零时关断。

本发明实施例的多相无刷励磁系统旋转整流器的故障检测方法及装置，可实现大型核电机组励磁系统电暂态仿真；分析故障期间电气量特征，重现故障期间发电机励磁系统电气量的变化规律，实现对旋转整流器的故障检测；成本低，效率高。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。