一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽轮发电机技术领域，尤其是一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故 障在线检测方法。
【背景技术】
[0002] 励磁绕组短路是一种常见的汽轮发电机故障，近年来在我国有不断增长的趋势。 经验表明，轻微转子绕组匝间故障不会对发电机产生严重影响，故障特征并不显著，使得该 故障处于隐匿状态；然而，若该故障得不到及时、有效的处理，有可能进一步发展和蔓延，特 别是当发电机存在较强的负序磁场时，匝间短路点流过的电流较大，可能导致故障进一步 恶化，对机组本身的安全稳定运行构成较大威胁。
[0003] 励磁绕组短路分为静态短路和动态短路两种类型，动态短路只在发电机运行过程 中存在，因此常规的离线方法无法发现动态匝间短路故障，对励磁绕组健康状态实施在线 监测是解决这一问题的最佳途径。
[0004] 目前已提出的汽轮发电机励磁绕组短路故障在线检测方法主要包括探测线圈法、 虚功率法、轴电压法、端部漏磁法和励磁电流法等。其中探测线圈法是目前应用最广泛的在 线检测方法，目前我国大部分电厂的300MW及以上容量的汽轮发电机组均已配备了探测线 圈，且积累了较多的诊断经验。然而，受负载诊断灵敏度下降的制约，通常只在发电机空载、 短路试验时进行探测线圈实验，严格说该方法并非在线监测方法。虚功率法、轴电压法以及 端部漏磁法目前尚未得到广泛应用。
[0005] 励磁电流法也是一种较为成熟的励磁绕组短路诊断方法，该方法由2003年中国 电机工程学报发表的《汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断新判据》提出，该方法适用于 静止励磁汽轮发电机，采用解析法计算励磁电流的理论值，当励磁电流的理论值与实际值 偏差超过设定阈值时判定发电机存在励磁绕组短路故障。我国已有部分汽轮发电机安装了 基于励磁电流法的励磁绕组短路故障诊断系统。该方法的缺点是：当汽轮发电机发生轻微 励磁绕组短路故障时，励磁电流的理论值与实际值的偏差并不大，采用解析法计算发电机 励磁电流的理论值时，认为发电机负载运行时空载电动势与励磁电流之间是正比例关系， 实际上两者之间的线性度并不理想，导致励磁电流理论值的计算误差增大，因此文《汽轮发 电机转子绕组匝间短路故障诊断系统（RDST)使用手册》在用励磁电流法诊断励磁绕组短路 故障时，将诊断的阈值设定为5%，只有励磁电流理论值与实际值偏差超过5%时才判定存 在转子匝间短路故障，其灵敏度是明显不足的。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种改进的汽轮发电机励磁绕组短路故障的检 测方法，能够解决现有技术的不足，提高了励磁电流法诊断的灵敏度。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
[0008] A、获取发电机的结构参数和BH特性曲线数据；
[0009]B、建立发电机二维数值仿真模型，根据发电机的有功P、无功Q以及额定电压、定 子绕组电阻、同步电抗等参数，计算得到定子三相电流值，转子绕组上施加励磁电流值，计 算发电机电磁转矩TM1'。
[0010] C、维持定子三相绕组电流不变，循环增加励磁电流值，计算得到多个电磁转矩，得 到（Ifl，TMl'）数组；
[0011] D、通过拟合，得到V与If的关系式；
[0012] E、计算发电机电磁转矩的实际值Tm;
[0013]F、令TM= TM'，求解得到发电机的励磁电流值；
[0014] G、循环改变发电机的有功P和无功Q，按上述A-F的流程计算各种工况下的励磁 电流If;
[0015] H、使用上述步骤得到的励磁电流If，形成以P、Q为自变量，以If为因变量的三维 曲面，通过三维曲面计算发电机任意有功P、无功Q工况下的励磁电流值；
[0016]I、通过将步骤H中计算得到的励磁电流值与励磁电流的实测值进行比较，如果其 差值大于阈值，则说明励磁绕组发生短路故障。
[0017] 作为优选，步骤B中，将定子三相电流值加载到定子绕组上并维持不变，励磁电流 从初始值1^开始施加，每施加一个转子绕组电流，计算一次发电机磁场，在发电机气隙设 定圆形路径，将磁场数据映射到路径上，计算出发电机的电磁转矩TM1'。
[0018] 作为优选，步骤C中，以AIf为间隔将励磁电流由初值Ifl增加至If2=Ifl+AIf， 保持定子三相电流值不变，计算得到电磁转矩TM2'，增加励磁电流为If3=Ifl+2AIf，依次循 环，上述循环重复N次，循环结束后，得到（Ifl，TMl'）数组。
[0019] 作为优选，步骤D中，以励磁电流If为自变量，电磁转矩TM'为函数，对上述（Ifl， tMi'）数组进行二次函数拟合，得到tm'关于if的函数tm' =f(n
[0020] 作为优选，在步骤B和C中，电磁转矩TM'的计算公式） ， 其中，y。表示真空磁导率，R表示选取路径的半径，L表示转子有效长度，Bn]表示积分路径 第j点气隙磁密径向分量，Btj表示积分路径第j点气隙磁密切向分量，M表示积分路径上 点的数量。
[0021] 作为优选，在步骤E中，电磁转矩的实际值TM的计算公式为，其中，PM= 0) Pcua+P，P<：ua=ml2ra，丨1 =力匕丨丨1cos(p，（p=arctan^m表示发电机相数，ra表示定子绕组 电阻，1^表示定子绕组线电压，I表示定子绕组线电流。
[0022] 作为优选，步骤H中，在以AP、AQ为边长的三维网格投影区中确定（P，Q)所落入 的矩形网格区域，矩形四个顶点代表发电机的四种工况，并采用下述公式计算励磁电流理 论值：
[0023]
[0024] 其中，Ifa~Ifd代表四种工况下的发电机励磁电流值；P"、Qn代表代表该矩形区域 一个顶点的有功功率和无功功率。
[0025] 作为优选，AP= 25MW，AQ= 25Mvar。
[0026] 作为优选，步骤I中，阈值取值为2 %。
[0027] 采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明可以快速计算出静止励磁发电 机任意工况下的励磁电流理论值，转子绕组正常时理论值与实际值的偏差很小，从而可以 使用较小的阈值来判断励磁绕组短路故障，提高检测精度。
【附图说明】
[0028] 图1是汽轮发电机电动势向量图。
[0029] 图2是励磁电流确定流程图。
[0030] 图3是发电机二维仿真模型。
[0031] 图4是有限兀剖分。
[0032] 图5是定子三相电流向量。
[0033] 图6是电磁转矩与励磁电流关系。
[0034] 图7是转子绕组变形情况。
[0035] 图8是发电机P、Q、If的三维网格曲面关系图。
[0036] 图9是确定发电机任意P、Q时的If的原理图。
[0037] 图中，0、功角，:q>.、功率因数角，〇、相电压向量，|.y相电流向量，空载电动势 初始向量，增加励磁电流后的空载电动势向量，气隙电动势初始向量，愈增加 励磁电流后的气隙电动势向量，的夹角，（P"、良与f的夹角，X。、定子绕组漏 抗，Xa、电枢反应电抗，Ia、定子A相绕组电流加载值，Ib、定子B相绕组电流加载值，I。、定 子C相绕组电流加载值，Ifl、励磁电流首次加载值，AIf、励磁电流增量，Ifi、第i次循环励 磁电流加载值，If、励磁电流，TMl'、第i次循环电磁转矩计算值，TM、电磁转矩实际值，P、 发电机输出的有功功率，PM、发电机电磁功率，P_、定子绕组铜耗功率，定子A相绕组 电流向量，tb定子b相绕组电流向量，ie、定子C相绕组电流向量，《、向量旋转角速度， Ifa、对应（P"，Qn)工况的励磁电流值，If