发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统主设备故障监测技术领域，尤其是针对8对极的抽水蓄能电 站发电电动机结构特点及其常见主保护硬件配置而提出的一种转子绕组绕组匝间短路故 障的在线监测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，抽水蓄能电站的发电电动机，由于运行工况较一般发电机更加复杂、启动次 数频繁，发生转子励磁绕组匝间故障的概率比一般水轮发电机更高。目前检测电机励磁绕 组匝间短路故障的传统方法主要包括:开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流阻抗 法、空载及短路特性试验法等，这些检测方法都无法在实际运行工况下检测。而多年现场运 行情况表明，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励磁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电机实际工况运行时才有所显现。考虑到抽水蓄能电站的安全可靠 运行对电网的重要性，有必要通过对发电电动机进行转子绕组匝间短路故障的在线监测， 达到早期发现故障并及时排除的效果，为电机及电网系统的安全运行起到保障作用。
[0003] 转子励磁绕组匝间短路是发电机中一种比较常见的电气故障，但是一般轻微的励 磁绕组匝间短路对发电机运行不会产生明显的不良影响，这与短时间内就会造成严重破坏 的定子绕组内部短路故障不同。此外，目前已有的保护原理并不完善，现阶段国标中还没有 装设转子匝间短路保护的明确要求。但是实际运行中却发现，若转子故障继续发展，会使励 磁电流增加，发电机机端输出无功功率减小，机组振动加剧，短路点处局部过热还可能使转 子故障演化为转子接地故障，损坏转子铁心并可能引起发电机大轴磁化，严重时还会烧坏 轴颈和轴瓦，给机组安全运行带来巨大威胁。
[0004] 当抽水蓄能电站的发电电动机为8对极时，每相4分支，已配置了 2套原理不同的主 保护（如图1所示）。即将每相的1、4分支接在一起，形成中性点〇1;再将每相的2、3分支接在 一起，形成中性点〇2;在 〇1_〇2之间接一个P级电流互感器(ΤΑ0，5P20型，1500/1A)，构成零序 电流型横差保护。另外由每相的中性点侧电流互感器TA1~TA3，分别与机端相电流互感器 TA4~TA6构成完全纵差保护。发电电动机的定子绕组一旦发生内部短路，三相电流不再对 称，同相各分支电流也不再相等，会产生不平衡电流进入中性点间电流互感器ΤΑ0,当其基 波分量足够大时，零序电流型横差保护快速动作，发电电动机会被切除从而避免产生严重 损坏。
[0005] 研究表明，转子励磁绕组匝间短路故障后定子相绕组内部各分支电流不再相等， 会出现1/P次、2/P次……等分数次谐波的不平衡电流(P为发电机极对数），从理论上讲，这 种故障特征也能被也能零序电流型横差保护的电流互感器(ΤΑ0)所反映。但考虑到实际运 行情况，准确而有效地提取这些故障特征的难度很大，一方面是因为保护用电流互感器的 准确工作频率范围为10-70HZ，只能反映某些频率的分数次谐波不平衡电流；另一方面，当 短路匝数较少时，分支不平衡电流的各次谐波分量都非常小。
[0006] 励磁绕组匝间短路故障引起的定子相绕组内部不平衡电流的频率特征与电机的 极对数有关。即使是极数相同的电机，故障主要特征量的频率及大小还与定子绕组的分布 及联接方式等因素有关，在不同电机上会出现不同的具体特点。一般来说，抽水蓄能电站的 发电电动机由于极对数较多，P = 8时，励磁绕组匝间短路引起的中性点联线间不平衡电流 的分数次谐波种类繁多。如果将所有存在的分数次谐波分量都提取出来、作为监测量，就需 要逐次计算这些故障特征谐波的有效值，容易造成在线监测装置在运行过程中CPU的负荷 率过高，不利于监测装置的正常运行，而且增大了装置生产厂家编写程序的工作量。最好选 择其中的某些分量构成在线监测方案，这既要考虑电机的故障电流特点，又要顾及现有中 性点间电流互感器ΤΑ0等实际硬件设备的适用范围和可靠性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对抽水蓄能机组中，8对极发电电动机的转子绕组匝间短路故 障的问题，为了提高抽水蓄能电站发电电动机运行的安全可靠性，在针对8对极电机进行详 细的仿真计算基础上，本发明提出了一种转子绕组匝间短路故障的在线监测方案。利用现 有零序电流型横差保护所配置的中性点间电流互感器ΤΑ0,从进入ΤΑ0的不平衡电流中提取 出3/8次和5/8次谐波分量(或者通过带通滤波器得到15-35HZ的分量）、取其总有效值做为 故障监测量lop;并根据正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值Ialarm。当监测量 I〇P>监测报警值Ialarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信号，提示运行人员检 查录波信号后决定是否进行停机检修。
[0008] 本发明的技术方案是：
[0009] -种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，对于8对极电动机，该监 测方法包括以下步骤：
[0010] si、根据发电电动机正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值ialarm;
[0011 ] S2、对发电电动机中的中性点间电流互感器ΤΑ0进行采样，从进入电流互感器ΤΑ0 的不平衡电流中提取出3/8次和5/8次谐波分量，取其总有效值做为故障监测量Ι〇Ρ;
[0012] S3、当监测量Ι〇Ρ>监测报警值131_时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信 号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。
[0013] 本发明的步骤S1具体为：
[0014] S1-1、在发电电动机的正常运行工况下，采样进入中性点间电流互感器ΤΑ0的稳态 电流in_ai，并将采样时刻、采样值及相应的励磁电流直流分量Ifd. n_ai进行存储；
[0015] S1-2、利用傅立叶滤波算法计算出稳态电流1"。_1的3/8次谐波有效值 8次谐波电流有效值^胃^'然后按下式设定监测报警值I alarm:
[0017] 上式中，Ktoi为裕度系数;IfdN是发电电动机额定发电工况的励磁电流。
[0018] 本发明的步骤S1-2中，裕度系数的范围是1.5-2.5，优选为2。
[0019] 本发明的步骤S2具体为：
[0020] S2-1、实时监测发电电动机运行中进入中性点间电流互感器ΤΑ0的电流并进行采 样；
[0021 ] S2-2、对步骤S2-1采集到的电流，用傅立叶滤波算法计算出其3/8次谐波有效值
和5/8次谐波电流有效值
计算出总有效值记为
[0022] -种发电电动机转子绕组匝间短路故障的在线监测方法，它包括以下步骤：
[0023] S1、根据发电电动机正常工况的实际运行录波数据，设定监测报警值Ialarm;
[0024] S2、对发电电动机中的中性点间电流互感器ΤΑ0进行采样，采用带通滤波器从进入 电流互感器ΤΑ0的不平衡电流中提取出15-35HZ的分量，取其总有效值做为故障监测量Ι 0Ρ;
[0025] S3、当监测量Ι〇Ρ>监测报警值131_时，发出转子励磁绕组匝间短路故障的报警信 号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修。
[0026]本发明的步骤S1具体为：
[0027] S1-1、在发电电动机的正常运行工况下，采样进入中性点间电流互感器ΤΑ0的稳态 电流in_al，并将采样时刻、采样值及相应的励磁电流直流分量Ifd.n_al进行存储；
[0028] S1 -2、利用傅立叶滤波算法计算出稳态电流inQrmai的3/8次谐波有效值
8次谐波电流有效值
然后按下式设定监测报警值Ialarm:
[0030]上式中，Ktoi为裕度系数;IfdN是发电电动机额定发电工况的励磁电流。
[0031 ]本发明的步骤S1-2中，裕度系数的范围是1.5-2.5，优选为2。
[0032]本发明的步骤S2具体为：
[0033] S2-1、实时监测发电电动机运行中进入中性点间电流互感器ΤΑ0的电流并进行采 样；
[0034] S2-2、通过带通滤波器对步骤S2-1采集到的电流进行滤波，得到15-35HZ的分量，
[0035]本发明的有益效果：
[0036]本发明中，当监测量I〇P>监测报警值Ialarm时，发出转子励磁绕组匝间短路故障 的报警信号，提示运行人员检查录波信号后决定是否进行停机检修，该方案具有较高的灵 敏性和选择性。
【附图说明】
[0037]图1传统8对极发电电动机现有主保护及ΤΑ0配置示意图
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0039] 多对极、多分支的同步电机发生励磁绕组匝间短路故障后，会在定子相绕组内部 产生分数次谐波的不平衡电流，可被通过电机配置的零序电流型横差保护用电流互感器反 应，下面通过具体计算予以详细说明。
[0040] 下面以具有8对极，额定相电流为10191A，励磁绕组总匝数528的宜兴电站发电电 动机为例分析；
[0041] 利用多回路数学模型，对电机联网额定发电工况下发生的较少匝数励磁绕组匝间 短路故障进行了计算，得到故障稳态中各处电流的各次谐波大小，如表1所示。
[0042]表1电机额定发电状态下的较小匝比励磁绕组匝间短路，引起中性点间电流互感 器的不平衡电流及在线监测量的稳态仿真结果(故障前励磁电流IfdN=1816A;假设短接线