一种发电机定子绕组匝间短路故障的检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种发电机定子绕组匝间短路故障的检测方法，包括下述步骤：1)通过电流互感器采集定子三相绕组电流信号，并将其输出至采集仪；2)比较三相绕组的电流信号，确定定子绕组匝间短路故障的所在相。在本发明的进一步改进中还公开了在确定定子绕组匝间短路故障的所在相基础上利用短路故障时的三相电流Ia1、Ib1、Ic1的比值计算短路故障程度m的方法。本发明公开的技术方案能够简单、快捷、可靠地测定发电机内部定子绕组匝间短路故障，弥补以转子振动特性为主的传统诊断技术的不足，便于发电机的维护和维修。
【专利说明】
一种发电机定子绕组匝间短路故障的检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测定发电机内部定子绕组匝间短路故障方位及故障程度的方法， 属检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 定子绕组匝间短路是发电机的常见故障，可能由于老化绝缘降低、过电压冲击以 及机械振动等原因而诱发，匝间短路故障将会引起短路环电流的显著增大，如果不能及时 发现并处理，很容易发展为接地短路故障，诱发严重事故。
[0003] 在多相多分支同步电机中定子绕组匝间短路可分为同相同分支短路、同相异分支 短路和异相短路，根据短路对称性与否又可分为对称性匝间短路和不对称匝间短路，在实 际运行中，大多数匝间短路都是同相同分支且不对称的。
[0004] 发电机绕组越复杂，发生匝间短路故障的几率越大，且绕组匝间短路不易被发现。 常规的监测与诊断系统中，通常以机组的电气参数变化为监测对象，包括定子电流、电压信 号以及阻抗变化，也有研究以发电机磁通信号及振动信号为诊断对象。
[0005] 综上所述，如何测定发电机定子绕组匝间短路故障的发生方位以及故障的程度， 依旧是本领域亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明公开了一种发电机定子绕组匝间短路故障的检测方 法，该方法简便易行，能够快捷、可靠地测定发电机内部定子绕组匝间短路故障方位及故障 程度，为发电机定子绕组匝间短路故障的排除提供数据支持。
[0007] 具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：
[0008] -种发电机定子匝间短路故障的检测方法，包括下述步骤：1)通过电流互感器采 集定子三相绕组上的电流信号，并将其输出至采集仪;2)比较三相绕组的电流信号，确定定 子绕组匝间短路故障的所在相。
[0009] 其中，在步骤1)中，将采集到的电流信号通过幅值调整电路将输出电流稳定在采 集仪的采集量程内，并将在发电机正常运行时测得三相电流作为参考值分别记为IaQ、Ib〇、 1。〇,实际运行过程中进行短路故障检测时，测得三相电流分别记为〖^、^^〖^，将其与正常 参考电流进彳丁作差，差值分别记为I' a= | Ial_IaQ |，V b = | Ibl_IbQ |，V。= | |。
[0010] 其中，在步骤2)中，A、B、C各相电流测量值与正常时的电流值的差值I\、I\、r c， 它们之间两两相减的结果相等或差异程度低于5%，则发电机运行正常。与之相对应的，实 际运行过程中进行短路故障检测时，测得三相电流分别为〖^、"^〖^，将其与正常参考电流 进行作差，令I' a= | Ial_IaQ |，I' b = | Ibl_IbQ |，I'。= | 1。1_1。0 |，再对I' a，V b，I'。进彳丁两两相 减，找到结果中电流明显减小的一相(差异程度不低于5%)，则该相绕组发生短路故障（例 如 11' b-I' a | > 11' b-I' c | 且 11'd a | > 11' b-I' c |，则A相短路
[0011] 随着数控、计算机、微控制器等在短路故障上的推广和应用，为了最大限度的避免 短路误判（例如由于零漂或励磁电流变化等非短路问题导致的异常电流波动)提高短路故 障评估的准确性，并为后期的维修提供数据支持，本发明的检测方法进一步包括利用故障 时各相绕组电流的测量值与正常运行时测得的该相绕组电流参考值的差值来减小异常电 流波动的影响，并利用故障时各相绕组电流测量值的比值计算短路故障程度m并评估故障 的步骤。
[0012] 在本发明中，短路故障程度此概念采用本领域通用的认知，也就是短路故障程度m 含义为被短路的绕组匝数与该相短路所在支路绕组总匝数的比值。在本发明的技术方案 中，
【申请人】在科研中认识到当发生短路故障时，由于绕组的有效匝数发生变化，导致电枢反 应磁势和总的气隙合成磁势发生变化，进而引起通过该相绕组的电流的变化，故可以利用 电流的比值来确定短路故障程度m。
[0013] 利用计算得到的短路故障程度m，结合在微控制器中预先定义的短路故障程度阈 值，通过一定的时间间隔，例如每隔2s微控制器读取电流互感器读数并计算短路故障程度 m，并将其与预定义的阈值相比较，在确定为短路后释放断路器。利用该方法，能实现短路故 障判断的数控化和全自动化，并能有效避免判断失误。
[0014]本发明所公开的技术方案，根据定子三相绕组上安装的三个电流互感器的电流信 号诊断发电机内部定子绕组匝间短路故障，不仅能够明确定子绕组匝间短路故障的短路点 所在相，而且能够准确计算出匝间短路的故障程度。本发明的检测方法，简单易行，可弥补 传统诊断技术的不足，便于发电机的维护和维修。
【附图说明】
[0015] 图1为连接到电网中的发电机定子绕组状态示意图；
[0016] 图2为电流互感器电流信号测取方法示意图；
[0017]图3是电流互感器布置方式示意图；
[0018]图4是发电机正常运行以及各相绕组匝间短路判据示意图；
[0019]在所提供附图中，标号对应含义分别为1-发电机，2、3、4_电流互感器，5-轴承座， 6-励磁机，7-上位机，8-下位机。
【具体实施方式】
[0020] 为了更准确、清晰地说明本发明检测方法的具体操作过程，
【申请人】结合附图对本 发明检测方法的原理、实现过程、计算方法进行了说明。如下所公开的具体实施过程仅为示 意性的，并不对本发明构成特别限制。
[0021] 在下述中，各技术词汇的符号均采用本领域标准用法，符号对应含义分别为Ia、Ib、 Ic为各相测得的相电流值;f(a m，，t)为正常运行时的气隙磁势;Fr为主磁势，Fs为电枢反应 磁势，Fi为合成磁势，《 =2Jifr为转子机械角频率，fr为转子的机械频率，am为定子机械角 度3为发电机内功角;fd(a m，，t)为环流产生的脉振磁势;<为定子短路匝中心位置所处的 机械角;g为平均气隙；为单位面积气隙磁导;此为真空磁导率;1 {〇为励磁系统所产生的稳 定直流励磁电流，If2为短路所导致的在转子绕组中感应产生的2次谐波电流幅值;系数K = 2qYkYlTlf，q为每极每相槽数，y为单个线圈匝数，qy为定子绕组单条并联支路总匝数， k Yl为基波绕组因数^为极距，1为定子铁芯长度。
[0022]参考图2,本发明的检测方法是在传统的发电机机组结构(轴承座5上的发电机1通 过与其同轴的励磁机6从励磁机获得直流电流)基础上，在发电机1的定子三相绕组抽头上 分别安装三个电流互感器(2、3、4)，如KT5A/P电流互感器，每个电流互感器采集的信号通过 信号传输线传输至下位机8,如U60116C采集仪。下位机将经过滤波去噪预处理后的信号传 至上位机7,一般是个人电脑或服务器进行保存，上位机7通过比较三个测点的电流信号的 大小可以判断匝间短路故障发生的方向；利用推导出的故障程度计算式，将采集到的电流 信号代入到公式中，可以计算出匝间短路的故障程度。
[0023] 参考图3,显示了安装三个电流互感器的三个测点（20、30、40)，这些测点分别对应 定子绕组的A、B、C三相。
[0024] 参考图4,显示了本发明的检测方法判断过程:采集到的电流信号，可能分别为如 下几种情况：
[0025] ① 11' a-I' b | = 11' a-I' c | = 11' b-I' c 卜〇;
[0026] ② | I' b-I' a | = | I' C-I' a | > | I' b-I' c 卜〇;
[0027] ③ | I' a-I' b | = | I' C-I' b | > | I' a-I' c 卜〇;
[0028] ④ | I' a-I' c | = | I' b-I' c | > | I' a-I' b 卜〇。
[0029] 在上述中，各测点电流平均值由下式计算：
[0030] (1)
[0031]其中，h为第i个测点的电流平均值，j为采样次数。
[0032]为了提高测量所得电流数据的准确性，测点电流数据样本的获取方法为:在发电 机组装机调试完毕后且各项指标均趋于正常状态时，采用电流互感器测取定子A、B、C三相 绕组的电流信号数据各十组，将采集到的电流信号通过幅值调整电路输入至采集仪，求解 每十组电流数据有效值的平均值，将该组电流值记为正常电流1 3〇、1^)、1。();当需要进行短路 故障检测时，同样测量三相绕组的电流信号数据各十组，并且计算出它们的有效值的平均 值，记为1 31、1^1。1，然后对各相绕组前后两次测得的电流值相互作差，令1/3=|1 31_13〇|， V b= | Ibl-IbQ |，疒。=| |，再对疒a，疒b，疒。进行两两相减，根据它们之间的大小关系 判断匝间短路故障的短路点所在相，并利用三相绕组故障时测得的电流Ial、Ibl、Icl相互之 间的比值计算出短路程度m。
[0033]上述几种情况分别代表了如下四种状态：
[0034] (1)A、B、C各相电流测量值与正常时的电流值的差值1\、1\、疒。，它们之间两两相 减的结果相等(差异程度低于5% )，则发电机运行正常；
[0035] (2)A相绕组电流测量值与正常时的电流值的差值，分别与B、C两相绕组前后两 次测得的电流的差值I'、"。的差值的绝对值明显大于B、C两相绕组前后两次测得的电流的 差值1\、1\的差值的绝对值，则可认为A相绕组发生了短路故障；
[0036] (3)B相绕组电流测量值与正常时的电流值的差值1\，分别与A、C两相绕组前后两 次测得的电流的差值I、、"。的差值的绝对值明显大于A、C两相绕组前后两次测得的电流的 差值I^、"。的差值的绝对值，则可认为B相绕组发生了短路故障；
[0037] (4)C相绕组电流测量值与正常时的电流值的差值1\，分别与A、B两相绕组前后两 次测得的电流的差值1\、1\的差值的绝对值明显大于A、B两相绕组前后两次测得的电流的 差值1\、1\的差值的绝对值，则可认为C相绕组发生了短路故障。
[0038]然后，基于故障下所测量得到的A、B、C三相的电流值。、-、。，利用它们之间的 比值可以计算短路的故障程度m。
[0039]具体的计算过程为:首先利用正常运行时的气隙磁势f(am，，t)以及短路时附加环 流产生的脉振磁势fd(am，，t)推导出总的合成励磁电流If (t) = If〇(t)_If2(t)，利用该励磁 电流可以计算每相绕组的电压e= (If〇_If2C〇s2 〇 t)KNAocos 〇 t;再利用电流I、电压c、以及 阻抗x之间的关系I = e/x(由于短路后对绕组的阻抗影响不大，可以认为发生短路故障前后 绕组阻抗大小x不变），得到各相电流I之比近似等于各相电压c之比，再利用各相电压c与定 子绕组单条并联支路总匝数qy成正比的关系，其中短路相绕组匝数为（l-m)qy，代入等比 式后求得短路程度m。
[0040]将上述计算过程应用于本发明所检测得到的四种定子匝间短路情况，分别详细说 明如下：
[0041 ] 首先计算所测发电机在正常运行时的气隙磁势：
[0043] 其中，Fr为主磁势，Fs为电枢反应磁势，Fi为合成磁势，〇 =2对为转子机械角频率， f为转子的机械频率，为定转子间气隙的周向机械角度3为发电机内功角。
[0044] 发生短路故障后，短路环中附加环流将产生一以短路匝绕组轴线为中心的脉振磁 场，脉振频率为电频率f = 50Hz，此脉振磁势可表示为：
[0045] (3)
[0046] 上式中am含义同前，a/为定子短路匝中心位置所处的周向机械角，FdY + = FdY- = FdY/2。式中第一项为与转子同向旋转的磁势，在转子绕组中不感应产生附加谐波电势，第 二项为与转子逆向旋转的磁势，由于其转速与转子转速差值为2n，因此将在转子绕组中感 应出频率为2f的附加反向谐波电势(定子磁势反向于转子旋转情况下对于主磁势作用为去 磁效应，这一点也可以从愣次定律推导得出，短路作用产生的磁势效应阻碍短路电流的产 生和变大，所以对应的等效励磁电流应减小），f为电频率。转子励磁绕组中的励磁电流除励 磁系统所供应产生的直流分量外，还应有一额外的以二倍电频率变化的交流分量，此时转 子励磁绕组中总的合成励磁电流可表示为：
[0047] If (t) = If〇-If2C〇s2 ? t (4)
[0048] 其中IfQ为励磁系统所产生的稳定直流励磁电流，If2为短路所导致的在转子绕组 中感应产生的2次谐波电流幅值，其等效作用为近似使励磁电流减小。在上式基础上乘以每 极有效匝数N即为短路后的转子主磁势，在此主磁势下定子三相绕组感应产生的电动势为：
[0050] 其中系数K = 2qykYlTlf，q为每极每相槽数，y为单个线圈匝数，qy为定子绕组 单条并联支路总匝数，k Yl为基波绕组因数，其值等于基波节距因数和基波分布因数的乘 积，t为极距，1为定子铁芯长度。
[0051] 正常情况下，各相电流前后两次测量值的差值之间的关系为| | = | | = | 疒 b-疒 c I ~0(其中疒 a= I Ial-Ia。I，疒 b= I Ibl-Ib。I，疒 c= I Icl-IcO I )
[0053] A相短路情况下，各相电流故障前后的关系为| V b-V a | = | V c-V a | > | V b-V c |~ 0，匝间短路故障的故障程度m由下式计算：
[0055] B相短路情况下，各相电流故障前后的关系为| V a-V b | = | V。-^ b | > | V a-V。|~ 0，匝间短路故障的故障程度m由下式计算：
[0057] C相短路情况下，各相电流故障前后的关系为I V a-V c I = I V b-V c I > I V a-V b I~ 0，匝间短路故障的故障程度m由下式计算：
[0059]由上述推导过程可以看到，本发明所采用的短路故障程度算法完全基于发电机定 子绕组本身所具有的各项物理参数，具有客观性、可靠性的优点，能有效排除意外干扰导致 电流波动的非短路现象，提高了故障检测和判断的准确程度。
【主权项】
1. 一种发电机定子绕组匝间短路故障的检测方法，其特征在于包括下述步骤：1)通过 电流互感器采集定子三相绕组上的电流信号，并将其输出至采集仪;2)比较三相绕组的电 流信号，确定定子绕组匝间短路故障的所在相。2. 根据权利要求1的检测方法，其特征在于在步骤1)中，将采集到的电流信号通过幅值 调整电路将输出电流稳定在采集仪的采集量程内，并将在发电机正常运行时测得三相电流 作为参考值分别记为1 3〇、1^)、1。〇，实际运行过程中进行短路故障检测时，测得三相电流分别 记为131、11 )1、1。1，将其与正常参考电流进行作差，差值分别记为1/3=|131-1 3()|，1\=|11)1- IbO I，I c - Icl-IcO I 〇3. 根据权利要求1的检测方法，其特征在于在步骤2)中，定子绕组匝间短路故障所在相 判断条件为（1)A、B、C各相电流测量值与正常时的电流值的差值I'、" b、V它们之间两两 相减的结果相等或差异程度不超过5%，则发电机运行正常；（2)A相绕组电流测量值与正常 时的电流值的差值，分别与B、C两相绕组前后两次测得的电流的差值1\、1'。的差值的绝 对值明显大于B、C两相绕组前后两次测得的电流的差值1\、1\的差值的绝对值，则可认为A 相绕组发生了短路故障；（3)B相绕组电流测量值与正常时的电流值的差值V b，分别与A、C 两相绕组前后两次测得的电流的差值I^、"。的差值的绝对值明显大于A、C两相绕组前后两 次测得的电流的差值I。、"。的差值的绝对值，则可认为B相绕组发生了短路故障；（4)C相绕 组电流测量值与正常时的电流值的差值V。，分别与A、B两相绕组前后两次测得的电流的差 值1\、1\的差值的绝对值明显大于A、B两相绕组前后两次测得的电流的差值1\、1\的差 值的绝对值，则可认为C相绕组发生了短路故障。4. 根据权利要求1的检测方法，其特征在于还包括利用各相绕组电流的实测值Ial、Ibl、 Icl相互的比值计算短路故障程度m的步骤。5. 根据权利要求4的检测方法，其特征在于在a相绕组短路情况下，三相电流有IV b-ra =I F。-^ a I > I V b-F。I~0的关系，采用下式计算短路故障程度m:6. 根据权利要求4的检测方法，其特征在于在B相绕组短路情况下，三相电流有I V b =I F。-^ b I > I V a-F。I~0的关系，采用下式计算短路故障程度m:7. 根据权利要求4的检测方法，其特征在于在C相绕组短路情况下，三相电流有IlW。 =I F b-V。I > I V a-F b I~0的关系，采用下式计算短路故障程度m:
【文档编号】G01R31/02GK105891660SQ201610431826
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】何玉灵, 邓玮琪, 唐贵基
【申请人】华北电力大学（保定）