一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法与流程

本发明涉及发电机技术领域，特别是涉及一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法。

背景技术：

在现今电网中，火力发电机组频繁参与电网调峰，大型汽轮发电机组的运行负担加重，机组故障率上升，特别是长期伴随发电机转子高速旋转的励磁绕组，匝间短路故障频发。励磁绕组匝间短路故障会引起发电机励磁电流升高、无功下降、机组振动恶化，严重时可能会发生转子接地故障，造成发电机被迫停机。因此，有必要对汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障进行在线监测。

目前提出的励磁绕组在线检测方法主要有励磁电流法、轴电压法、探测线圈法等。励磁电流法利用故障后发电机励磁电流增大而无功减小或不变的这一故障特征，将故障时的输出状态看成发电机正常状态下的运行结果，反向计算出励磁电流的理论值，然后计算励磁电流实测值与理论值相对偏差并设置相应阈值即可作为励磁绕组匝间短路故障的诊断判据，相对偏差值也可大致反映短路故障的严重程度。轴电压法利用发电机主轴上感应的偶数或分数次谐波来检测故障。以上两种方法均无法实现故障定位。探测线圈法利用安装在定子铁心气隙表面的探测线圈采集励磁绕组漏磁场信号，当感应的电压脉冲波形的包络线存在明显下陷时，可以判断励磁绕组存在匝间短路故障且包络线下陷的位置对应的转子槽即为故障槽。该方法的缺点是在发电机负载运行时灵敏度不足。

上述这些方法都是基于励磁绕组匝间短路故障的电磁特性。而发电机的振动信号是状态监测的重要指标，依据故障前后转子振动的改变诊断励磁绕组匝间短路能够丰富此类故障的诊断手段，提高故障的诊断水平。

技术实现要素：

本发明提供一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法，根据励磁绕组匝间短路故障引起的电磁和热不平衡对转子振动的影响，提取振动特征，具有很好的诊断灵敏度，且无需安装新的检测设备，提高了故障的诊断效率，具有简单易行、可靠性高的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

1)通过建立发电机有限元模型，计算不同励磁绕组匝间短路故障引起的转子基频振动和相角作为故障诊断的样本集；

2)在线实时采集发电机运行时的转子振动数据，求取所述振动数据与故障样本集的关联度，得到励磁绕组匝间短路的故障程度和故障位置。

可选的，所述发电机有限元模型包括发电机二维定转子电磁场有限元模型和发电机三维转子温度场有限元模型。

可选的，所述步骤1)通过建立发电机有限元模型，计算不同励磁绕组匝间短路故障引起的转子基频振动和相角作为故障诊断的样本集，具体包括：

根据发电机二维定转子电磁场有限元模型计算不同故障情况下发电机转子受到的不平衡磁拉力，将其等效为转子不平衡离心力f1；

根据发电机三维转子温度场有限元模型计算不同故障情况下发电机转子的不平衡温度分布，将转子热弯曲等效为转子不平衡离心力f2；

根据转子不平衡离心力f1和转子不平衡离心力f2作为激励带入到转子运动方程中，采用newmark隐式积分法求解转子的运动方程，得到转子的振动响应；

根据振动响应求得不同情况的励磁绕组匝间短路的基频振动幅值af1和相角差δf1，从而构成故障诊断的样本集；

可选的，所述根据发电机二维定转子电磁场有限元模型计算不同故障情况下发电机转子受到的不平衡磁拉力，将其等效为转子不平衡离心力f1，具体包括：

汽轮发电机发生励磁绕组匝间短路故障时，气隙磁场发生畸变，根据公式

计算转子受到的不平衡磁拉力，

根据公式计算不平衡拉力的方向角；

转子所受等效集中力为f＝ql，将等效集中力f等效为不平衡磁拉力fu；

根据公式计算不平衡磁拉力引起的转子弯矩m；

根据公式计算电磁不平衡引起的转子弯曲产生的挠度；

根据公式计算转子弯曲引起的质量偏心；

根据公式f1＝mrω²e1计算转子不平衡离心力；

式中，fu为转子受到的不平衡磁拉力，fa、fb为转子两端的支反力，r为转子半径，l为转子轴向长度，μ0为真空磁导率，bn为径向磁密，bt为切向磁密，θs为差值点与参考坐标系的夹角，e为材料弹性模量，i为截面的惯性矩，m为转子弯矩，c、d为积分常数，c、d的值可以通过转子两侧转轴支撑处挠度为零确定，mr为转子质量，ω为转子旋转的角速度，q为转子上的均布载荷集度，f为转子轴向的剪力，fx和fy分别为不平衡磁拉力fu的水平和垂直分量。

可选的，根据发电机三维转子温度场有限元模型计算不同故障情况下发电机转子的不平衡温度分布，将转子热弯曲等效为转子不平衡离心力f2，具体包括：

根据公式计算转子x方向等效热弯矩；

根据公式计算转子y方向等效热弯矩；

根据公式计算转子截面等效热弯矩；

根据公式计算等效热弯曲的方向角；

根据公式计算温度不平衡引起的转子弯曲产生的挠度；

根据公式计算转子弯曲引起的质量偏心；

根据公式f2＝mrω²e2计算转子不平衡离心力；

式中，e为材料弹性模量，i为截面的惯性矩，meq为转子截面等效热弯矩，δ为等效热弯曲的方向角，mx为转子x方向等效热弯矩，my为转子y方向等效热弯矩，α为材料的热膨胀系数，t0为转子初始温度，n为转子沿径向离散的节点数，m为转子沿周向离散的节点数，tn,m表示坐标为(n，m)的节点温度值。

可选的，所述步骤2)：在线实时采集发电机运行时的转子振动数据，求取所述振动数据与故障样本集的关联度，判断励磁绕组匝间短路故障的程度和位置，具体包括：

在发电机运行时，实时采集发电机转子振动的幅值和相角差数据，作为待检测序列；

找到待检测序列与故障诊断的样本集中关联度最大的序列，得到励磁绕组匝间短路的故障程度和故障位置。

可选的，所述找到待检测序列与故障诊断的样本集中关联度最大的序列，得到励磁绕组匝间短路的故障程度和故障位置，具体包括：

将待检测序列和故障诊断的样本集分别进行无量纲归一化处理，分别得到待检测标准序列和标准故障诊断的样本集；

计算待检测标准序列和标准故障诊断的样本集的灰色关联度ri；

对待测标准序列和标准故障样本集的灰色关联度进行由大到小排序，即可得到励磁绕组匝间短路的故障程度和故障位置。

该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法，提高了汽轮发电机组励磁绕组匝间短路故障的诊断水平，充分考虑了励磁绕组匝间短路故障引起的电磁和热不平衡对转子振动的影响，振动特征提取更为精确，具有较高的诊断灵敏度且能够实现故障的准确定位；振动信号的提取无需安装新的检测设备，不会影响发电机的正常运行。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断的流程图；

图2为本发明实施例转子截面求解域离散示意图；

图3为本发明实施例转子轴上不平衡磁拉力分布示意图；

图4为本发明实施例励磁绕组连接图；

图5为本发明实施例发电机二维有限元电磁场模型；

图6为本发明实施例额定负载运行工况下发电机气隙磁场分布；

图7为本发明实施例发电机转子三维有限元温度场求解模型；

图8为本发明实施例额定负载运行工况下转子三维温度场分布云图；

图9为本发明实施例转子基频振动幅值曲线；

图10为本发明实施例转子基频振动相角曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法，根据励磁绕组匝间短路故障引起的电磁和热不平衡对转子振动的影响，提取振动特征，具有很好的诊断灵敏度，且无需安装新的检测设备，提高了故障的诊断效率，具有简单易行、可靠性高的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断的流程图，如图1所示，一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤101：通过建立发电机有限元模型，计算不同励磁绕组匝间短路故障引起的转子基频振动和相角作为故障诊断的样本集；

步骤102：在线实时采集发电机运行时的转子振动数据，求取所述振动数据与故障样本集的关联度，得到励磁绕组匝间短路的故障程度和故障位置。

步骤101：通过建立发电机有限元模型，计算不同励磁绕组匝间短路故障引起的转子基频振动和相角作为故障诊断的样本集包括以下步骤：

步骤1：求解发电机不同位置、不同程度的n类励磁绕组匝间短路故障下的转子基频振动幅值af1和相角，计算得到与正常工况下的相角差δf1；

步骤2：以转子基频振动幅值af1和相角差δf1两种故障特征作为2类评价指标，发生n种不同程度、不同位置匝间短路故障情况作为n类评价对象，构建出汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断的样本集；

步骤102：在线实时采集发电机运行时的转子振动数据，求取所述振动数据与故障样本集的关联度，得到励磁绕组匝间短路的故障程度和故障位置，包括以下步骤：

步骤3：在发电机运行时，实时采集发电机转子振动的幅值和相角差数据，作为待检测序列sca；

步骤4：找到待检测序列sca与故障样本集中关联度最大的序列，给出诊断结果。

所述步骤1包含以下分步骤：

步骤1-1：计算不同故障情况下发电机转子受到的不平衡磁拉力fu，将其等效为转子不平衡离心力f1；

步骤1-2：计算不同故障情况下发电机转子不平衡温度分布，将转子热弯曲等效为转子不平衡离心力f2；

步骤1-3：采用newmark隐式积分法求解转子运动方程。

所述步骤4包含以下分步骤：

步骤4-1：将待检测序列和故障样本集进行无量纲、归一化处理；

步骤4-2：计算待检测序列和故障样本集的灰色关联度ri；

步骤4-3：进行灰色关联度排序。

汽轮发电机发生励磁绕组匝间短路故障时，气隙磁场发生畸变，转子将受到不平衡磁拉力的作用：

式中：fu为转子受到的不平衡磁拉力，r为转子半径，l为转子轴向长度，μ0为真空磁导率，bn为径向磁密，bt为切向磁密，θs为差值点与参考坐标系的夹角。

不平衡磁拉力的方向角为：

汽轮发电机发生励磁绕组匝间短路故障时，转子整体温度场也会产生畸变，将转子截面温度场采用有限差分法进行径向和周向离散。如图2，将转子沿径向方向离散为n个节点，包含n-1个单元(其中n＝1对应转子圆心，r＝0；n＝n对应转子圆周，r＝r)。将转子的周向方向离散为m个节点，包含m-1个单元(其中m＝1与m＝m对应的均是的位置)。转子各截面所在轴向位置处的等效热弯矩为：

式中：mx为转子x方向等效热弯矩，my为转子y方向等效热弯矩，e为材料的弹性模量，α为材料的热膨胀系数，t为节点温度，t0为转子初始温度，tn,m

转子截面等效热弯矩的大小和方向可表示为：

式中：meq为转子截面等效热弯矩，δ为等效热弯曲的方向角。

发电机转子为挠性结构，转子受到的不平衡电磁力和热弯矩作用均可等效为转子弯曲产生的质量不平衡引起的离心力作用。

转子弯曲产生的挠度为：

式中：i为截面的惯性矩，m为转子弯矩，c、d为积分常数。c、d的值可以通过转子两侧转轴支撑处挠度为零确定。

不平衡磁拉力以分布应力的形式均布在转子轴上，见图3。

转子所受等效集中力为：

f＝ql(8)

式中：f为转子等效集中力，q为均布载荷集度。

该等效集中力等效于不平衡电磁力fu。

a、b点支反力为：

fa＝fb＝0.5ql(9)

则轴向的剪力分布和弯矩分布分别为：

f(x)＝fa-∫qdx(10)

m(x)＝∫f(x)dx(11)

转子弯曲引起的质量偏心为：

质量偏心产生的不平衡离心力为：

fe＝mrω²ec(13)

式中：mr为转子质量，ω为转子旋转的角速度。

根据发电机二维定转子电磁场有限元模型计算不同故障情况下发电机转子受到的不平衡磁拉力，将其等效为转子不平衡离心力f1，具体包括：

汽轮发电机发生励磁绕组匝间短路故障时，气隙磁场发生畸变，根据公式计算转子受到的不平衡磁拉力，

根据公式计算不平衡拉力的方向角；

转子所受等效集中力为f＝ql，将等效集中力f等效为不平衡磁拉力fu；

根据公式计算不平衡磁拉力引起的转子弯矩m；

根据公式计算电磁不平衡引起的转子弯曲产生的挠度；

根据公式计算转子弯曲引起的质量偏心；

根据公式f1＝mrω²e1计算转子不平衡离心力；

式中，fu为转子受到的不平衡磁拉力，fa、fb为转子两端的支反力，r为转子半径，l为转子轴向长度，μ0为真空磁导率，bn为径向磁密，bt为切向磁密，θs为差值点与参考坐标系的夹角，e为材料弹性模量，i为截面的惯性矩，m为转子弯矩，c、d为积分常数，c、d的值可以通过转子两侧转轴支撑处挠度为零确，mr为转子质量，ω为转子旋转的角速度，q为转子上的均布载荷集度，f为转子轴向的剪力，fx和fy分别为不平衡磁拉力fu的水平和垂直分量。

所述根据发电机三维转子温度场有限元模型计算不同故障情况下发电机转子的不平衡温度分布，将转子热弯曲等效为转子不平衡离心力f2，具体包括：

根据公式计算转子x方向等效热弯矩；

根据公式计算转子y方向等效热弯矩；

根据公式计算转子截面等效热弯矩；

根据公式计算等效热弯曲的方向角；

根据公式计算温度不平衡引起的转子弯曲产生的挠度；

根据公式计算转子弯曲引起的质量偏心；

根据公式f2＝mrω²e2计算转子不平衡离心力；

式中，e为材料弹性模量，i为截面的惯性矩，meq为转子截面等效热弯矩，δ为等效热弯曲的方向角，mx为转子x方向等效热弯矩，my为转子y方向等效热弯矩，α为材料的热膨胀系数，t为节点温度，t0为转子初始温度，n为转子沿径向离散的节点数，m为转子沿周向离散的节点数，tn,m表示坐标为(n，m)的节点温度值。

不平衡磁拉力等效不平衡离心力f1的方向与不平衡磁拉力方向一致。

转子热弯曲同样可等效为不平衡离心力，可由式(5)、(7)、(12)、(13)联立求得。

转子热弯曲等效不平衡离心力f2的方向为：

采用newmark隐式积分法法对式(16)的转子运动方程进行求解，可得转子的振动响应。

式中：[m]为转子系统的质量矩阵，[c]为转子系统的阻尼矩阵，[k]为转子系统的刚度矩阵，f(u,t)为转子系统的激振力，u为质点的位移，为质点的速度，为质点的加速度。

对于存在励磁绕组匝间短路故障的转子系统，系统激振力可表示为：

f(u,t)＝f0(u,t)+f1(u,t)+f2(u,t)(16)

式中：f0(u,t)为转子初始质量不平衡引起的离心力。

采用上述方法可求得汽轮发电机不同情况的励磁绕组匝间短路的基频振动幅值af1和相角差δf1，构成故障诊断的样本集。

对样本集进行无量纲归一化处理：

式中：xi(k)为原始数据，yi(k)为无量纲归一化后的数据。

其中，k为第k类故障特征，k＝1，2，3，…，n；i为第i种故障情况，i＝1，2，3，…，m。

实时采集发电机转子振动的幅值和相角差数据sca，同样进行无量纲归一化处理。

采用式(17)-(19)求取待检测标准故障序列sca与故障诊断样本集的灰色关联度ri：

δi(k)＝|y0(k)-yi(k)|(18)

式中：δi(k)为y0(k)与yi(k)的绝对插值，ξi(k)为y0(k)与yi(k)的关联系数，ρ为分辨系数。

对故障序列sca与标准故障集的灰色关联度进行由大到小排序，即可诊断发电机是否存在匝间短路故障，并给出相应的故障程度和故障位置。

下面以某核电场1150mw汽轮发电机的额定运行工况为算例，机组参数见表1。

转子共48槽，绕组槽编号和励磁绕组连接形式见图4。励磁电流从a极流入，c极流出，b、d两极由径向导电螺钉通过中心孔中的导电杆连接。

搭建发电机定转子二维有限元电磁场求解模型，见图5。求解得到了额定负载运行工况下气隙磁场，见图6。

在距离转子轴心1.059m的定转子气隙处设置一圆周路径，取路径上3600个插值点，提取气隙磁密值，分解得到径向磁密bn和切向磁密bt。

以1、3、5、7、9、11号槽发生3匝励磁绕组匝间短路为例，各故障状态下转子受到的不平衡磁拉力大小和方向角见表2。

搭建发电机转子三维有限元温度场求解模型，见图7。求解额定负载运行工况下转子三维温度场，见图8。

表3给出了1、3、5、7、9和11号槽分别发生3匝励磁绕组匝间短路时，不平衡磁拉力和转子热弯曲的等效计算结果。

将两类等效激振力施加到转子运动方程上，可求得转子振动响应。如图9和图10为7号槽内的励磁绕组发生3匝短路时的转子基频振动幅值和相角变化曲线。

以1-48号槽分别发生3匝绕组短路故障为例，由于发电机励磁绕组的两个线圈边分别位于关于大齿对称的两个槽内，实际上1-12槽和25-36槽内的励磁绕组匝间短路就能够表述这48中故障情况。因此，只需选取1-12槽和25-36槽内3匝绕组短路的24种故障情况和1种无故障情况作为故障诊断的样本集，见表4。

对样本集进行无量纲归一化处理的结果见表5。

对实时采集发电机转子振动的幅值和相角差数据见表6，进行无量纲归一化处理的结果见表7。

检测序列sca与故障样本集的灰色关联度求解结果见表8。

检测序列sca与故障样本集的灰色关联度进行由大到小排序可知，sca与sc6的关联度最大，可诊断发电机转子6号槽发生了3匝励磁绕组匝间短路故障。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表8

本发明提供的一种汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障诊断方法，提高了汽轮发电机组励磁绕组匝间短路故障的诊断水平，充分考虑了励磁绕组匝间短路故障引起的电磁和热不平衡对转子振动的影响，振动特征提取更为精确，具有较高的诊断灵敏度且能够实现故障的准确定位；振动信号的提取无需安装新的检测设备，不会影响发电机的正常运行，具有简单易行、可靠性高的特点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。