CN105137275A - 基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，包括以下步骤：选择所述同步电机的定子的任意一相绕组作为交流电压输入绕组，在交流电压源激励下产生交流电流，在发电机内部形成脉振磁场。旋转同步电机的转子使脉振磁场垂直穿过同步电机的转子绕组；测量所述交流电压输入绕组的电压和电流，计算测量交流阻抗；计算故障判据值：<maths num="0001"></maths>如果大于预设阈值，判定所述同步电机存在转子绕组短路故障。本发明的诊断方法不需要抽出转子，避免了转子回装后可能出现的振动状态变差情况。它的检测成本低且速度快，达到了较高的诊断精度，可广泛应用于同步电机转子绕组短路故障的离线检测。

Description

基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种同步电机转子绕组短路故障诊断方法，尤其是一种基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，属于发电机技术领域。

背景技术

同步电机的转子绕组短路故障一直是困扰工程技术人员的难题，近些年关于同步电机的转子绕组短路故障诊断取得了快速的进展，一些检测方法不断在实际应用中得到完善和发展，帮助运行人员缩短了故障处理时间，降低了机组停运时间。

目前对转子绕组短路的诊断主要包含离线和在线两种方式，其中在线诊断方式由于可以及时发现故障而被人们推崇，目前在线监测方法主要包括：探测线圈法、励磁电流法、虚功率法、轴电压法等，这些方法各有优势，其中一些方法已经在电力***中有成熟的应用经验，在抗干扰和提高诊断灵敏性方面各种方法都还有一定的发展空间。转子绕组的离线诊断方法较多，具体包括：空载试验法、短路试验法、开口变压器法、直流电阻法、交流阻抗法、分布电压法、两极电压平衡试验法、RSO法。离线检测方法不能及时发现同步电机的转子绕组短路故障，但是多年来一直被运行、检修人员广泛使用，这是因为：(1)转子绕组短路故障对于同步电机非致命性故障，当发电机出现转子绕组短路故障后，在发电机振动不严重的情况下通常不会选择立即停机检修。(2)离线检测方法在停机状态下完成，可以有效排除各类干扰，其检测可靠性较高。因此，几乎所有的大型同步电机在出现转子绕组短路故障特征后，都要进行相关的离线测试试验，其中，开口变压器法、分布电压法、两极电压平衡试验法等需要抽出转子。众所周知，抽出转子检查故障需要更长的停运时间，经济成本高昂，而且可能出现转子回装后机组振动变差现象，因此，离线检测应尽量避免抽出发电机转子。空载短路试验法、RSO法、直流电阻法及交流阻抗法就属于不需要抽出发电机转子的离线检测方法。空载短路试验法是通过对比发电机空载短路曲线与正常时的偏差判断转子绕组短路故障。RSO方法是根据行波原理在转子绕组的两端分别注入阶跃信号，通过比较反射波信号差异判断转子绕组短路故障。直流电阻法和交流阻抗法是通过测量转子的直、交流阻抗判断是否发生转子绕组短路故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法。

本发明采用下述技术方案：

一种基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤A.任一选择所述同步电机的定子的一相绕组作为交流电压输入绕组，连接交流电压源，所述交流电压输入绕组，在交流电压源激励下产生交流电流，在所述发电机内部形成脉振磁场；

步骤B.旋转所述同步电机的转子使转子绕组轴线与所述交流电压输入绕组轴线相重合，所述脉振磁场垂直穿过所述同步电机的转子绕组；

步骤C.测量所述交流电压输入绕组的电压和电流，计算测量交流阻抗Z'；

步骤D.计算故障判据值a％：

$a\%=\left|\frac{Z^{\&prime;}-Z}{Z}\right|\&times;100\%---\left(1\right)$

其中Z为所述流电压输入绕组等电压条件下测量的正常交流阻抗；

步骤E.判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述同步电机存在转子绕组短路故障；如果否，则判定所述同步电机转子绕组没有出现短路故障。

作为优选，所述故障判据a％的阈值设定为0.2％。

所述计算测量交流阻抗Z'的方法为：

$Z^{\&prime;}=\frac{U^{\&prime;}}{I^{\&prime;}}---\left(2\right)$

其中，U'表示计算测量交流阻抗Z'时，施加在所述交流电压输入绕组的交流电压值，I'表示所述交流电压输入绕组流过的交流电流值；

所述交流电压输入绕组等电压条件下测量的正常交流阻抗Z的计算方法为：

$Z=\frac{U}{I}---\left(3\right)$

其中，U表示等电压条件下测量的正常交流阻抗Z时施加在所述交流电压输入绕组的交流电压值，I表示所述交流电压输入绕组流过的交流电流值。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：

本发明的诊断方法不需要抽出转子，避免了转子回装后可能出现的振动状态变差情况。本方法的检测成本低且速度快，达到了较高的诊断精度，可广泛应用于同步电机转子绕组短路故障的离线检测。

附图说明

图1是转子绕组等效电路。

图2是转子q轴与A相轴线重合情况的示意图。

图3是转子q轴与A相轴线重合情况的等效电路。

图4是转子d轴与A相轴线重合情况的示意图。

图5是转子d轴与A相轴线重合情况的等效电路。

图6是转子绕组开路实验接线图。

图7是转子绕组开路电压。

图8是定转子绕组电压。

图9是定转子绕组电流。

图10是定子绕组电流。

图11是转子被短路绕组电流。

图12是转子绕组通过二极管短路实验接线图。

图13是定转子绕组电压。

图14是定转子绕组电流。

图15是转子绕组电流。

图16是被短路绕组电流。

图17是定子绕组电流。

图中，1表示发电机转子绕组，2表示被短路的转子绕组，3表示q轴阻尼等效绕组，4表示d轴阻尼等效绕组，I_f表示励磁电流，表示施加在定子A相绕组上的交流电压，表示定子A相绕组流过的交流电流，表示发电机内部的主磁通，Z₁表示定子A相绕组的漏阻抗，Z_m定子A相绕组的激磁阻抗，Z_q表示q轴阻尼绕组漏阻抗归算值，K表示转子绕组断开或闭合的等效开关，Z_d表示d轴阻尼绕组漏阻抗归算值，Z_Short表示被短路的转子绕组漏阻抗归算值，C₁表示转子绕组N极0％位置的抽头，C₂表示转子绕组N极5％位置的抽头，C₃表示转子绕组N极15％位置的抽头，C₄表示转子绕组S极7.5％位置的抽头，C₅表示转子绕组S极0％位置的抽头。

具体实施方式

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。

一种基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤A.任一选择所述同步电机的定子的一相绕组作为交流电压输入绕组，连接交流电压源，所述交流电压输入绕组，在交流电压源激励下产生交流电流，在所述发电机内部形成脉振磁场；

步骤B.旋转所述同步电机的转子使转子绕组轴线与所述交流电压输入绕组轴线相重合，所述脉振磁场垂直穿过所述同步电机的转子绕组；

步骤C.测量所述交流电压输入绕组的电压和电流，计算测量交流阻抗Z'；

步骤D.计算故障判据值a％：

$a\%=\left|\frac{Z^{\&prime;}-Z}{Z}\right|\&times;100\%---\left(1\right)$

其中Z为所述流电压输入绕组等电压条件下测量的正常交流阻抗；

步骤E.判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述同步电机存在转子绕组短路故障；如果否，则判定所述同步电机转子绕组没有出现短路故障。

作为优选，所述故障判据a％的阈值设定为0.2％。

所述计算测量交流阻抗Z'的方法为：

$Z^{\&prime;}=\frac{U^{\&prime;}}{I^{\&prime;}}---\left(2\right)$

其中，U'表示计算测量交流阻抗Z'时，施加在所述交流电压输入绕组的交流电压值，I'表示所述交流电压输入绕组流过的交流电流值；

所述交流电压输入绕组等电压条件下测量的正常交流阻抗Z的计算方法为：

$Z=\frac{U}{I}---\left(3\right)$

其中，U表示等电压条件下测量的正常交流阻抗Z时施加在所述交流电压输入绕组的交流电压值，I表示所述交流电压输入绕组流过的交流电流值。

同步电机的转子绕组发生短路故障后，其等效电路见图1，图中方框内部是整流部分，对于静止励磁和旋转励磁发电机，整流部分略有区别。图1中被短路绕组随发电机磁场同步旋转，短路绕组内部电流为零，失去励磁作用。

将发电机转子旋转到某一位置保持不变，在定子A相绕组上施加交流电压，增大交流电压同时观察A相交流电流，确保其不超过额定值。

1)转子q轴与A相轴线重合情况。此时转子绕组平行于A相绕组轴线，无交变磁通穿过转子绕组，被短路绕组内部无电流，仅q轴阻尼绕组有电流流过。定子A相绕组相当于变压器的原边绕组，q轴阻尼绕组相当于变压器副边的短路绕组，如图2和图3所示。

与之对应的，A相绕组的交流阻抗为：

$Z=Z_1+\frac{1}{\frac{1}{Z_m}+\frac{1}{Z_q}}---\left(4\right)$

其中，Z₁为定子A相绕组的漏阻抗，Z_m为激磁阻抗，Z_q为q轴阻尼绕组漏阻抗归算值。

2)转子d轴与A相绕组轴线重合情况。A相绕组产生的交变磁通垂直穿过转子绕组，当转子绕组存在匝间短路时，转子绕组感应交流电势，被短路绕组存在交流电流，d轴阻尼绕组中也有电流流过。A相绕组相当于变压器的原边绕组，d轴阻尼绕组、转子绕组以及被短路绕组相当于变压器副边绕组，类似于四绕组变压器，如图4和图5所示。

对于静止励磁同步电机，可以将碳刷与滑环分离使得转子绕组开路，即图4、图5开关K保持常开状态，则对应的A相绕组交流阻抗为：

$Z=Z_1+\frac{1}{\frac{1}{Z_m}+\frac{1}{Z_d}+\frac{1}{Z_{Short}}}---\left(5\right)$

其中，Z_d为d轴阻尼绕组漏阻抗归算值，Z_Short为被短路转子绕组漏阻抗归算值。

无刷励磁发电机采用二极管不控整流，转子绕组通过整流二极管短接。当转子绕组中感应正向交流电压且二极管导通时，即图4、图5中开关K闭合，此时的A相绕组交流阻抗为：

$Z=Z_1+\frac{1}{\frac{1}{Z_m}+\frac{1}{Z_d}+\frac{1}{Z_{Short}}+\frac{1}{Z_f}}---\left(6\right)$

其中，Z_f为转子绕组漏阻抗归算值。

在交流电压的负半周二极管自然关断，开关K断开，则A相绕组交流阻抗按照式(5)计算。

当转子绕组不存在匝间短路时，表达式(5)、(6)中包含Z_Short项均为零，A相绕组的交流阻抗为：

$Z=Z_1+\frac{1}{\frac{1}{Z_m}+\frac{1}{Z_d}}---\left(7\right)$

$Z=Z_1+\frac{1}{\frac{1}{Z_m}+\frac{1}{Z_d}+\frac{1}{Z_f}}---\left(8\right)$

可见，转子绕组短路后A相绕组的交流阻抗比转子绕组正常时小，该特征可用以判断发电机是否存在转子绕组短路故障。

为了验证本方法，在实验室一台7.5kVA故障模拟发电机组上进行了转子绕组短路故障模拟实验，实测了定子一相绕组的交流阻抗。该机组的参数见表1。

该发电机N极转子绕组的5％、15％引出两个抽头C₂、C₃，在S极的7.5％引出一个抽头C₄，加上转子绕组两端C₁、C₅，共5个抽头，通过碳刷引出，将相应接头短路可以模拟一定程度的转子绕组短路故障。

将定子A相绕组接在一台单相自耦调压器上，转子绕组保持开路，实验电路见图6，记录的数据包括定子A相绕组的交流电压、交流电流，转子绕组的开路电压和被短路绕组的短路电流。实验采样频率为10kHz，采样时间5秒。

实验过程如下：

设置转子绕组为正常状态，升高单相自耦调压器输出电压至15.3V保持不变，保证A相电流和转子被短路绕组电流不超标，分别在转子绕组上设置不同的短路程度。对发电机一侧的动平衡盘进行标记，将平衡盘圆周等分为16份，分别标号1-16。保持标号1在转子正上方，记录数据，然后将转子沿顺时针每旋转22.5°记录一次数据，共记录17组数据，转子回到初始位置。

图7为不同短路程度、转子旋转不同角度时的转子绕组开路电压，可以看到：转子绕组感应的交流电压受转子位置影响明显，在转子转至30°和210°附近时绕组的感应电压最大，在120°和300度附近数值较小，这说明在30°和210°方向转子绕组轴线刚好与A相绕组轴线重合，A相绕组产生的脉振磁通垂直穿过转子绕组，磁通量最大，故感应出较大的电压；而在30°和210°方向时，磁通与转子绕组平行，穿过转子绕组的磁通量极小。当转子绕组出现匝间短路后，由于有效匝数减少，转子绕组开路电压明显下降，短路程度越严重开路电压下降越明显。

图8、图9分别为转子绕组短路5％、转子旋转22.5°时的定、转子绕组电压、电流波形，此时定转子轴线几乎重合。可以看到：由于转子绕组匝数较多，转子绕组感应电压较大，最大值接近100V。

图10为不同短路程度、转子旋转不同角度时的A相绕组电流值。

可以看到：当转子绕组正常时，A相电流在转子旋转至120°和300°方向附近的数值较大，此时A相绕组轴线与转子q轴重合，q轴方向为小齿区，开槽较多，磁阻较大，导致激磁阻抗Z_m较小，故A相电流较大；与之对应，在30°和210°方向时A相绕组轴线与转子d轴重合，A相电流较小。转子绕组出现匝间短路故障后，从图10可以看到：当转子d轴与A相绕组轴线重合时，A相电流呈现出明显的增大趋势，且短路程度越重A相电流增大越明显。此时A相绕组产生的交变磁场垂直穿过短路的转子绕组，在被短路绕组内部产生了环流，该环流对激磁磁场起去磁作用，减小了发电机内部的主磁通，与之对应，A相绕组交流阻抗下降，电流上升。

图11为被短路转子绕组内部的短路电流，可以看到，短路电流变化规律与图7的转子绕组开路电压变化规律基本相同。

随着短路程度增加，短路电流呈现出减小趋势。这是因为：被短路绕组内部的感应电动势与短路绕组匝数成正比，短路绕组的漏抗与短路绕组匝数的平方成正比，短路程度增加时漏抗增大更快，故短路电流呈现减小趋势。

通过上述分析可知，转子绕组轴线与定子绕组轴线重合时，短路绕组的去磁作用以及改变定子绕组交流阻抗的效果得到充分体现，下面以转子转过22.5°的第二组数据为例，计算不同短路程度下的定子绕组交流阻抗，见表2。可以看到：A相绕组的交流阻抗值在转子绕组短路故障发生后明显减小，但并非与短路程度成正相关关系。

对于旋转励磁发电机，转子绕组与多相旋转二极管构成闭合回路，可以将二极管组等效为单个二极管，见图12。当转子绕组中感应交流电动势时，励磁回路不断在导通和关断状态间切换，转子绕组对主磁场也起到一定的去磁作用。

在实验电机的转子绕组两端接入一只二极管。该二极管的额定导通电流10A，反向耐受电压1000V。

在A相绕组施加交流电压有效值为14.3V，图13为转子绕组短路5％、转子旋转22.5°时的定、转子绕组电压波形。可以看到：转子绕组感应电压的正半周期二极管导通，因此转子绕组两端电压接近于零，在转子绕组感应电压的负半周期，转子绕组的电感储能起到了续流作用，二极管延时关断，图13的负脉冲部分对应二极管反向关断。

图14为转子绕组短路5％、转子旋转22.5°时的定、转子绕组电流波形。与图9所示的转子绕组开路时的情况相比较，图14中转子绕组的短路电流大幅下降。

转子绕组通过二极管形成通路，对主磁场起去磁作用，使得主磁场显著减小。故被短路绕组内的感应电动势降低，短路电流下降。

图15、图16分别为不同短路程度、转子旋转至不同方向时的转子绕组电流及被短路绕组电流值。

图17为不同短路程度下的定子绕组电流，可见，由于转子绕组被二极管短接，等效交流阻抗显著下降，故定子电流较转子绕组开路时显著上升。此外还可以看到：在30°和210°方向附近，定子电流并非随短路程度增大而一直增加，而是呈现先增大后减小的趋势，但始终大于绕组正常时的数值。

表3为转子转过22.5°时定子绕组交流阻抗随短路程度的变化规律。可以看到：旋转励磁发电机发生转子绕组匝间短路后，由于转子绕组通过旋转二极管短接，故被短路绕组对定子一相绕组交流阻抗的影响不如转子绕组开路时明显，但仍可识别转子绕组匝间短路故障。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

表1

表2

表3

Claims (3)

1.一种基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A.任一选择所述同步电机的定子的一相绕组作为交流电压输入绕组，连接交流电压源，所述交流电压输入绕组,在交流电压源激励下产生交流电流，在所述发电机内部形成脉振磁场；

步骤B.旋转所述同步电机的转子使转子绕组轴线与所述交流电压输入绕组轴线相重合，所述脉振磁场垂直穿过所述同步电机的转子绕组；

步骤C.测量所述交流电压输入绕组的电压和电流，计算测量交流阻抗Z'；

步骤D.计算故障判据值a％：

$a\%=\left|\frac{Z^{\&prime;}-Z}{Z}\right|\&times;100\%---\left(1\right)$

其中Z为所述流电压输入绕组等电压条件下测量的正常交流阻抗；

步骤E.判断所述故障判据值a％是否大于预设阈值，如果是，则判定所述同步电机存在转子绕组短路故障；如果否，则判定所述同步电机转子绕组没有出现短路故障。

2.根据权利要求1所述的基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征在于：所述故障判据a％的阈值设定为0.2％。

3.根据权利要求1所述的基于定子电流注入的同步电机转子绕组短路故障诊断方法，其特征在于：所述计算测量交流阻抗Z'的方法为：

$Z^{\&prime;}=\frac{U^{\&prime;}}{I^{\&prime;}}---\left(2\right)$

其中，U'表示计算测量交流阻抗Z'时，施加在所述交流电压输入绕组的交流电压值，I'表示所述交流电压输入绕组流过的交流电流值；

所述交流电压输入绕组等电压条件下测量的正常交流阻抗Z的计算方法为：

$Z=\frac{U}{I}---\left(3\right)$

其中，U表示等电压条件下测量的正常交流阻抗Z时施加在所述交流电压输入绕组的交流电压值，I表示所述交流电压输入绕组流过的交流电流值。