CN109738796B - 核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置及诊断方法。针对目前核电厂普遍采用的半速汽轮发电机组，装置在相距1个极距的2个定子铁心齿顶部各安装一个线圈，诊断方法根据2个线圈感应电压的频域和时域特征来判断励磁绕组匝间短路故障和故障程度。本发明不受发电机运行状态的影响，并且能够实现故障的准确定位。它解决现有技术的不足，更适用于核电半速汽轮发电机组的诊断需求，提高诊断水平。

Description

核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置及诊断方法

技术领域

本发明涉及一种发电机励磁绕组故障诊断装置及诊断方法，尤其涉及一种核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置及诊断方法，属于发电机技术领域。

背景技术

励磁绕组匝间短路故障是大型同步发电机的顽疾。励磁绕组匝间短路故障通常会引起发电机较为剧烈的振动，故障的单极效应还可能磁化发电机轴颈，形成的轴电流，有烧伤轴颈和轴瓦的风险，短路故障可能会发展为转子绕组的一点或两点接地故障。这些负面因素严重影响了同步发电机的正常运行，因此实现同步发电机励磁绕组匝间短路故障的在线监测有着重要意义。

目前已经提出的同步发电机励磁绕组匝间短路故障在线诊断方法主要有：励磁电流法、轴电压法和端部漏磁通法、虚功率法、期望电动势法、定子分支环流法与探测线圈法。

励磁电流法利用故障后发电机的励磁电流增大，无功功率降低这一特征进行故障识别。该方法可以检测出一些明显的匝间短路故障，且需要进行精确的励磁电流测量，并且不适用于旋转励磁型发电机。轴电压法和端部漏磁通法利用电机主轴和端部感应的偶数或分数次谐波来检测故障，但这两类方法不能实现故障定位。虚功率法和期望电动势法利用期望电磁功率与实际电磁功率或期望励磁电动势与实际励磁电动势的相对偏差来诊断匝间短路故障，这两类方法同样不适用于旋转励磁型发电机，也不能实现故障定位。定子分支环流法通过故障时定子并联支路环流产生的特征次谐波来进行故障识别，该方法需要在定子并联支路上安装电流互感器。

传统探测线圈法通过安装在发电机气隙的微型径向/切向线圈检测转子的槽漏磁通，基于转子槽漏磁通与槽内有效安匝数的相关性判断励磁绕组的匝间短路故障，该方法具有故障定位功能，得到了广泛应用，不足之处是抗干扰能力不足，在负载工况下检测灵敏度严重下降。在此方法的基础上，发展出了一种新型探测线圈法，通过环绕定子铁心段安装U型探测线圈，直接检测转子气隙主磁场，通过主磁场谐波判断故障，其诊断的抗干扰性比传统探测线圈法有明显提升。然而这种方法需要将探测线圈深入到发电机气隙磁场之中，带来很大的安全隐患。

核电汽轮发电机组由于输出功率很大，通常采用两对极半速同步发电机，并且励磁系统通常采用无刷励磁方式，励磁电流无法测量。综上所述的各种方法没有特别适合于核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路的故障诊断方法，因此有必要提高此类故障的诊断水平，并更加适合于核电领域的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置及诊断方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

技术方案一：

一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置，所述发电机内部设有两个包围定子齿槽的探测线圈，两个探测线圈均通过定子铁心径向冷却风道引出，并在冷却风道出口并联800-1200Ω电阻，两探测线圈的电压输出端分别接入数据采集装置，在数据采集装置中进行叠加或作差。

所述两个探测线圈相隔一定距离安装在发电机定子铁心小齿上。

冷却风道出口并联1000Ω电阻。

技术方案二：

一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤a：在发电机运行时，数据采集装置实时采集两个探测线圈的输出电压；

步骤b：数据采集装置对两个探测线圈的输出电压作差；

步骤c：计算两个探测线圈的输出电压作差结果中预先设定的谐波的百分比含量，如果谐波含量超出预定阈值，判定所述发电机发生励磁绕组匝间短路故障，转向步骤d；否则转向步骤b；

步骤d：数据采集装置对两个探测线圈的输出电压信号叠加，如果叠加结果曲线出现波峰，判定波峰处出现励磁绕组匝间短路故障。

对于核电半速发电机，两个探测线圈的距离固定为一个极距。

对于核电半速发电机，预先设定的谐波为1/2、3/2、5/2、7/2次谐波，谐波百分比含量为5％。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

1、本发明提高了核电半速汽轮发电机组的诊断水平；

2、本发明不仅适用于无刷励磁系统，并且适用于有刷励磁系统，特别适合现代核电发展趋势；

3、本发明不仅灵敏度高还能实现故障的准确定位；

4、本发明的探测线圈安装位置隐蔽，不会影响发电机的正常运行。

附图说明

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是本发明实施例1中探测线圈安装图；

图2是本发明实施例1中探测线圈局部放大图；

图3是本发明实施例2中正常状态下两对极发电机励磁磁势波形图；

图4是本发明实施例2中短路匝施加反向电流磁势分布图；

图5是本发明实施例2中磁绕组连接图；

图6是本发明实施例2中空载探测线圈感应电压波形图；

图7是本发明实施例2中额定负载探测线圈感应电压图；

图8是本发明实施例2中空载探测线圈感应电压频谱图；

图9是本发明实施例2中额定负载探测线圈感应电压频谱图；

图10是本发明实施例2中空载不同槽绕组故障的探测线圈感应电压波形图；

图11是本发明实施例2中额定负载不同槽绕组故障的探测线圈感应电压波形图；

图12是本发明实施例1中探测线圈的后级检测电路；

其中1-探测线圈。

具体实施方式

实施例1：

一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断装置，所述发电机内部设有两个包围定子齿槽的探测线圈1，两个探测线圈1均通过定子铁心径向冷却风道引出，并在冷却风道出口并联1000Ω电阻，两个探测线圈1的电压输出端分别接入数据采集装置，在数据采集装置中进行叠加或作差。

所述两个探测线圈1相隔一定距离安装在发电机定子铁心小齿上。

实施例2：与实施例1的区别在于冷却风道出口并联800Ω电阻。

实施例3：与实施例1的区别在于冷却风道出口并联1200Ω电阻。

实施例4：

一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤a：在发电机运行时，数据采集装置实时采集两个探测线圈1的输出电压；

步骤b：数据采集装置对两个探测线圈1的输出电压作差；

步骤c：计算两个探测线圈1的输出电压作差结果中预先设定的谐波的百分比含量，如果谐波含量超出预定阈值，判定所述发电机发生励磁绕组匝间短路故障，转向步骤d；否则转向步骤b；

步骤d：数据采集装置对两个探测线圈1的输出电压信号叠加，如果叠加结果曲线出现波峰，判定波峰处出现励磁绕组匝间短路故障。

对于核电半速发电机，两个探测线圈1的距离固定为一个极距。

对于核电半速发电机，预先设定的谐波为1/2、3/2、5/2、7/2次谐波，谐波百分比含量阈值为5％。

谐波百分比含量a％为：

其中，F₁为基波幅值，F_1/2为1/2次谐波幅值，F_3/2为3/2次谐波幅值，F_5/2为5/2次谐波幅值，F_7/2为7/2次谐波幅值。

核电机组普遍采用2对极汽轮发电机组。正常运行状态下，2对极汽轮发电机的励磁磁势为阶梯形波，如图3所示。

P_A、P_B、P_C和P_D分别表示转子的4个磁极，正常状态下磁动势表达式为：

式中：F_f为励磁磁势，I_f为励磁电流，a_k为转子第k槽的绕组匝数，β为转子槽间角，γ为转子大齿区圆周角，θ_r为转子空间电角度。

绕组正常时，2对极汽轮发电机的励磁磁势仅含有奇数次谐波。在不计磁场饱和且转子表面光滑的情况下，可认为气隙主磁场只含有奇数次谐波，主要为基波成份。

励磁绕组匝间短路后，故障极励磁磁势减弱，发电机的磁势呈现出不对称状态。故障后的励磁磁势等效于正常状态磁势与短路匝施加反向电流所产生的磁势的叠加。短路匝施加反向电流产生的磁动势分布如图4所示。

对图4短路匝施加反向电流的磁势进行傅里叶分析可得：

式中：α为转子空间机械角，w为励磁绕组短路匝数，ω_r为转子旋转的机械角速度，ΔF_f为短路匝施加反向电流的励磁磁势，m为励磁线圈号。

励磁绕组发生匝间短路故障后，励磁磁动势包含分数次谐波。

励磁绕组匝间短路故障产生的特征磁场沿转子铁心-气隙-定子铁心形成的闭合主回路流通，并且随着转子同步旋转，流经探测线圈1的磁通随时间交变，交变的磁通在探测线圈1中感应出电压。

以空载运行为例，对一个探测线圈1分析，正常状态下，流经探测线圈1的磁通量随时间交替变换，表达式为：

式中Ф₁为流经探测线圈的磁通量，B为主磁场磁通密度，l为探测线圈的轴向长度，R为探测线圈1到转子轴心的距离。

对磁通求导，可得探测线圈1的感应电动势：

式中：e₁为探测线圈1的感应电动势。

同理，另一个探测线圈1的感应电动势e₂为：

两个探测线圈1的感应电压作差e(t)为：

因此，正常运行状态下探测线圈1的感应电压差只含有1、3、5等奇数次谐波。

2对极发电机发生励磁绕组匝间短路故障后，气隙磁通产生1/2、3/2、5/2、7/2次等分数次谐波。谐波磁通穿过一个探测线圈1的磁通量Ф’₁可以表示为：

这个探测线圈1感应的电动势e’₁(t)为：

式中：θ为探测线圈1轴向的两个线圈边的夹角，ω为转子旋转的电角速度。

两个探测线圈1的感应电压差为e’(t)：

因此，探测线圈1的感应的电动势同样具有1/2、3/2、5/2、7/2次等分数次谐波，可以作为检测励磁绕组匝间短路故障的基本特征。

下面以某核电场TA-1100-78型汽轮同步发电机为算例，参数见表1。

励磁绕组连接形式及槽编号如图5所示。

在空载和额定运行状态下，分别设置TA-1100-78型发电机7号槽发生1、3、5、7匝不同程度励磁绕组短路。空载和额定运行时，定子上的探测线圈1感应的电压波形分别如图6和图7所示。

从图6和图7可以看到：当7号槽励磁绕组发生匝间短路故障时，探测线圈1的感应电压出现了不对称的现象，感应电压波形局部出现了下降的现象，见图中矩形区域，且短路程度越严重，感应电压波形不对称性越明显。

对探测线圈1中的感应电压进行傅里叶分解，得到各次谐波含量，如图8和图9所示。

从图8和图9可以看到：励磁绕组发生匝间短路故障后，探测线圈1中的感应电压出现了分数次谐波，且故障程度越严重，分数次谐波含量越高。

在空载和额定运行状态下，分别设置1号槽3匝短路故障、3号槽3匝短路故障和5号槽3匝短路故障进行仿真。将两个探测线圈1的感应电压叠加，可得如图10和图11的电压叠加波形。

从图10和图11可以看到：正常运行时两个探测线圈1的感应电压求和几乎为零。而故障状态下，两各探测线圈1的感应电压将出现局部偏差，叠加结果不为零，且波峰位置与短路槽所在位置存在对应关系，能够有效诊断出匝间短路的故障位置。

两各探测线圈1的后级检测电路如图12所示。

综上，本发明可以有效诊断励磁绕组匝间短路故障，谐波含量能够有效反映短路故障程度，该方法能够实现准确的故障定位。

表1

Claims (2)

1.一种基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断方法，其特征在于：故障诊断装置包括，所述发电机内部设有两个包围定子齿槽的探测线圈，两个探测线圈(1)均通过定子铁心径向冷却风道引出，并在冷却风道出口并联800-1200Ω电阻，两探测线圈(1)的电压输出端分别接入数据采集装置，在数据采集装置中进行叠加或作差；

所述两个探测线圈(1)安装在发电机定子铁心小齿上；

两个探测线圈(1)的距离固定为一个极距；

基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤a：在发电机运行时，数据采集装置实时采集两个探测线圈(1)的输出电压；

步骤b：数据采集装置对两个探测线圈(1)的输出电压作差；

步骤c：计算两个探测线圈(1)的输出电压作差结果中预先设定的谐波的百分比含量，如果谐波含量超出预定阈值，判定所述发电机发生励磁绕组匝间短路故障，转向步骤d；否则转向步骤b；

步骤d：数据采集装置对两个探测线圈(1)的输出电压信号叠加，如果叠加结果曲线出现波峰，判定波峰处出现励磁绕组匝间短路故障。

2.根据权利要求1所述的基于定子双探测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组故障诊断方法，其特征在于：冷却风道出口并联1000Ω电阻。

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