一種改進(jìn)的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組短路故障的檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種改進(jìn)的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組短路故 障在線檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 勵(lì)磁繞組短路是一種常見的汽輪發(fā)電機(jī)故障，近年來在我國有不斷增長的趨勢。 經(jīng)驗(yàn)表明，輕微轉(zhuǎn)子繞組匝間故障不會(huì)對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，故障特征并不顯著，使得該 故障處于隱匿狀態(tài)；然而，若該故障得不到及時(shí)、有效的處理，有可能進(jìn)一步發(fā)展和蔓延，特 別是當(dāng)發(fā)電機(jī)存在較強(qiáng)的負(fù)序磁場時(shí)，匝間短路點(diǎn)流過的電流較大，可能導(dǎo)致故障進(jìn)一步 惡化，對機(jī)組本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成較大威脅。
[0003] 勵(lì)磁繞組短路分為靜態(tài)短路和動(dòng)態(tài)短路兩種類型，動(dòng)態(tài)短路只在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程 中存在，因此常規(guī)的離線方法無法發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路故障，對勵(lì)磁繞組健康狀態(tài)實(shí)施在線 監(jiān)測是解決這一問題的最佳途徑。
[0004] 目前已提出的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組短路故障在線檢測方法主要包括探測線圈法、 虛功率法、軸電壓法、端部漏磁法和勵(lì)磁電流法等。其中探測線圈法是目前應(yīng)用最廣泛的在 線檢測方法，目前我國大部分電廠的300MW及以上容量的汽輪發(fā)電機(jī)組均已配備了探測線 圈，且積累了較多的診斷經(jīng)驗(yàn)。然而，受負(fù)載診斷靈敏度下降的制約，通常只在發(fā)電機(jī)空載、 短路試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行探測線圈實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格說該方法并非在線監(jiān)測方法。虛功率法、軸電壓法以及 端部漏磁法目前尚未得到廣泛應(yīng)用。
[0005] 勵(lì)磁電流法也是一種較為成熟的勵(lì)磁繞組短路診斷方法，該方法由2003年中國 電機(jī)工程學(xué)報(bào)發(fā)表的《汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷新判據(jù)》提出，該方法適用于 靜止勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)，采用解析法計(jì)算勵(lì)磁電流的理論值，當(dāng)勵(lì)磁電流的理論值與實(shí)際值 偏差超過設(shè)定閾值時(shí)判定發(fā)電機(jī)存在勵(lì)磁繞組短路故障。我國已有部分汽輪發(fā)電機(jī)安裝了 基于勵(lì)磁電流法的勵(lì)磁繞組短路故障診斷系統(tǒng)。該方法的缺點(diǎn)是：當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生輕微 勵(lì)磁繞組短路故障時(shí)，勵(lì)磁電流的理論值與實(shí)際值的偏差并不大，采用解析法計(jì)算發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁電流的理論值時(shí)，認(rèn)為發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)空載電動(dòng)勢與勵(lì)磁電流之間是正比例關(guān)系， 實(shí)際上兩者之間的線性度并不理想，導(dǎo)致勵(lì)磁電流理論值的計(jì)算誤差增大，因此文《汽輪發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷系統(tǒng)（RDST)使用手冊》在用勵(lì)磁電流法診斷勵(lì)磁繞組短路 故障時(shí)，將診斷的閾值設(shè)定為5%，只有勵(lì)磁電流理論值與實(shí)際值偏差超過5%時(shí)才判定存 在轉(zhuǎn)子匝間短路故障，其靈敏度是明顯不足的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種改進(jìn)的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組短路故障的檢 測方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高了勵(lì)磁電流法診斷的靈敏度。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。
[0008] A、獲取發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和BH特性曲線數(shù)據(jù)；
[0009]B、建立發(fā)電機(jī)二維數(shù)值仿真模型，根據(jù)發(fā)電機(jī)的有功P、無功Q以及額定電壓、定 子繞組電阻、同步電抗等參數(shù)，計(jì)算得到定子三相電流值，轉(zhuǎn)子繞組上施加勵(lì)磁電流值，計(jì) 算發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TM1'。
[0010] C、維持定子三相繞組電流不變，循環(huán)增加勵(lì)磁電流值，計(jì)算得到多個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，得 到（Ifl，TMl'）數(shù)組；
[0011] D、通過擬合，得到V與If的關(guān)系式；
[0012] E、計(jì)算發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值Tm;
[0013]F、令TM= TM'，求解得到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流值；
[0014] G、循環(huán)改變發(fā)電機(jī)的有功P和無功Q，按上述A-F的流程計(jì)算各種工況下的勵(lì)磁 電流If;
[0015] H、使用上述步驟得到的勵(lì)磁電流If，形成以P、Q為自變量，以If為因變量的三維 曲面，通過三維曲面計(jì)算發(fā)電機(jī)任意有功P、無功Q工況下的勵(lì)磁電流值；
[0016]I、通過將步驟H中計(jì)算得到的勵(lì)磁電流值與勵(lì)磁電流的實(shí)測值進(jìn)行比較，如果其 差值大于閾值，則說明勵(lì)磁繞組發(fā)生短路故障。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟B中，將定子三相電流值加載到定子繞組上并維持不變，勵(lì)磁電流 從初始值1^開始施加，每施加一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組電流，計(jì)算一次發(fā)電機(jī)磁場，在發(fā)電機(jī)氣隙設(shè) 定圓形路徑，將磁場數(shù)據(jù)映射到路徑上，計(jì)算出發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM1'。
[0018] 作為優(yōu)選，步驟C中，以AIf為間隔將勵(lì)磁電流由初值Ifl增加至If2=Ifl+AIf， 保持定子三相電流值不變，計(jì)算得到電磁轉(zhuǎn)矩TM2'，增加勵(lì)磁電流為If3=Ifl+2AIf，依次循 環(huán)，上述循環(huán)重復(fù)N次，循環(huán)結(jié)束后，得到（Ifl，TMl'）數(shù)組。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟D中，以勵(lì)磁電流If為自變量，電磁轉(zhuǎn)矩TM'為函數(shù)，對上述（Ifl， tMi'）數(shù)組進(jìn)行二次函數(shù)擬合，得到tm'關(guān)于if的函數(shù)tm' =f(n
[0020] 作為優(yōu)選，在步驟B和C中，電磁轉(zhuǎn)矩TM'的計(jì)算公式） ， 其中，y。表示真空磁導(dǎo)率，R表示選取路徑的半徑，L表示轉(zhuǎn)子有效長度，Bn]表示積分路徑 第j點(diǎn)氣隙磁密徑向分量，Btj表示積分路徑第j點(diǎn)氣隙磁密切向分量，M表示積分路徑上 點(diǎn)的數(shù)量。
[0021] 作為優(yōu)選，在步驟E中，電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值TM的計(jì)算公式為，其中，PM= 0) Pcua+P，P<：ua=ml2ra，丨1 =力匕丨丨1cos(p，（p=arctan^m表示發(fā)電機(jī)相數(shù)，ra表示定子繞組 電阻，1^表示定子繞組線電壓，I表示定子繞組線電流。
[0022] 作為優(yōu)選，步驟H中，在以AP、AQ為邊長的三維網(wǎng)格投影區(qū)中確定（P，Q)所落入 的矩形網(wǎng)格區(qū)域，矩形四個(gè)頂點(diǎn)代表發(fā)電機(jī)的四種工況，并采用下述公式計(jì)算勵(lì)磁電流理 論值：
[0023]
[0024] 其中，Ifa~Ifd代表四種工況下的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流值；P"、Qn代表代表該矩形區(qū)域 一個(gè)頂點(diǎn)的有功功率和無功功率。
[0025] 作為優(yōu)選，AP= 25MW，AQ= 25Mvar。
[0026] 作為優(yōu)選，步驟I中，閾值取值為2 %。
[0027] 采用上述技術(shù)方案所帶來的有益效果在于：本發(fā)明可以快速計(jì)算出靜止勵(lì)磁發(fā)電 機(jī)任意工況下的勵(lì)磁電流理論值，轉(zhuǎn)子繞組正常時(shí)理論值與實(shí)際值的偏差很小，從而可以 使用較小的閾值來判斷勵(lì)磁繞組短路故障，提高檢測精度。
【附圖說明】
[0028] 圖1是汽輪發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢向量圖。
[0029] 圖2是勵(lì)磁電流確定流程圖。
[0030] 圖3是發(fā)電機(jī)二維仿真模型。
[0031] 圖4是有限兀剖分。
[0032] 圖5是定子三相電流向量。
[0033] 圖6是電磁轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流關(guān)系。
[0034] 圖7是轉(zhuǎn)子繞組變形情況。
[0035] 圖8是發(fā)電機(jī)P、Q、If的三維網(wǎng)格曲面關(guān)系圖。
[0036] 圖9是確定發(fā)電機(jī)任意P、Q時(shí)的If的原理圖。
[0037] 圖中，0、功角，:q>.、功率因數(shù)角，〇、相電壓向量，|.y相電流向量，空載電動(dòng)勢 初始向量，增加勵(lì)磁電流后的空載電動(dòng)勢向量，氣隙電動(dòng)勢初始向量，愈增加 勵(lì)磁電流后的氣隙電動(dòng)勢向量，的夾角，（P"、良與f的夾角，X。、定子繞組漏 抗，Xa、電樞反應(yīng)電抗，Ia、定子A相繞組電流加載值，Ib、定子B相繞組電流加載值，I。、定 子C相繞組電流加載值，Ifl、勵(lì)磁電流首次加載值，AIf、勵(lì)磁電流增量，Ifi、第i次循環(huán)勵(lì) 磁電流加載值，If、勵(lì)磁電流，TMl'、第i次循環(huán)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算值，TM、電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)際值，P、 發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，PM、發(fā)電機(jī)電磁功率，P_、定子繞組銅耗功率，定子A相繞組 電流向量，tb定子b相繞組電流向量，ie、定子C相繞組電流向量，《、向量旋轉(zhuǎn)角速度， Ifa、對應(yīng)（P"，Qn)工況的勵(lì)磁電流值，If