一種改進的汽輪發電機勵磁繞組短路故障的檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及汽輪發電機技術領域，尤其是一種改進的汽輪發電機勵磁繞組短路故 障在線檢測方法。
【背景技術】
[0002] 勵磁繞組短路是一種常見的汽輪發電機故障，近年來在我國有不斷增長的趨勢。 經驗表明，輕微轉子繞組匝間故障不會對發電機產生嚴重影響，故障特征并不顯著，使得該 故障處于隱匿狀態；然而，若該故障得不到及時、有效的處理，有可能進一步發展和蔓延，特 別是當發電機存在較強的負序磁場時，匝間短路點流過的電流較大，可能導致故障進一步 惡化，對機組本身的安全穩定運行構成較大威脅。
[0003] 勵磁繞組短路分為靜態短路和動態短路兩種類型，動態短路只在發電機運行過程 中存在，因此常規的離線方法無法發現動態匝間短路故障，對勵磁繞組健康狀態實施在線 監測是解決這一問題的最佳途徑。
[0004] 目前已提出的汽輪發電機勵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、端部漏磁法和勵磁電流法等。其中探測線圈法是目前應用最廣泛的在 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電機組均已配備了探測線 圈，且積累了較多的診斷經驗。然而，受負載診斷靈敏度下降的制約，通常只在發電機空載、 短路試驗時進行探測線圈實驗，嚴格說該方法并非在線監測方法。虛功率法、軸電壓法以及 端部漏磁法目前尚未得到廣泛應用。
[0005] 勵磁電流法也是一種較為成熟的勵磁繞組短路診斷方法，該方法由2003年中國 電機工程學報發表的《汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障診斷新判據》提出，該方法適用于 靜止勵磁汽輪發電機，采用解析法計算勵磁電流的理論值，當勵磁電流的理論值與實際值 偏差超過設定閾值時判定發電機存在勵磁繞組短路故障。我國已有部分汽輪發電機安裝了 基于勵磁電流法的勵磁繞組短路故障診斷系統。該方法的缺點是：當汽輪發電機發生輕微 勵磁繞組短路故障時，勵磁電流的理論值與實際值的偏差并不大，采用解析法計算發電機 勵磁電流的理論值時，認為發電機負載運行時空載電動勢與勵磁電流之間是正比例關系， 實際上兩者之間的線性度并不理想，導致勵磁電流理論值的計算誤差增大，因此文《汽輪發 電機轉子繞組匝間短路故障診斷系統（RDST)使用手冊》在用勵磁電流法診斷勵磁繞組短路 故障時，將診斷的閾值設定為5%，只有勵磁電流理論值與實際值偏差超過5%時才判定存 在轉子匝間短路故障，其靈敏度是明顯不足的。

【發明內容】

[0006] 本發明要解決的技術問題是提供一種改進的汽輪發電機勵磁繞組短路故障的檢 測方法，能夠解決現有技術的不足，提高了勵磁電流法診斷的靈敏度。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案如下。
[0008] A、獲取發電機的結構參數和BH特性曲線數據；
[0009]B、建立發電機二維數值仿真模型，根據發電機的有功P、無功Q以及額定電壓、定 子繞組電阻、同步電抗等參數，計算得到定子三相電流值，轉子繞組上施加勵磁電流值，計 算發電機電磁轉矩TM1'。
[0010] C、維持定子三相繞組電流不變，循環增加勵磁電流值，計算得到多個電磁轉矩，得 到（Ifl，TMl'）數組；
[0011] D、通過擬合，得到V與If的關系式；
[0012] E、計算發電機電磁轉矩的實際值Tm;
[0013]F、令TM= TM'，求解得到發電機的勵磁電流值；
[0014] G、循環改變發電機的有功P和無功Q，按上述A-F的流程計算各種工況下的勵磁 電流If;
[0015] H、使用上述步驟得到的勵磁電流If，形成以P、Q為自變量，以If為因變量的三維 曲面，通過三維曲面計算發電機任意有功P、無功Q工況下的勵磁電流值；
[0016]I、通過將步驟H中計算得到的勵磁電流值與勵磁電流的實測值進行比較，如果其 差值大于閾值，則說明勵磁繞組發生短路故障。
[0017] 作為優選，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，勵磁電流 從初始值1^開始施加，每施加一個轉子繞組電流，計算一次發電機磁場，在發電機氣隙設 定圓形路徑，將磁場數據映射到路徑上，計算出發電機的電磁轉矩TM1'。
[0018] 作為優選，步驟C中，以AIf為間隔將勵磁電流由初值Ifl增加至If2=Ifl+AIf， 保持定子三相電流值不變，計算得到電磁轉矩TM2'，增加勵磁電流為If3=Ifl+2AIf，依次循 環，上述循環重復N次，循環結束后，得到（Ifl，TMl'）數組。
[0019] 作為優選，步驟D中，以勵磁電流If為自變量，電磁轉矩TM'為函數，對上述（Ifl， tMi'）數組進行二次函數擬合，得到tm'關于if的函數tm' =f(n
[0020] 作為優選，在步驟B和C中，電磁轉矩TM'的計算公式） ， 其中，y。表示真空磁導率，R表示選取路徑的半徑，L表示轉子有效長度，Bn]表示積分路徑 第j點氣隙磁密徑向分量，Btj表示積分路徑第j點氣隙磁密切向分量，M表示積分路徑上 點的數量。
[0021] 作為優選，在步驟E中，電磁轉矩的實際值TM的計算公式為，其中，PM= 0) Pcua+P，P<：ua=ml2ra，丨1 =力匕丨丨1cos(p，（p=arctan^m表示發電機相數，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] 作為優選，步驟H中，在以AP、AQ為邊長的三維網格投影區中確定（P，Q)所落入 的矩形網格區域，矩形四個頂點代表發電機的四種工況，并采用下述公式計算勵磁電流理 論值：
[0023]
[0024] 其中，Ifa~Ifd代表四種工況下的發電機勵磁電流值；P"、Qn代表代表該矩形區域 一個頂點的有功功率和無功功率。
[0025] 作為優選，AP= 25MW，AQ= 25Mvar。
[0026] 作為優選，步驟I中，閾值取值為2 %。
[0027] 采用上述技術方案所帶來的有益效果在于：本發明可以快速計算出靜止勵磁發電 機任意工況下的勵磁電流理論值，轉子繞組正常時理論值與實際值的偏差很小，從而可以 使用較小的閾值來判斷勵磁繞組短路故障，提高檢測精度。
【附圖說明】
[0028] 圖1是汽輪發電機電動勢向量圖。
[0029] 圖2是勵磁電流確定流程圖。
[0030] 圖3是發電機二維仿真模型。
[0031] 圖4是有限兀剖分。
[0032] 圖5是定子三相電流向量。
[0033] 圖6是電磁轉矩與勵磁電流關系。
[0034] 圖7是轉子繞組變形情況。
[0035] 圖8是發電機P、Q、If的三維網格曲面關系圖。
[0036] 圖9是確定發電機任意P、Q時的If的原理圖。
[0037] 圖中，0、功角，:q>.、功率因數角，〇、相電壓向量，|.y相電流向量，空載電動勢 初始向量，增加勵磁電流后的空載電動勢向量，氣隙電動勢初始向量，愈增加 勵磁電流后的氣隙電動勢向量，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、勵磁電流首次加載值，AIf、勵磁電流增量，Ifi、第i次循環勵 磁電流加載值，If、勵磁電流，TMl'、第i次循環電磁轉矩計算值，TM、電磁轉矩實際值，P、 發電機輸出的有功功率，PM、發電機電磁功率，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，《、向量旋轉角速度， Ifa、對應（P"，Qn)工況的勵磁電流值，If