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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003]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系统中有成熟的 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】
[0004] 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。
[0005] 本发明采用下述技术方案：
[0006] -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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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' ；
[0010] 步骤D.计算故障判据值a% :
[0011]
Cl)
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 作为优选，所述故障判据a%的阈值设定为0. 2%。
[0015] 所述计算测量交流阻抗Z'的方法为：
[0016]
(2)
[0017] 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；
[0018] 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：
[0019]
Γ3)
[0020] 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。
[0021] 采用上述技术方案所带来的有益效果在于：
[0022] 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】
[0023] 图1是转子绕组等效电路。
[0024] 图2是转子q轴与A相轴线重合情况的示意图。
[0025] 图3是转子q轴与A相轴线重合情况的等效电路。
[0026] 图4是转子d轴与A相轴线重合情况的示意图。
[0027] 图5是转子d轴与A相轴线重合情况的等效电路。
[0028] 图6是转子绕组开路实验接线图。
[0029] 图7是转子绕组开路电压。
[0030] 图8是定转子绕组电压。
[0031] 图9是定转子绕组电流。
[0032] 图10是定子绕组电流。
[0033] 图11是转子被短路绕组电流。
[0034] 图12是转子绕组通过二极管短路实验接线图。
[0035] 图13是定转子绕组电压。
[0036] 图14是定转子绕组电流。
[0037] 图15是转子绕组电流。
[0038] 图16是被短路绕组电流。
[0039] 图17是定子绕组电流。
[0040] 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，i表 示定子A相绕组流过的交流电流，d)表示发电机内部的主磁通，2 1表示定子A相绕组的漏阻 抗，Zni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，Zd表示d轴阻尼绕组漏阻抗归算值，Z shwt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，C 2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，C 5表示转子 绕组S极0%位置的抽头。
【具体实施方式】
[0041] 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。
[0042] 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：
[0043] 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；
[0044] 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；
[0045] 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' ；
[0046] 步骤D.计算故障判据值a% :
[0047]
Cl)
[0048] 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；
[0049] 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。
[0050] 作为优选，所述故障判据a%的阈值设定为0. 2%。
[0051] 所述计算测量交流阻抗Z'的方法为：
[0052]
(2)
[0053] 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；
[0054] 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：
[0055]
(3)
[0056] 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。
[0057] 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。
[0058] 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。
[0059] 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。
[0060] 与之对应的，A相绕组的交流阻抗为：
[0061]
⑷
[0062] 其中，Z1为定子A相绕组的漏阻抗，Z "为激磁阻抗，Z q为q轴阻尼绕组漏阻抗归算 值。
[0063] 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。
[0064] 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：
[0065]