基于函数构建的转子绕组匝间短路的检测方法与流程

本发明属于调相机，尤其涉及一种基于函数构建的转子绕组匝间短路的检测方法。

背景技术：

1、我国电力系统结构转型过程中，高比例新能源、高压直流输电广泛应用是一个显著特征。为了维持系统电压稳定，在直流输电系统受端和弱交流系统送端加装了大量调相机，其中既有50mvar的分布式调相机群，也有300mvar的大容量调相机组。与此同时，电力系统中一些退役同步调相机组也已开始尝试调相运行改造，以提高系统电压调节和稳定水平。

2、调相机是一种大型无功调节设备，其调节无功的能力都较强，在电力系统中可以加强电压的动态调节能力。例如在特高压变电站，调相机可以有效的避免电力系统电压突然提高，尤其在电网侧可以快速吸收大量由于换相失败而产生的无功功率，同时又能大量增加无功，加快故障后系统无功的恢复。因此，大型调相机是电力系统中调节无功的重要装置。

3、对于大型调相机来说，其励磁绕组匝间短路最初并非十分的严重，大多数情况下，仅是在绕组匝间有稍许的接触，然而这一情况是十分不平稳的。从某种程度来看，调相机的励磁绕组电流越来越大，无功功率不断下降，使轴承振动幅度不断加大。通常而言，励磁绕组匝间短路最开始时，调相机还是可以继续运行的。倘若工作条件不佳，比如在三相负荷不对称时，调相机中将产生负序旋转磁场，导致出现匝间短路的转子绕组产生倍频电动势，形成短路回路。随着短路电流越来越大，短路点温度越来越高，转子绕组绝缘老化加剧，这一情况不断反复。因此存在轻微转子匝间短路故障的调相机如果继续长期运行下去，最终会导致严重的故障。当前大型调相机结构复杂，维修价格非常高，调相机内部一旦出现较为严重的故障甚至非计划停机，会使电力系统的稳定性和安全性受到影响，造成巨大的经济损失和社会影响。

4、对于调相运行的同步机组，励磁电流需要频繁、快速变化，导致转子绕组在槽内反复伸缩位移，容易造成匝间绝缘破损和绕组端部变形搭接，引发转子绕组匝间短路故障，导致机组振动加剧、大轴磁化等问题，甚至会诱发转子一点或两点接地故障。然而针对调相机转子绕组匝间短路的相关判别方法还较少，且实验数据较少，因此需要一种对调相机转子绕组进行故障诊断的方法。

5、公布号为112327208a的发明专利公开一种调相机转子绕组匝间短路的故障诊断方法及装置，通过采集调相机不同运行工况下的励磁电流，通过小波降噪以及小波包分解与重构提取特征值，构成特征向量输入径向基函数神经网络，获取到调相机转子绕组当前的故障状态。所述神经网络模型训练后包含励磁电流与匝间短路程度之间的非线性映射。该发明提供的方法运算复杂，诊断精度不高，不能满足需求。

6、公布号为113156309a的发明专利公开了一种种同步调相机转子绕组微弱匝间短路故障诊断方法，实时采集同步调相机的气隙磁密、转子振幅和定子振幅，选取故障前后同步调相机的气隙磁密、转子振幅和定子振幅作为证据体；计算故障前后三种证据体的基本信任分配函数，并采用证据融合规则将三种信任分配函数进行融合，计算故障信任分配值，并将其与故障判定阈值相比较，若故障信任分配值大于障判定阈值，判定存在故障，构建含同步调相机的高压直流输电的场-路-网耦合仿真模型，进行仿真验证。该发明提供的方法运算复杂，诊断精度不高，不能满足需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种基于函数构建的转子绕组匝间短路的检测方法，该方法通过改变调相机的励磁电流，记录调相机在各励磁电流下的关键电气状态量，并根据调相机的两种不同工作状态，分段构建出空载电动势关于励磁电流的函数，用于调相机的转子绕组匝间短路故障诊断。

2、本发明的技术方案是：

3、基于函数构建的转子绕组匝间短路的检测方法，包括如下步骤：

4、s1.通过改变调相机的励磁电流，记录调相机在各励磁电流下的电气状态量，记录欠励状态下、过励状态下电气状态量；

5、s2.提取各短路阶段的定子电流及机端电压，由运行机组的电压方程求出空载电动势的实际值e0；

6、s3.根据调相机的欠励状态下、过励状态下电气状态量，分别在该两种状态下构建空载电动势计算函数；在过励状态下构建出空载电动势关于励磁电流的函数一，在欠励状态下构建出空载电动势关于励磁电流的函数二；

7、s4.由欠励状态下、过励状态下构建的函数一和函数二分别得到空载电动势与励磁电流关系曲线，计算得到对应的期望空载电动势值

8、e′0；

9、s5.采用不分段的方式将步骤s3得到的欠励状态下、过励状态下的空载电动势与励磁电流关系曲线分别进行拟合，得到与曲线对应的拟合函数；

10、s6.当励磁绕组发生匝间短路时，依据下式期望电动势与实际电动势的相对偏差值判断是否发生短路故障，即：

11、

12、式中：e′0表示空载电动势的期望值，e0表示空载电动势的实际值；

13、s7.将故障判据a％与设定阈值进行比较判定该机组是否存在转子绕组匝间短路故障。

14、具体的，所述的电气状态量包括调相机励磁电流、定子电流、端电压有效值、同步电抗及功率因数角。

15、′

16、具体的，还包括分析和验证期望空载电势性能e0的验证，具体使用有限元仿真软件仿真搭建机组的二维有限元模型，再进行外围电路模型的搭建，模型中机组状态稳定后励磁电流沿斜坡缓慢减小，得到变化的励磁电流与空载电动势之间的关系。

17、具体的，所述的有限元仿真分两次进行，分别针对机组在过励、欠励下的运行特性。

18、具体的，根据故障判据a％的大小判断转子绕组匝间短路故障的程度：a％数值越大，则说明转子绕组匝间短路故障程度越严重。

19、具体的，所述故障判据a％的阈值设定为0.4％。

20、目前在调相机组采用的转子绕组匝间短路故障在线诊断方法主要是线圈探测法、励磁电流法和轴电压法。线圈探测法的原理是：在调相机定子铁心段之间伸入探测线圈检测转子绕组的槽漏磁通，由于发生转子绕组匝间短路的槽绕组有效匝数减少，其漏磁通比转子另一磁极对应槽漏磁通小，通过对比探测线圈切割各槽漏磁通所感应的脉冲电动势幅值即可诊断汽轮调相机是否存在转子绕组匝间短路故障。但是，该方法有如下缺点：①调相机负载时定子绕组的漏磁场对探测线圈信号形成干扰，调相机重载时情况尤为严重，导致故障不明显，故障识别的灵敏性急剧下降；②汽轮调相机转子槽窄而深，当转子绕组匝间短路故障发生在转子槽底层且短路匝数较少时，对槽口漏磁通的影响有限，不足以形成明显的故障特征，因此该方法不适用检测发生在槽底部的轻微转子绕组匝间短路故障。③线圈探测法通常需要专业技术人员通过观察探测线圈波形判断是否存在转子绕组匝间短路故障，从故障发生到故障判定有较长时间的延迟，实际上不能算作实时的故障检测方法。

21、励磁电流法的原理是：调相机出现转子绕组匝间短路故障后气隙磁动势的幅值下降，调相机励磁电流会有所增加，将励磁电流的理论值与实际值进行比较，当两者的偏差超过一定范围时即可断定调相机存在转子绕组匝间短路故障。该方法通常设置励磁电流的相对变化量阈值为2.5％，只有汽轮调相机发生2匝以上的匝间短路故障时才可以有效判定。

22、尽管目前对调相机转子绕组匝间短路故障的在线检测十分重视，但现有的各种诊断方法在应用中都还存在一些不足，发电厂发生转子绕组匝间短路故障后未能及时发现而造成严重后果的事例屡见不鲜，因此有必要进一步提高此类故障的诊断水平。

23、调相运行同步机组普遍采用自并励励磁方式，这种励磁方式机组励磁电流可测，因此，一些依赖于励磁电流准确测量的转子绕组匝间短路故障在线检测方法在这些机组上具有适用性。在工作状态方面，调相运行机组有功功率近似为零，气隙磁场几乎不存在扭斜现象，这使得相关检测方法的效果与调相机不同，研究特定检测方法在调相运行机组上的适用性及诊断效果是当前亟待开展的研究任务。

24、本发明的有益效果是：本发明提供的基于函数构建的转子绕组匝间短路的检测方法，基于期望电动势法检测励磁宽区间变化时转子绕组匝间短路的电动势函数构建，根据调相机的工作状态，分段构建空载电动势计算函数，相对于传统期望电动势法中的不分段的电动势函数构建，多段精细化提高了空载电动势的计算精度，由此实现降低故障判别阈值，带来转子绕组匝间短路故障诊断精度的提高，有效降低发生误判的概率。