汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷方法的精度改進研究

武玉才,袁浚峰,董晨晨,李永剛

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

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汽輪發電機轉子匝間短路故障診斷方法的精度改進研究

武玉才,袁浚峰,董晨晨,李永剛

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

采用虛功率原理診斷汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障時，空載電動勢關于勵磁電流的擬合函數E0=f(If)的精度對診斷起到關鍵性作用。以發電機現場運行數據為基礎，對比了單一函數擬合和按有功分組擬合的計算誤差，得到有功相同情況下E0與If的近似線性化關系，并通過研究一次函數的斜率和截距與發電機有功功率之間的關系，提出了擬合函數的新構建方法，即對擬合函數的斜率和截距進行二次擬合得到空載電動勢關于有功功率和勵磁電流的二元函數，改善了空載電動勢計算精度，有助于提高汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障診斷的靈敏性和可靠性。

轉子繞組匝間短路；虛功率；有功功率；擬合

0 引 言

近年來我國汽輪發電機已發生過多起轉子繞組匝間短路故障[1-9]，突發故障擾亂了發電廠的生產計劃，停機成本高，給生產運行帶來很大壓力[10]。若故障未能及時被發現，繼續發展下去可能引起轉子繞組接地、大軸磁化等嚴重故障，造成更為嚴重的經濟損失，對大型汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障進行監測和預報十分必要。

目前已提出的轉子繞組匝間短路故障在線診斷方法主要包括線圈探測法[11,12]、勵磁電流法[13]、軸電壓法[14～16]和虛功率法[17]。線圈探測法在發電機負載運行時受定子漏磁場干擾，診斷靈敏性下降，轉子槽底的輕微短路對槽口漏磁通的影響有限，不足以形成明顯的故障特征。此外該方法需要專家參與波形判斷，嚴格講不能算作實時的故障檢測方法。勵磁電流法將勵磁電流的理論值與發電機實際勵磁電流值進行比較，當兩者的偏差超過一定范圍時判定發電機存在轉子繞組匝間短路故障，該方法適用于靜止勵磁汽輪發電機，對于多匝短路可以有效診斷。軸電壓法利用轉軸端電壓的偶次或分數次特征諧波診斷轉子繞組匝間短路故障，受環境積污、滑動接觸速度較高等因素的影響，碳刷與轉軸接觸不可靠，需要定期清理和維護，信號中包含一些干擾，影響了輕微轉子繞組匝間短路故障的判定。虛功率法利用轉子繞組匝間短路故障后勵磁磁勢比繞組正常時下降的特點，提出通過比較電磁功率的期望值與實際值判定短路故障，其不足是：對于運行于調相狀態的汽輪發電機或者專門的調相機，由于其電磁功率基本為零，該判據并不適用。為此，文[18]提出同時利用電磁功率和無功功率偏差判定轉子繞組匝間短路故障，提高了該方法的適用性。不足之處是由于采用線性函數擬合空載電動勢與勵磁電流的關系，診斷精度稍低。

本文基于虛功率法的基本原理，研究了空載電動勢擬合函數的精度對轉子繞組匝間短路故障診斷的影響，認為采用一次函數擬合將產生較大的誤差，嘗試了將一次函數的斜率和截距線性化為有功功率函數的方法，計算誤差減小，隨后將一次函數的斜率和截距進行二次擬合，形成空載電動勢關于勵磁電流和有功功率的二元函數，有效地減小了空載電動勢的計算誤差，有助于提高轉子繞組匝間短路故障的診斷精度。

1 空載電動勢線性擬合的精度問題

圖1 汽輪發電機的時空相矢圖Fig.1 Turbine generator time-space vector

汽輪發電機正常運行狀態下氣隙磁場飽和程度基本不變(與額定工況相近)，空載電動勢基本上與勵磁電流之間呈線性關系，以QFSN-660-2、QFSN-600-2YHG和QFSN-300-2-20三種類型發電機為例，根據發電機相關參數及運行數據(附表1～6)得到勵磁電流與空載電動勢之間的關系，見圖2。

圖2 汽輪發電機空載電動勢與勵磁電流關系Fig.2 Relationships of turbine generator excitation current with no-load EMF

汽輪發電機的實際空載電動勢可以通過表達式(1)獲得：

從DCS獲取汽輪發電機正常運行數據，包括發電機相電壓U、有功功率P、無功功率Q和勵磁電流If等。根據式(1)求得空載電動勢，構建數組(If, E0)，通過曲線擬合得到空載電動勢關于勵磁電流的一次函數：

構建的空載電動勢函數式(2)的準確性決定了轉子匝間短路診斷方法的靈敏性和可靠性。以QFSN-660-2型汽輪發電機運行數據為例，如圖3所示，空載電動勢的一次函數擬合結果為

圖3 QFSN-660-2型發電機空載電動勢擬合Fig.3 Fitting of QFSN-660-2 turbine generator no-load EMF

根據式(3)中E0’的計算表達式與空載電動勢實際值E0，得出兩者之間的相對偏差，所得結果如表1所示。

表1 QFSN-660-2發電機空載電動勢偏差

2 空載電動勢計算方法的改進

將QFSN-660-2、QFSN-600-2YHG和QFSN-300-2-20三種發電機的運行數據按有功功率相近原則歸類(見附表1、附表2和附表4)，作出歸類后的發電機(If,E0)數組及其擬合曲線，見圖4～6。

圖4 QFSN-660-2發電機空載電動勢與勵磁電流關系Fig.4 Relationships of QFSN-660-2 generator excitation current with no-load EMF

圖5 QFSN-600-2YHG發電機空載電動勢與勵磁電流關系Fig.5 Relationships of QFSN-600-2YHG generator excitation current with no-load EMF

圖6 QFSN-300-2-20發電機空載電動勢與勵磁電流關系Fig.6 Relationships of QFSN-300-2-20 generator excitation current with no-load EMF

從圖4～6明顯看出，按照有功功率相近原則歸類后的(If,E0)關系曲線的斜率基本沿著同一方向，隨著有功功率增大曲線斜率略有下降，其在縱軸上的截距隨著有功功率的增加而增大。對圖4～6的每段曲線分別采用一次函數擬合，擬合結果見表2。

表2 按發電機有功分段的曲線擬合結果

以QFSN-660-2型發電機的擬合數據為例，觀察表2可知：所構建一次函數的斜率和截距并不是隨著有功功率按線性規律變化，斜率k在低有功P時減小較為緩慢，隨著P的增大，斜率k的下降速率變快；截距b在低有功P時增加較為緩慢，隨著P的增大，截距k的上升速率變快，下面根據表2列舉出k和b隨P的變化規律，見圖7和圖8中的離散點。通過曲線擬合可以得到k和b關于有功功率P的函數，見式(4)和式(5)。

圖7 一次函數斜率擬合Fi.7 Fitting of linear function slope

圖8 一次函數截距擬合Fig.8 Fitting of linear function intercept

借助式(4)、式(5)得到空載電動勢的計算表達式如下：

從式(6)可以看到，實際上空載電動勢是有功功率和勵磁電流(無功功率)的二元函數，構成了一個二維曲面，見圖9。對于任一特定的汽輪發電機，其函數表達式是固定的，因此，根據汽輪發電機勵磁電流和有功功率可以確定其任意時刻的空載電動勢理論值。

圖9 空載電動勢二維曲面Fig.9 No-load EMF 2D surfaces

以QFSN-660-2型發電機P=405 MW和503 MW時的運行數據作為驗證數據，將按式(6)得到虛空載電動勢，與離散數組(If,E0)對比，見圖10，計算值與實際值之間的偏差見表3。

圖10 空載電動勢計算值與實際值對比Fig.10 Comparison of no-load EMF calculated and actual value

Tab.3 QFSN-660-2 generator no-load EMF deviation after improvement

有功/MW編號E'0/kVE'0/kVE0'-E0E0'×100%P=405620.97420.908-0.316721.46821.4810.058821.73521.556-0.835922.36122.13-1.0441022.80622.8480.1821123.08722.989-0.4261223.80523.673-0.56P=5031324.59324.759 0.6691425.3525.346-0.0121525.78325.763-0.0761626.12826.08-0.1841726.86727.1671.1051826.96327.261.088

對比表1和表3可見：構建函數經過改進后空載電動勢的計算誤差明顯下降，最大值為1.105%。本文將QFSN-660-2型發電機按有功功率分為308 MW、405 MW、503 MW和600 MW，實際上每一組的有功并不完全相同，因此擬合得到的函數存在一定的偏差。此外，由于獲得的機組運行數據量不足，限制了進一步提高空載電動勢計算精度的空間。

當針對某一臺具體的汽輪發電機采用虛功率法進行轉子匝間短路故障在線監測時，可以調取其歷史運行數據，大量運行數據樣本可以顯著改善所構建函數的精確性，將空載電動勢偏差控制在0.5%以下是可以實現的，從而可以診斷出發電機最輕微的匝間短路故障。

3 結 論

本文研究了提高汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障診斷精度的途徑，得到以下結論：

(1)空載電動勢與勵磁電流的函數關系受發電機有功功率影響明顯，采用線性函數擬合的空載電動勢關于勵磁電流的函數具有較大的計算誤差。

(2)相同有功功率條件下的 (If,E0) 離散數組更接近于線性。對擬合函數的斜率和截距進行二次擬合可以得到空載電動勢關于有功功率和勵磁電流的二元函數，該函數的空載電動勢計算誤差顯著減小。

(3)空載電動勢的計算精度受到數據量的影響，大量獲取發電機歷史運行數據將進一步提升診斷精度。

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附表

表1 QFSN-660-2型汽輪發電機運行數據

表2 QFSN-600-2YHG型汽輪發電機運行數據

Tab.2 Running data of QFSN-600-2YHG turbine generator

編號有功P/MW無功Q/MVar端電壓U/V勵磁電流If/A136945.92060024402367-0.112040022403368-342020021204367-652000020205367-961990019206368-1191970018807368.8-144.41961018288480-0.32040026309483-32.220100252010481-6720000243011480-9819800237012481.6-1191969023231359173.9206003280145904.9120300308015586-27.920100294016586.5-86.9197902831

表3 QFSN-300-2-20型汽輪發電機參數

Tab.3 Main parameters of QFSN-300-2-20 turbine generator

項目數值額定功率/MW300額定電壓/V20000額定電流/A10190相數3額定勵磁電流/A2203額定功率因數0.85同步電抗標幺值(不飽和值)2.047定子繞組電阻/Ω0.001917轉速/r·min-13000接法YY

表4 QFSN-300-2-20型汽輪發電機運行數據

Tab.4 Running data of QFSN-300-2-20 turbine generator

表5 QFSN-660-2型汽輪發電機參數

表6 QFSN-600-2YHG型汽輪發電機參數

Tab.6 Main parameters of QFSN-600-2YHG turbine generator

Research on Improvement of Diagnostic Accuracy for Rotor Inter-turn Short Circuit Fault of Turbine Generator

WU Yucai, YUAN Junfeng, DONG Chenchen, LI Yonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

When turbine generator inter-turn short circuit of rotor windings is diagnosed by using virtual power principle, the accuracy of no-load EMF fitting function on the excitation currentE0=f(If) plays a key role. In this paper, on the basis of generator operating data from the site, the calculation errors of single function fitting and grouped fitting by active power are compared, the authors found the linear relationships betweenE0andIfunder the circumstances of same active power and studied the relations between slope and intercept of linear function with the active power of generator, thus a new construction method for the fitting function is proposed, which improves the calculation accuracy for no-load EMF, and it is helpful to improve the sensitivity and reliability of rotor winding inter-turn short circuit fault diagnosis of turbine generator.

inter-turn short circuit of rotor windings; virtual power; active power; fitting

項目數值額定功率/MW600額定電壓/V20000額定電流/A19245相數3額定勵磁電流/A4140額定功率因數0.9同步電抗標幺值(不飽和值)2.1613定子繞組電阻/Ω0.001488轉速/r·min-13000接法YY

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.05.04

2015-12-26.

TM341

A

1007-2691(2016)05-0022-07

武玉才(1982-)，男，講師，從事大型汽輪發電機在線監測與故障診斷技術等方面的研究工作；袁浚峰(1989-)，男，碩士研究生，從事大型汽輪發電機在線監測與故障診斷技術等方面的研究工作；董晨晨(1991-)，男，碩士研究生，從事大型汽輪發電機在線監測與故障診斷技術等方面的研究工作；李永剛(1967-)，男，教授，博士生導師，從事大型汽輪發電機在線監測與故障診斷技術方面的研究工作。