汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法的精度改进研究

武玉才,袁浚峰,董晨晨,李永刚

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)



汽轮发电机转子匝间短路故障诊断方法的精度改进研究

武玉才,袁浚峰,董晨晨,李永刚

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

采用虚功率原理诊断汽轮发电机转子绕组匝间短路故障时，空载电动势关于励磁电流的拟合函数E0=f(If)的精度对诊断起到关键性作用。以发电机现场运行数据为基础，对比了单一函数拟合和按有功分组拟合的计算误差，得到有功相同情况下E0与If的近似线性化关系，并通过研究一次函数的斜率和截距与发电机有功功率之间的关系，提出了拟合函数的新构建方法，即对拟合函数的斜率和截距进行二次拟合得到空载电动势关于有功功率和励磁电流的二元函数，改善了空载电动势计算精度，有助于提高汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断的灵敏性和可靠性。

转子绕组匝间短路；虚功率；有功功率；拟合

0 引 言

近年来我国汽轮发电机已发生过多起转子绕组匝间短路故障[1-9]，突发故障扰乱了发电厂的生产计划，停机成本高，给生产运行带来很大压力[10]。若故障未能及时被发现，继续发展下去可能引起转子绕组接地、大轴磁化等严重故障，造成更为严重的经济损失，对大型汽轮发电机转子绕组匝间短路故障进行监测和预报十分必要。

目前已提出的转子绕组匝间短路故障在线诊断方法主要包括线圈探测法[11,12]、励磁电流法[13]、轴电压法[14～16]和虚功率法[17]。线圈探测法在发电机负载运行时受定子漏磁场干扰，诊断灵敏性下降，转子槽底的轻微短路对槽口漏磁通的影响有限，不足以形成明显的故障特征。此外该方法需要专家参与波形判断，严格讲不能算作实时的故障检测方法。励磁电流法将励磁电流的理论值与发电机实际励磁电流值进行比较，当两者的偏差超过一定范围时判定发电机存在转子绕组匝间短路故障，该方法适用于静止励磁汽轮发电机，对于多匝短路可以有效诊断。轴电压法利用转轴端电压的偶次或分数次特征谐波诊断转子绕组匝间短路故障，受环境积污、滑动接触速度较高等因素的影响，碳刷与转轴接触不可靠，需要定期清理和维护，信号中包含一些干扰，影响了轻微转子绕组匝间短路故障的判定。虚功率法利用转子绕组匝间短路故障后励磁磁势比绕组正常时下降的特点，提出通过比较电磁功率的期望值与实际值判定短路故障，其不足是：对于运行于调相状态的汽轮发电机或者专门的调相机，由于其电磁功率基本为零，该判据并不适用。为此，文[18]提出同时利用电磁功率和无功功率偏差判定转子绕组匝间短路故障，提高了该方法的适用性。不足之处是由于采用线性函数拟合空载电动势与励磁电流的关系，诊断精度稍低。

本文基于虚功率法的基本原理，研究了空载电动势拟合函数的精度对转子绕组匝间短路故障诊断的影响，认为采用一次函数拟合将产生较大的误差，尝试了将一次函数的斜率和截距线性化为有功功率函数的方法，计算误差减小，随后将一次函数的斜率和截距进行二次拟合，形成空载电动势关于励磁电流和有功功率的二元函数，有效地减小了空载电动势的计算误差，有助于提高转子绕组匝间短路故障的诊断精度。

1 空载电动势线性拟合的精度问题

图1 汽轮发电机的时空相矢图Fig.1 Turbine generator time-space vector

汽轮发电机正常运行状态下气隙磁场饱和程度基本不变(与额定工况相近)，空载电动势基本上与励磁电流之间呈线性关系，以QFSN-660-2、QFSN-600-2YHG和QFSN-300-2-20三种类型发电机为例，根据发电机相关参数及运行数据(附表1～6)得到励磁电流与空载电动势之间的关系，见图2。

图2 汽轮发电机空载电动势与励磁电流关系Fig.2 Relationships of turbine generator excitation current with no-load EMF

汽轮发电机的实际空载电动势可以通过表达式(1)获得：

从DCS获取汽轮发电机正常运行数据，包括发电机相电压U、有功功率P、无功功率Q和励磁电流If等。根据式(1)求得空载电动势，构建数组(If, E0)，通过曲线拟合得到空载电动势关于励磁电流的一次函数：

构建的空载电动势函数式(2)的准确性决定了转子匝间短路诊断方法的灵敏性和可靠性。以QFSN-660-2型汽轮发电机运行数据为例，如图3所示，空载电动势的一次函数拟合结果为

图3 QFSN-660-2型发电机空载电动势拟合Fig.3 Fitting of QFSN-660-2 turbine generator no-load EMF

根据式(3)中E0’的计算表达式与空载电动势实际值E0，得出两者之间的相对偏差，所得结果如表1所示。

表1 QFSN-660-2发电机空载电动势偏差

2 空载电动势计算方法的改进

将QFSN-660-2、QFSN-600-2YHG和QFSN-300-2-20三种发电机的运行数据按有功功率相近原则归类(见附表1、附表2和附表4)，作出归类后的发电机(If,E0)数组及其拟合曲线，见图4～6。

图4 QFSN-660-2发电机空载电动势与励磁电流关系Fig.4 Relationships of QFSN-660-2 generator excitation current with no-load EMF

图5 QFSN-600-2YHG发电机空载电动势与励磁电流关系Fig.5 Relationships of QFSN-600-2YHG generator excitation current with no-load EMF

图6 QFSN-300-2-20发电机空载电动势与励磁电流关系Fig.6 Relationships of QFSN-300-2-20 generator excitation current with no-load EMF

从图4～6明显看出，按照有功功率相近原则归类后的(If,E0)关系曲线的斜率基本沿着同一方向，随着有功功率增大曲线斜率略有下降，其在纵轴上的截距随着有功功率的增加而增大。对图4～6的每段曲线分别采用一次函数拟合，拟合结果见表2。

表2 按发电机有功分段的曲线拟合结果

以QFSN-660-2型发电机的拟合数据为例，观察表2可知：所构建一次函数的斜率和截距并不是随着有功功率按线性规律变化，斜率k在低有功P时减小较为缓慢，随着P的增大，斜率k的下降速率变快；截距b在低有功P时增加较为缓慢，随着P的增大，截距k的上升速率变快，下面根据表2列举出k和b随P的变化规律，见图7和图8中的离散点。通过曲线拟合可以得到k和b关于有功功率P的函数，见式(4)和式(5)。

图7 一次函数斜率拟合Fi.7 Fitting of linear function slope

图8 一次函数截距拟合Fig.8 Fitting of linear function intercept

借助式(4)、式(5)得到空载电动势的计算表达式如下：

从式(6)可以看到，实际上空载电动势是有功功率和励磁电流(无功功率)的二元函数，构成了一个二维曲面，见图9。对于任一特定的汽轮发电机，其函数表达式是固定的，因此，根据汽轮发电机励磁电流和有功功率可以确定其任意时刻的空载电动势理论值。

图9 空载电动势二维曲面Fig.9 No-load EMF 2D surfaces

以QFSN-660-2型发电机P=405 MW和503 MW时的运行数据作为验证数据，将按式(6)得到虚空载电动势，与离散数组(If,E0)对比，见图10，计算值与实际值之间的偏差见表3。

图10 空载电动势计算值与实际值对比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编号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

对比表1和表3可见：构建函数经过改进后空载电动势的计算误差明显下降，最大值为1.105%。本文将QFSN-660-2型发电机按有功功率分为308 MW、405 MW、503 MW和600 MW，实际上每一组的有功并不完全相同，因此拟合得到的函数存在一定的偏差。此外，由于获得的机组运行数据量不足，限制了进一步提高空载电动势计算精度的空间。

当针对某一台具体的汽轮发电机采用虚功率法进行转子匝间短路故障在线监测时，可以调取其历史运行数据，大量运行数据样本可以显著改善所构建函数的精确性，将空载电动势偏差控制在0.5%以下是可以实现的，从而可以诊断出发电机最轻微的匝间短路故障。

3 结 论

本文研究了提高汽轮发电机转子绕组匝间短路故障诊断精度的途径，得到以下结论：

(1)空载电动势与励磁电流的函数关系受发电机有功功率影响明显，采用线性函数拟合的空载电动势关于励磁电流的函数具有较大的计算误差。

(2)相同有功功率条件下的 (If,E0) 离散数组更接近于线性。对拟合函数的斜率和截距进行二次拟合可以得到空载电动势关于有功功率和励磁电流的二元函数，该函数的空载电动势计算误差显著减小。

(3)空载电动势的计算精度受到数据量的影响，大量获取发电机历史运行数据将进一步提升诊断精度。

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附表

表1 QFSN-660-2型汽轮发电机运行数据

表2 QFSN-600-2YHG型汽轮发电机运行数据

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

编号有功P/MW无功Q/MVar端电压U/V励磁电流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型汽轮发电机参数

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

项目数值额定功率/MW300额定电压/V20000额定电流/A10190相数3额定励磁电流/A2203额定功率因数0.85同步电抗标幺值(不饱和值)2.047定子绕组电阻/Ω0.001917转速/r·min-13000接法YY

表4 QFSN-300-2-20型汽轮发电机运行数据

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

表5 QFSN-660-2型汽轮发电机参数

表6 QFSN-600-2YHG型汽轮发电机参数

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

项目数值额定功率/MW600额定电压/V20000额定电流/A19245相数3额定励磁电流/A4140额定功率因数0.9同步电抗标幺值(不饱和值)2.1613定子绕组电阻/Ω0.001488转速/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，讲师，从事大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术等方面的研究工作；袁浚峰(1989-)，男，硕士研究生，从事大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术等方面的研究工作；董晨晨(1991-)，男，硕士研究生，从事大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术等方面的研究工作；李永刚(1967-)，男，教授，博士生导师，从事大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术方面的研究工作。