基于频率切片小波包分析的发电机匝间轻微绝缘故障辨识方法
2022-01-17华电福新能源有限公司华安水力发电厂魏友金林春斌张诏昌叶旭岚
华电福新能源有限公司华安水力发电厂 魏友金 林春斌 张诏昌 叶旭岚
南京瓦瑞电力科技有限公司 许海洋 罗永生
发电机转子工作时高速运转产生很大的离心力，加上流过的电流大，有时还会流过短路电流，所产生的热应力也较大，造成发电机转子绕组端部变形[1]，并极有可能发展为匝间短路故障，这种故障在初期不明显，准确辨识转子绕组匝间短路故障具有重要意义。
对绕组匝间绝缘的准确判断多年以来都是研究人员关注的重点问题。已经提出的诊断方法有转子直流电阻法、交流阻抗法、探测线圈法和重复脉冲法(Repetitive surge oscillograph，RSO)等，但直流电阻法、交流阻抗法和探测线圈法存在灵敏度低等问题；重复脉冲法则可以通过分析特征曲线判断转置绕组是否存在绝缘故障，由于上述判断是依据重复脉冲的行波传播过程的特征，因此研究其在发电机转子绕组中的响应特性尤为重要。
1 重复脉冲法改进方法
1.1 RSO 基本原理
RSO 基本原理是在转子两端同时注入高频脉冲信号，考虑到转子绕组的结构特征，可以将其集总参数模型作为等效，注入高频信号（图1）。高频重复脉冲信号通过各匝线圈以某一速度向对侧传播，图1中，Lw为转子绕组线圈电感，正常运行时各匝线圈电感均相同，M(k-1,k)为线圈间互感；Ctk为线圈匝间电容、Cg,k，Rg,k分别为线圈各匝对地杂散电容和绝缘电阻、Rw为绕组各匝线圈电阻，Rtk为线圈匝间绝缘电阻。
图1 发电机绕组等效模型
由于转子绕组对称，两端所施加的重复脉冲信号以一定的频率在绕组两端交替传播。如果无故障则会测得两个完全一样的波形，当存在绕组匝间短路点时，不同位置处，两侧行波发生反射、折射的时刻及程度也不相同，所以绕组匝间的波形信号中含有匝间短路故障信息，RSO 原有算法则是通过对反射信号与模拟匝间短路的故障曲线加以对比，判断匝间绝缘损坏情况。这种方法需要首先得到匝间短路的故障曲线数据，且当匝间绝缘破损轻微时这种对比区别不明显。
1.2 频率切片小波能量谱分析
忽略非相邻绕组匝间互感，在绕组匝间绝缘完好时，图1所示的各匝线圈的绝缘电阻与匝间电容都不会相差很大，但绝缘破损后上述两个参数将发生变化，造成阻抗变化不连续，当匝间短路不在转子绕组的正中间时，反射波到达转子两端后会呈现不同的合成波形。匝间电容的变化会影响到暂态电压信号的反射波振荡频率，采用小波包能量谱的方法对暂态波形进行分析，可通过一致性检查来辨别绝缘破损或异常的线匝，而无需提前知晓正常情况下的电压信号波形。频率切片小波变换具有更高的时频分辨率，可利用这一点进行绝缘参数及其变化的辨识：
2 暂态响应信号的功率谱分析
应用小波变换的具有的时频两域都辨识信号局部特征的能力，可以对两侧重复脉冲信号在绕组匝间的暂态响应进行功率谱特征提取，由粗及精地逐步观察信号，确定其故障点位置。频率切片小波变换(Frequency Slice Wavelet Transform,FSWT)的方法因同时具备了快速傅里叶变换与小波变换两种方法的优点，并且FSWT 引入了尺度因子和频率切片函数(Frequency Slice function,FSF)，可以使信号同时在时频域上得到良好的描述，在此可使用FSWT 方法对发电机转子绕组匝间绝缘故障进行诊断。
具体步骤如下：根据发电机实际参数，搭建转子绕组等效集总参数模型，并输入电压波形数据，获取绕组绝缘正常情况下的各绕组匝间暂态响应波形，以验证集总参数模型的正确性；在等效电路的两端发送高频重复脉冲信号，记录转子绕组正常情况下的暂态响应波形，并对其进行FSWT 分析，作为故障后的参照对比；选取某一匝线圈等值参数，根据绝缘老化的规律，分别设置匝间参数的变化梯度，注入高频重复脉冲信号，得到一系列匝间绝缘破损直至击穿后的匝间电压暂态响应波形参数；利用小波变换对匝间电压响应波形进行功率谱分析，对比各匝间电压频谱分析结果，确定绝缘故障位置。
3 算例分析
某汽轮发电机转子有10个槽，理想状态下，认为各槽漏磁通在感应线圈中的感应电动势相等，不考虑噪声和不影响问题本质的基础下，搭建转子绕组仿真模型如图2所示：
图2 发电机转子绕组集总参数模型
图3 转子绕组正常时RSO 暂态响应波形
分别取第1、2匝间绝缘轻微破损故障，其匝间绝缘电阻和电容变化率在10%左右，则可分别得到FSWT 的分析结果如图4、图5所示：
图4 转子绕组绝缘正常仿真信号的FSWT 结果
图5 转子绕组匝间绝缘轻微破损仿真信号的FSWT 结果
对比图4和图5可以明显地看到，当匝间绝缘存在轻微破损导致等值电路中的匝间电容与电阻变化10%以内时，采用切片频率方法可以很明显的表征出频率变化的波动性，故可以判断出发电机转子绕组存在绝缘故障。
综上，本文基于发电机转子绕组等效模型，提出对重复脉冲振荡暂态响应进行频率切片小波变化的方法，以便对发电机转子绕组正负极电压信号进行分析，以突出故障特征、提高绝缘破损的辨识程度，具有较高的工程应用价值。
