抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法

2023-10-04 11:11:09 3

抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法
【專利摘要】本發明是一種抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法，本發明利用主保護所配置的分支組電流互感器，從每相電流中提取特定諧波分量，計算其總有效值作為故障特徵量，並由電機正常運行工況下近似與勵磁電流成正比的分支電流固有分數次諧波分量來構成監測報警值，當故障特徵量大於監測報警值時發出勵磁繞組匝間短路故障的故障報警信號。本發明通過對發電電動機額定聯網發電運行工況下時發生勵磁繞組匝間短路的分析，提取出勵磁繞組匝間短路區別於定子內部短路和各種機端外部短路等其它電機常見故障的獨有特徵，實現對每相七分支發電電動機勵磁繞組匝間短路的在線監測。
【專利說明】抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法

【技術領域】
[0001] 本發明是一種抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法，特別是 一種針對每相七分支抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障的在線監測方法，屬於抽 水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法的創新技術。

【背景技術】
[0002] 20世紀90年代開始，我國抽水蓄能電站進入快速發展時期，特別是近幾年來，大 量新機組陸續投入運行，國產機組也陸續得以使用。然而由於抽水蓄能發電電動機轉速高， 單機容量大，而且機組運行工況複雜、啟動頻繁，運行環境較一般水輪發電機更惡劣，同時 隨著抽水蓄能電站機組運行年限的增長，使得發電電動機的事故和故障頻發，安全穩定問 題日￡fL關出。
[0003] 勵磁繞組匝間短路是同步發電機常見的一種電氣故障，會造成勵磁電流顯著增 力口，發電機輸出無功功率減小，機組振動加劇，短路點處的局部過熱還可能使故障演化為轉 子一點甚至兩點接地故障，損壞轉子鐵芯並可能引起轉子大軸磁化，嚴重情況還會燒傷軸 頸和軸瓦，給機組的安全運行帶來巨大威脅。而抽水蓄能電站的發電電動機，由於運行工況 更加複雜、需要頻繁進行啟動，勵磁繞組匝間短路的發生概率比一般水輪發電機更高。
[0004]目前檢測電機勵磁繞組匝間短路故障的傳統方法主要包括：開口變壓器法、交流 阻抗和功率損耗法、直流阻抗法、空載及短路特性試驗法等，這些檢測方法都無法在實際 運行工況下檢測。而多年現場運行情況表明，轉子旋轉中勵磁繞組承受離心力造成繞組間 的相互擠壓及移位變形、勵磁繞組的熱變形、通風不良造成的局部過熱等是造成勵磁繞組 匝間短路的重要原因，這些原因引起的故障通常只有在電機實際工況運行時才有所顯現。 因此，實現對轉子繞組匝間短路故障的在線監測或保護顯得尤為必要。
[0005] 由於認識到定子繞組內部短路故障會對發電機造成嚴重的破壞，現在大型水輪發 電機以及發電電動機已普遍安裝了主保護來反應這種故障，達到及時切除以避免或減輕故 障損害的目的。比如某抽水蓄能電站的發電電動機，單機容量320麗，7對極，每相7分支， 已配置了 5套原理不同的主保護，如圖1所示，即將每相的1、2、3分支接在一起，形成中性 點O1 ;將每相的第4分支接在一起，形成中性點O2 ;再將每相的5、6、7分支接在一起，形成 中性點〇3。在每相的1、2、3分支組和5、6、7分支組上裝設TPY型分支電流互感器TAl? TA6,構成一套不完全裂相橫差保護，並分別與機端TPY型相電流互感器TA7?TA9構成兩 套不完全縱差保護；此外，在O1-O2之間以及〇1_〇2之間分別接一個P級電流互感器（TA01和 TA02)，構成兩套零序電流型橫差保護。該發電電動機的定子繞組一旦發生內部短路，三相 電流不再對稱，同相各分支電流也不再相等，會產生差動電流進入各種主保護裝置。當差動 電流的基波分量足夠大時，主保護快速動作，發電電動機會被切除從而避免產生嚴重損壞。
[0006] 而研究表明，勵磁繞組匝間短路故障後定子相繞組內部各分支電流不再相等，會 出現1/P、2/P……等分數次諧波的不平衡電流（P為發電機極對數），從理論上講，這種故障 特徵能被各種橫差保護和不完全縱差保護的電流互感器所反映。但考慮到實際運行情況， 準確而有效地提取這些故障特徵的難度很大，一方面是因為保護用電流互感器的準確工作 頻率範圍為10-70HZ，只能反映某些頻率的分數次諧波不平衡電流；另一方面，當短路匝數 較少時，分支（組）不平衡電流的各次諧波分量都非常小。
[0007] 勵磁繞組匝間短路故障引起的定子相繞組內部不平衡電流的頻率特徵與電機的 極對數有關。而即使是極數相同的電機，故障主要特徵量的頻率及大小還與定子繞組的分 布及聯接方式等因素有關，在不同電機上會出現不同的具體特點。上述抽水蓄能電站的發 電電動機已配置了多種主保護，結合該電機勵磁繞組匝間短路的故障特徵及其特徵量的大 小，可提出適用於該電機的故障特徵量提取方法、並藉助各種電流互感器來實現，從而對其 勵磁繞組可能出現的匝間短路故障進行實時在線監測。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的在於提供一種抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監 測方法，本發明能在不改變現有發電電動機中分支組電流互感器配置的基礎上，通過特定 算法提取出勵磁繞組匝間短路的故障特徵值，並與電機正常運行工況下提取的檢測報警值 相比較，形成基於勵磁繞組匝間短路故障的在線監測方法。本發明能靈敏地檢測出勵磁繞 組匝間短路故障，有效防止匝間短路故障擴大而損壞電機的勵磁繞組，提高發電電動機運 行可靠性。本發明只需在現有保護配置基礎上，添加相應的檢測算法，易於工程實現。
[0009] 本發明的技術方案是：本發明為抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障的在 線監測方法，利用主保護所配置的分支組電流互感器，從每相電流中提取特定諧波分量，計 算其總有效值作為故障特徵量，並由電機正常運行工況下近似與勵磁電流成正比的分支電 流固有分數次諧波分量來構成監測報警值，當故障特徵量大於監測報警值時發出勵磁繞組 匝間短路故障的故障報警信號。
[0010] 上述故障特徵量的獲取方法為：從每相第1-3分支總電流中提取出3/7次和4/7 次諧波分量，或者通過帶通濾波器得到15-35HZ的分量，計算其總有效值作為故障特徵量。
[0011] 本發明通過對發電電動機額定聯網發電運行工況下時發生勵磁繞組匝間短路的 分析，可提取出勵磁繞組匝間短路區別於定子內部短路和各種機端外部短路等其它電機常 見故障的獨有特徵，可實現對每相七分支發電電動機勵磁繞組匝間短路的在線監測。本發 明是一種方便實用的抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障的在線監測方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為每相七分支發電電動機主保護示意圖；
[0013] 圖2為每相七分支發電電動機全套分支電流互感器TA配置示意圖；
[0014] 圖3為同步電機磁極間磁動勢分布示意圖。

【具體實施方式】
[0015] 實施例：
[0016] 本發明為抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障的在線監測方法，特別是一 種針對每相七分支抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障的在線監測方法。本發明利 用主保護所配置的分支組電流互感器，從每相電流中提取特定諧波分量，計算其總有效值 作為故障特徵量，並由電機正常運行工況下近似與勵磁電流成正比的分支電流固有分數次 諧波分量來構成監測報警值，當故障特徵量大於監測報警值時發出勵磁繞組匝間短路故障 的故障報警信號。
[0017] 上述故障特徵量的獲取方法為：從每相第1-3分支總電流中提取出3/7次和4/7 次諧波分量，或者通過帶通濾波器得到15-35HZ的分量，計算其總有效值作為故障特徵量。
[0018] 本發明的抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障的在線監測方法，依次按以 下步驟進行：
[0019] (1)對投運後正常運行的電機，預採樣進入分支組電流互感器TAl?TA3的穩態電 流inOTal，並將採樣時刻、採樣值及相應的勵磁電流直流分量Ifinmial存儲成數字文件；
[0020] (2)利用公式

【權利要求】
1. 一種抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法，其特徵在於利用主 保護所配置的分支組電流互感器，從每相電流中提取特定諧波分量，計算其總有效值作為 故障特徵量，並由電機正常運行工況下近似與勵磁電流成正比的分支電流固有分數次諧波 分量來構成監測報警值，當故障特徵量大於監測報警值時發出勵磁繞組匝間短路故障的故 障報警信號。
2. 根據權利要求1所述的抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法， 其特徵在於上述故障特徵量的獲取方法為：從每相第1-3分支總電流中提取出3/7次和 4/7次諧波分量，或者通過帶通濾波器得到15-35HZ的分量，計算其總有效值作為故障特徵 量。
3. 根據權利要求1所述的抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法， 其特徵在於依次按以下步驟進行： (1)對投運後正常運行的電機，預採樣進入分支組電流互感器TAl?TA3的穩態電流 in_al，並將採樣時刻、採樣值及相應的勵磁電流直流分量Ifinmial存儲成數字文件；
,計算出正常運行中分支組電流互感器TAl? TA3的電流總有效值 Inormal ? 式中：T為採樣電流的周期，T = P/&，其中&為工頻，P為極對數，Inmial為電流總有效 值，t為時間； (3) 對正常運行中進入分支組電流互感器TAl?TA3的穩態電流inOTmal的採樣瞬時值， 利用傅立葉濾波算法計算出其基波電流有效值L、3次諧波電流有效值13、5次諧波電流有
，計算出正常運行中TAl?TA3的固有 附加諧波電流總有效值Iah ; (4) 實時監測發電機運行中進入分支組電流互感器TAl?TA3的電流並進行採樣，同時 存儲下勵磁電流直流分量Ifd ; (5) 對步驟（4)採集到的電流，從每相第1-3分支總電流中提取出3/7次諧波分量 13/7和4/7次諧波分量14/7，或者通過帶通濾波器得到15-35HZ的分量，計算出總有效值
(6) 實時計算監測靈敏度K = Ifd._al/Ifd ? IJIah ; (7) 設定靈敏度限值Ksrt，當監測靈敏度K>Ksrt時，發出勵磁繞組匝間短路的故障報警 信號。
4. 根據權利要求3所述的抽水蓄能發電電動機勵磁繞組匝間短路故障在線監測方法， 其特徵在於上述工頻= 50Hz。
【文檔編號】G01R31/06GK104345247SQ201410560093
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】陳滿, 聶靚靚, 孫宇光, 黃俊愷, 陶詩迪 申請人:中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司