定子繞組匝間短路分析與故障診斷

摘 要：提出大型汽輪發(fā)電機定子匝間短路階躍式惡化過程的特征量在一段時間內(nèi)是穩(wěn)態(tài)的，基于此的數(shù)學(xué)模型可以作為故障識別的理論依據(jù)。針對故障匝建立復(fù)合序網(wǎng)，具體分析了故障相電流的變化和縱向零序電壓產(chǎn)生作為穩(wěn)態(tài)故障特征量的數(shù)學(xué)模型，并且做出算例程序可行性驗證。

關(guān)鍵詞：定子；匝間短路；故障；分析；診斷

0 前言

同步發(fā)電機主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子主要由鐵心、繞組及機座組成。鐵心是磁路的一部分，其內(nèi)腔均勻沖槽，槽中嵌放對稱三相繞組。定子繞組相間或匝間絕緣的破壞，將形成嚴重的相間或匝間短路。對于相間短路，國內(nèi)外均裝設(shè)縱聯(lián)差動保護裝置，但其不能反應(yīng)匝間短路。定子繞組匝間短路是破壞性很強的發(fā)電機內(nèi)部常見故障，對其的保護和狀態(tài)監(jiān)測遠非完善，還需要從理論上進一步定性和定量分析發(fā)掘故障特征。

1 定子匝間短路的對稱分量法分析

發(fā)電機定子通常從匝間短路開始積累到機組故障停機有一個時間過程，這段時間內(nèi)的故障特征為通過狀態(tài)監(jiān)測早于保護識別匝間故障提供了可能。由于匝間短路是一個逐步階梯狀積累的過程，其故障逐步形成過程中每一狀態(tài)都將持續(xù)一定的時間。發(fā)電機定子繞組匝間短路是一種縱不對稱的故障形式，這為使用對稱分量法對其故障特征進行基于狀態(tài)監(jiān)測的分析提供了理論基礎(chǔ)，其中確定繞組短路電流中有正序、負序和零序分量，且各序電流相等，同時短路初瞬也出現(xiàn)非周期分量。

由于中性點附近的匝間短路靈敏度最低，這里的研究將同相同分支和同相不同分支匝間短路的分析等效處理為短路點對中性點短路作為進行復(fù)合序網(wǎng)計算的條件，如圖1、圖2、圖3所示：

本文的序網(wǎng)是一個穩(wěn)態(tài)參數(shù)下的序網(wǎng)，計算序網(wǎng)的主要目的在于揭示和提供狀態(tài)監(jiān)測特征量的理論依據(jù)。復(fù)合序網(wǎng)的計算值和實測值比較相符，這里作為理論分析依據(jù)有其科學(xué)性與合理性。

（1）匝間短路穩(wěn)態(tài)序阻抗的確定。

設(shè)發(fā)電機的一相繞組中有α份額匝間短路。在考慮漏抗影響情況下，短路部分的正序電抗Xα1由定子漏抗Xl和直軸同步電抗Xd修正：

Xα1=kX1α+(Xd-kXl)α2

定子漏抗Xl包括槽漏抗、諧波漏抗和端部漏抗三部分，短路部分的諧波漏抗和槽漏抗被認為是和短路匝數(shù)成正比，余下直軸同步電抗的短路部分包括端部電抗被認為是和短路匝數(shù)的平方成正比。k為相應(yīng)漏抗中與匝數(shù)成正比部分的系數(shù)，對于汽輪發(fā)電機k取0.6～0.8，對于水輪發(fā)電機k取0.85～0.9。

短路部分的負序電抗Xα2同樣由定子漏抗X1與負序電流電樞反應(yīng)電抗從兩部分修正：

Xα2=kX1α+(Xd-kXl)α2

由于零序電流只在各相繞組本身產(chǎn)生漏磁通，零序電抗等同于漏抗，短路部分的零序電抗Xα和漏電抗認為與匝數(shù)成正比：

Xα0=X1α=X0α

短路部分的每個序阻抗的電阻與匝數(shù)成正比均等于αR，短路線匝的電阻αR很小，可以忽略。匝間短接的過渡電阻很難確定，作為近似計算取標(biāo)么值等于0.004～0.01。

（2）單分支機組單機運行匝間短路狀態(tài)分析

設(shè)單分支機組單機運行有α份額匝間短路，應(yīng)用對稱分量法作復(fù)合序網(wǎng)如圖4：

圖中αE是短路線匝在故障前的電勢，序電流計算公式如下：

在單機與系統(tǒng)并列運行的匝間短路狀態(tài)分析中，可以在相應(yīng)未短路側(cè)串入系統(tǒng)的序阻抗構(gòu)成回路進行分析。

（3）多分支機組并列運行匝間短路狀態(tài)分析

設(shè)每相有n個并聯(lián)分支繞組，不考慮各分支間的互感，對于每相正序電抗為Xd，則單個分支的正序電抗等于nXd，負序和零序電抗類似處理。一個分支的α份額繞組匝間短路時，短路部分的各序電抗等同于nXαl，nXα2及nXαo做出復(fù)合序網(wǎng)如圖5所示。應(yīng)用復(fù)合序網(wǎng)可以計算出短路電流的各序值和全電流值，也可以算出機端零序電壓。

圖中E為短路前相電勢。因為系統(tǒng)的中性點與發(fā)電機的中性點無連接，故系統(tǒng)零序電抗為無限大。（Xd—Xαl）為發(fā)電機繞組未短路部分的正序電抗。（X2－Xα2）為發(fā)電機繞組未短路部分的負序電抗。按照如上序網(wǎng)圖，通過串、并聯(lián)化簡，可以求出總的正序、負序和零序電抗X1Σ，X2Σ和XoΣ。

則各序電流：

由以上故障分析可見在匝間短路時，發(fā)電機內(nèi)部將出現(xiàn)縱向負序及零序電源，因而在繞組中產(chǎn)生負序及零序電流，發(fā)電機端部出現(xiàn)負序電壓及對中性點的零序電壓?？v向零序電壓是發(fā)電機三相對發(fā)電機中性點的不平衡電壓，它取自專用電壓互感器的三次開口電壓回路，是定子繞組匝間短路獨有特征量，并常被用作為發(fā)電機匝間短路的主保護。

2 定子匝間短路故障對策分析

2.1 繼電保護存在的問題

根據(jù)發(fā)電機故障統(tǒng)計資料，定子繞組匝間短路次數(shù)較少，大型發(fā)電機（特別是汽輪發(fā)電機）很多不裝設(shè)匝間短路保護。當(dāng)發(fā)生匝間短路時，發(fā)電機持續(xù)被匝間短路電流損傷，定子鐵心嚴重?zé)龎?，直到故障發(fā)展到相間短路，縱差保護才動作，這種事例并非個別。這其中有部分問題是繼電保護很難解決的，其給狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了很大的科研應(yīng)用空間。按照國標(biāo)GB14285-93規(guī)定，定子繞組匝間短路應(yīng)裝設(shè)保護，在匝間短路時立即將發(fā)電機從電網(wǎng)切除并滅磁和停機。

基波縱向零序電壓保護可以反應(yīng)發(fā)電機的定子繞組匝間短路或開焊故障而動作，但其保護裝置較復(fù)雜、靈敏度低，且可能引起某些誤跳閘。

轉(zhuǎn)子二次諧波電流保護并不等同于定子負序電流保護，因為后者僅反映機端定子電流的負序分量，而前者反映的是整個定子三相繞組中的負序分量（包括匝間短路環(huán)電流），因此前者比后者靈敏。轉(zhuǎn)子諧波二次電流保護中啟動元件與選擇元件的配合要求十分嚴格，容易發(fā)生誤動作，整定較困難，須用專門的轉(zhuǎn)子回路電抗變壓器。

2.2狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的應(yīng)用前景分析

由上述可知，大型汽輪發(fā)電機定子匝間短路缺乏可靠的保護，由于結(jié)構(gòu)上的原因，部分機組甚至沒有設(shè)置相應(yīng)保護，為系統(tǒng)安全運行留下隱患。發(fā)電機定子繞組匝間短路故障過程中存在若干個逐步惡化的階段，其故障過程伴隨一定的特征量，每一階段時間內(nèi)其故障狀態(tài)是相對穩(wěn)定的，這為實時狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)提供了應(yīng)用空間。復(fù)合序網(wǎng)可以計算出短路線匝的各序電流、匝間短路全電流和縱向基波零序電壓以及估算出匝間短路時在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出二次諧波的大小。因此傳統(tǒng)復(fù)合序網(wǎng)的分析計算為此提供了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷分析的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。

定子匝間短路可以產(chǎn)生的特征量有定子電流、電壓的基波分量和負序分量，轉(zhuǎn)子二次諧波電流等。在保護領(lǐng)域，通過單一特征量作為閥值判別故障，在靈敏度不高和有其它故障影響的時刻容易誤判。若用多個特征量分別對同種故障設(shè)置閥值進行衡量，則由于各自靈敏度不一致，故障評判在一些情況下會難以統(tǒng)一。在狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，可以同時采集多個特征量作為一組數(shù)據(jù)并與故障映射建立樣本，多組數(shù)據(jù)構(gòu)成資料庫來形成故障經(jīng)驗而且便于使用智能技術(shù)對故障的識別和評判。

3 定子繞組匝間短路故障識別仿真分析

大型汽輪發(fā)電機定子繞組匝間短路持續(xù)過程中會出現(xiàn)定子故障相正序電流變小與產(chǎn)生負序電流和縱向基波零序電壓的特征。筆者基于該理論基礎(chǔ)將故障特征負序電流與正序電流、定子正序電流與縱向基波零序電壓分別組合構(gòu)成判據(jù)進行智能在線識別匝間短路故障的驗算。仿真對象為一臺具體的大型汽輪發(fā)電機，這里針對其故障匝建立復(fù)合序網(wǎng)，依據(jù)故障特征量穩(wěn)態(tài)值的數(shù)學(xué)計算模型進行編程，產(chǎn)生特征數(shù)據(jù)，通過編寫的動態(tài)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序?qū)μ卣鲾?shù)據(jù)進識別，達到驗證其合理性與可行性的目的。

一臺大型汽輪發(fā)電機600MW，每相兩分支并聯(lián)，參數(shù)Xd=2.11，系統(tǒng)阻抗Xs=0.2， Xl=0.14，k取0.7，X2=0.215 ，Rg= 0.006?；趶?fù)合序網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，對應(yīng)不同的匝間短路百分比產(chǎn)生訓(xùn)練樣本。

算例1：基于定子正序電流與縱向基波零序電壓組合作為故障識別判據(jù)的部分樣本數(shù)據(jù)如表1所示。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的個數(shù)為1，隱含層神經(jīng)元的個數(shù)設(shè)為11，訓(xùn)練樣本為80個，對故障數(shù)據(jù)的訓(xùn)練目標(biāo)為1。將四組不同短路匝比下的特征數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練后的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，診斷結(jié)果如表2，可以看出匝間短路故障可以在比較高的確信度下被確認。

表1中零序電壓標(biāo)示數(shù)值較小，但測量出的實際有名值并不小，通常在幾伏范圍內(nèi)，在保護理論中也認為縱向零序電壓可以靈敏的反映匝間短路，但數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)基波零序電壓和三次諧波電壓分量的存在容易造成誤動。從表1中可以看出，在短路匝數(shù)可能較少的情況下，故障相電流的變化并不明顯，而且電流受系統(tǒng)運行方式和動態(tài)調(diào)整影響很大，電流在一定范圍內(nèi)減小屬于正常范疇，若是再結(jié)合負荷變化進行判斷應(yīng)該可以提高精確性。

算例2：對應(yīng)躲開不對稱運行時，不同短路匝比下基于特征負序電流與正序電流組合作為故障識別判據(jù)的部分樣本數(shù)據(jù)，如表3所示。從表3中可以看出，負序電流標(biāo)么數(shù)值較小，而且與短路匝數(shù)呈非線性關(guān)系，但實際測量出的有名值并非很小。在短路匝數(shù)較少的情況下，故障相電流的變化不明顯。

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的個數(shù)為1，隱含層神經(jīng)元的個數(shù)設(shè)為11，訓(xùn)練樣本為76個，對故障數(shù)據(jù)的訓(xùn)練目標(biāo)為1。經(jīng)過64次訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)誤差達到要求，其輸出為0.9448。

同樣將四組不同短路匝比下的特征數(shù)據(jù)輸入基于該樣本訓(xùn)練后的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，診斷結(jié)果如表4，可以看出匝間短路故障可以在比較高的確信度下被確認。在訓(xùn)練樣本不夠大的情況下，每次的診斷輸出是有一定差異的，在本研究中，差異大概幾個百分點的范圍內(nèi)。隨著訓(xùn)練樣本數(shù)量的增多，和對訓(xùn)練目標(biāo)的提高，各次的診斷輸出會更加趨近于一致。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。