基于頻率切片小波包分析的發(fā)電機匝間輕微絕緣故障辨識方法

華電福新能源有限公司華安水力發(fā)電廠 魏友金 林春斌 張詔昌 葉旭嵐

南京瓦瑞電力科技有限公司 許海洋 羅永生

發(fā)電機轉(zhuǎn)子工作時高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力，加上流過的電流大，有時還會流過短路電流，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較大，造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部變形[1]，并極有可能發(fā)展為匝間短路故障，這種故障在初期不明顯，準確辨識轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障具有重要意義。

對繞組匝間絕緣的準確判斷多年以來都是研究人員關(guān)注的重點問題。已經(jīng)提出的診斷方法有轉(zhuǎn)子直流電阻法、交流阻抗法、探測線圈法和重復(fù)脈沖法(Repetitive surge oscillograph，RSO)等，但直流電阻法、交流阻抗法和探測線圈法存在靈敏度低等問題；重復(fù)脈沖法則可以通過分析特征曲線判斷轉(zhuǎn)置繞組是否存在絕緣故障，由于上述判斷是依據(jù)重復(fù)脈沖的行波傳播過程的特征，因此研究其在發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組中的響應(yīng)特性尤為重要。

1 重復(fù)脈沖法改進方法

1.1 RSO 基本原理

RSO 基本原理是在轉(zhuǎn)子兩端同時注入高頻脈沖信號，考慮到轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)特征，可以將其集總參數(shù)模型作為等效，注入高頻信號（圖1）。高頻重復(fù)脈沖信號通過各匝線圈以某一速度向?qū)?cè)傳播，圖1中，Lw為轉(zhuǎn)子繞組線圈電感，正常運行時各匝線圈電感均相同，M(k-1,k)為線圈間互感；Ctk為線圈匝間電容、Cg,k，Rg,k分別為線圈各匝對地雜散電容和絕緣電阻、Rw為繞組各匝線圈電阻，Rtk為線圈匝間絕緣電阻。

圖1 發(fā)電機繞組等效模型

由于轉(zhuǎn)子繞組對稱，兩端所施加的重復(fù)脈沖信號以一定的頻率在繞組兩端交替?zhèn)鞑ァＨ绻麩o故障則會測得兩個完全一樣的波形，當(dāng)存在繞組匝間短路點時，不同位置處，兩側(cè)行波發(fā)生反射、折射的時刻及程度也不相同，所以繞組匝間的波形信號中含有匝間短路故障信息，RSO 原有算法則是通過對反射信號與模擬匝間短路的故障曲線加以對比，判斷匝間絕緣損壞情況。這種方法需要首先得到匝間短路的故障曲線數(shù)據(jù)，且當(dāng)匝間絕緣破損輕微時這種對比區(qū)別不明顯。

1.2 頻率切片小波能量譜分析

忽略非相鄰繞組匝間互感，在繞組匝間絕緣完好時，圖1所示的各匝線圈的絕緣電阻與匝間電容都不會相差很大，但絕緣破損后上述兩個參數(shù)將發(fā)生變化，造成阻抗變化不連續(xù)，當(dāng)匝間短路不在轉(zhuǎn)子繞組的正中間時，反射波到達轉(zhuǎn)子兩端后會呈現(xiàn)不同的合成波形。匝間電容的變化會影響到暫態(tài)電壓信號的反射波振蕩頻率，采用小波包能量譜的方法對暫態(tài)波形進行分析，可通過一致性檢查來辨別絕緣破損或異常的線匝，而無需提前知曉正常情況下的電壓信號波形。頻率切片小波變換具有更高的時頻分辨率，可利用這一點進行絕緣參數(shù)及其變化的辨識：

2 暫態(tài)響應(yīng)信號的功率譜分析

應(yīng)用小波變換的具有的時頻兩域都辨識信號局部特征的能力，可以對兩側(cè)重復(fù)脈沖信號在繞組匝間的暫態(tài)響應(yīng)進行功率譜特征提取，由粗及精地逐步觀察信號，確定其故障點位置。頻率切片小波變換(Frequency Slice Wavelet Transform,FSWT)的方法因同時具備了快速傅里葉變換與小波變換兩種方法的優(yōu)點，并且FSWT 引入了尺度因子和頻率切片函數(shù)(Frequency Slice function,FSF)，可以使信號同時在時頻域上得到良好的描述，在此可使用FSWT 方法對發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣故障進行診斷。

具體步驟如下：根據(jù)發(fā)電機實際參數(shù)，搭建轉(zhuǎn)子繞組等效集總參數(shù)模型，并輸入電壓波形數(shù)據(jù)，獲取繞組絕緣正常情況下的各繞組匝間暫態(tài)響應(yīng)波形，以驗證集總參數(shù)模型的正確性；在等效電路的兩端發(fā)送高頻重復(fù)脈沖信號，記錄轉(zhuǎn)子繞組正常情況下的暫態(tài)響應(yīng)波形，并對其進行FSWT 分析，作為故障后的參照對比；選取某一匝線圈等值參數(shù)，根據(jù)絕緣老化的規(guī)律，分別設(shè)置匝間參數(shù)的變化梯度，注入高頻重復(fù)脈沖信號，得到一系列匝間絕緣破損直至擊穿后的匝間電壓暫態(tài)響應(yīng)波形參數(shù)；利用小波變換對匝間電壓響應(yīng)波形進行功率譜分析，對比各匝間電壓頻譜分析結(jié)果，確定絕緣故障位置。

3 算例分析

某汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子有10個槽，理想狀態(tài)下，認為各槽漏磁通在感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動勢相等，不考慮噪聲和不影響問題本質(zhì)的基礎(chǔ)下，搭建轉(zhuǎn)子繞組仿真模型如圖2所示：

圖2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組集總參數(shù)模型

圖3 轉(zhuǎn)子繞組正常時RSO 暫態(tài)響應(yīng)波形

分別取第1、2匝間絕緣輕微破損故障，其匝間絕緣電阻和電容變化率在10%左右，則可分別得到FSWT 的分析結(jié)果如圖4、圖5所示：

圖4 轉(zhuǎn)子繞組絕緣正常仿真信號的FSWT 結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣輕微破損仿真信號的FSWT 結(jié)果

對比圖4和圖5可以明顯地看到，當(dāng)匝間絕緣存在輕微破損導(dǎo)致等值電路中的匝間電容與電阻變化10%以內(nèi)時，采用切片頻率方法可以很明顯的表征出頻率變化的波動性，故可以判斷出發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組存在絕緣故障。

綜上，本文基于發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組等效模型，提出對重復(fù)脈沖振蕩暫態(tài)響應(yīng)進行頻率切片小波變化的方法，以便對發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組正負極電壓信號進行分析，以突出故障特征、提高絕緣破損的辨識程度，具有較高的工程應(yīng)用價值。