大型發(fā)電機內部故障在線診斷及其行波應用新原理.pdf

1、大型發(fā)電機在現代電力系統(tǒng)中被普遍應用，占據電能生產的絕對主導地位，其安全可靠運行對保證整個社會的正常優(yōu)質供電起著決定性作用。同時大型發(fā)電機造價昂貴，結構復雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期很長，將帶來很大的經濟損失。就我國目前和今后一段時間內的用電緊張狀況而言，大型發(fā)電機的年運行小時數和滿負荷率都較以往高出很多，備用容量很少，其運行安全可靠性顯得尤為重要和突出。發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測有別于繼電保護，保護作用于事故發(fā)生后，狀態(tài)監(jiān)測作用于事故發(fā)生前。

2、因此對大型發(fā)電機進行在線監(jiān)測與診斷研究，做到早期預警以防止事故的發(fā)生或擴大具有重要的現實意義。 大型發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是現代電工領域內重要的研究方向，也是解決現代大型電力系統(tǒng)可靠性、安全性、維修科學性決策等問題的關鍵技術之一。最近幾十年世界很多國家開展了發(fā)電機在線監(jiān)測和故障診斷技術的研究，并在逐步推廣應用。自八十年代以來的國際大電網（CIGRE）歷屆年會中，發(fā)電機的故障檢測和診斷均列為SC－11（旋轉電機）委員會的中心議

3、題之一。通常對發(fā)電機的“監(jiān)測”與“診斷”在內容上并無明確的劃分界限，監(jiān)測利用各種傳感器對發(fā)電機運行時的狀態(tài)提取相關數據，故障診斷使用計算機及相應軟件，根據相關數據對故障進行分類、定位，確定故障的嚴重程度并提出處理意見。該技術可以幫助運行維護人員擺脫被動檢修和定期檢修，而按照設備內部實際的運行狀況，合理的安排檢修工作。 基于故障行波信號對電氣設備進行保護和定位的研究近年來發(fā)展很快，其中針對傳輸線的行波保護及故障測距裝置已有投入運行

4、。小波理論的出現為準確分析暫態(tài)行波信號提供了有力的數學工具，同時不斷更新的計算機技術、信號采集和通信技術為處理行波搭建了一定的硬件平臺，因此開展對發(fā)電機內部故障產生的行波信息進行研究是有實際意義的。發(fā)電機定子單相接地將產生暫態(tài)行波信號，其中包含豐富的故障信息可以利用，但對于該信號的實際應用目前仍有很多的理論探索和裝置改進工作要做。 論文是作者在博士研究生期間對發(fā)電機故障診斷方面科研工作的匯總。主要創(chuàng)新內容包括：針對部分無橫差保護

5、的大型汽輪發(fā)電機定子繞組匝間短路和無保護措施的發(fā)電機轉子繞組匝間短路提出用于狀態(tài)監(jiān)測的新特征量原理和故障識別的智能方法；針對大型水輪發(fā)電機定子單相接地雙頻式保護存在的誤動情況提出可以借鑒的防范保護原理，并將此原理經變換拓展到狀態(tài)監(jiān)測領域；針對大型水輪發(fā)電機定予單相接地初瞬的暫態(tài)故障行波傳播，提出基于小波理論和相模變換的行波故障選相、差動保護和故障點定位等方法。論文中的全部仿真和算法編程在Matlab6.5環(huán)境下完成。 論文首先綜

6、述了國內外大型發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的科研現狀，闡述了發(fā)電機內部故障繼電保護技術的不足之處和部分需要防范的盲區(qū)及相關現代新技術在電氣設備故障識別和信號處理方面的應用，并介紹了論文的主要內容和創(chuàng)新點。接下來分章節(jié)論述了論文的四個主要研究內容。 論文提出大型汽輪發(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是穩(wěn)態(tài)的，基于此的數學模型可以作為故障識別的理論依據。論文針對故障匝建立復合序網，具體分析了故障相電流的變化和縱向零序電

7、壓產生作為穩(wěn)態(tài)故障特征量的數學模型，從狀態(tài)監(jiān)測的角度提出使用動態(tài)Elman神經網絡對故障進行在線識別。論文針對上述思路做了算例程序可行性驗證。 論文針對發(fā)電機轉子繞組匝間短路提出兩種在線監(jiān)測新原理：A提出基于理論分析的部分故障特征并聯合由現場運行人員文獻中提供的故障特征建立智能識別方案。論文使用模糊技術評判故障嚴重程度，并以一點接地保護報警和對兩者進行區(qū)別；B將發(fā)電機失磁保護中的等有功阻抗圓概念與轉子繞組短接聯系，針對失磁初始階

8、段機端測量阻抗幅值和相角的變化建立故障特征樣本進行智能識別。文中將轉子匝間短路和兩點接地的故障特征放在一起分析，認為它們同樣造成轉子繞組線匝短接，同樣造成勵磁磁勢缺失。論文在Matlab6.5中的Simulink仿真環(huán)境下通過對其一臺大型水輪發(fā)電機模型進行匝間短路模擬得到需要采集的故障特征數據，并對特征量數據進行智能識別。 論文提出基于俄羅斯800MW汽輪發(fā)電機組三次接地保護的判據原理來克服我國水輪發(fā)電機定子繞組單相接地雙頻式保

9、護存在的誤動頻發(fā)情況，其防范保護誤動的實質在于將基于絕緣狀況的判據用于保護短路點范圍的判斷中，變差值保護判據為比值保護判據，使得這些絕對數值變化較大而相對數值變化不大的動作量造成的誤動被防范。論文并在該保護原理上進行改進使該思想拓展到對發(fā)電機定子繞組對地絕緣狀況進行在線監(jiān)測的領域。 最后，論文基于傳輸線模型已成熟的行波應用原理，將發(fā)電機過電壓理論中的定子繞組波傳播特征，結合傳輸線對地的分布參數電路模型，構造了水輪發(fā)電機定子繞組槽

10、部和端部的暫態(tài)行波傳輸電路模型。論文提出基于此模型仿真，將定子單相接地初瞬行波電流零模部分的高頻分量作為故障動作判據進行差動保護，并通過此時的電流模量特征實現故障選相；提出對定子接地時的電壓行波時間和波速信息進行利用來確定故障點的位置。論文應用小波理論對故障行波的波形和時間信息進行提取。論文在Matalab6.5中的Simulink仿真環(huán)境下針對二灘水電站的大型水輪發(fā)電機定子三相繞組參數進行建模，并對其單相接地進行具體仿真。算例結果表明

11、故障行波信息應用在水輪發(fā)電機定子單相接地保護、選相和故障點定位理論上的合理性與可行性。 論文最后一章對上述研究內容進行了總結，提出了進一步研究的方向。 論文中提出了一些新的狀態(tài)監(jiān)測特征和新思路，并應用了一些前沿技術和概念對發(fā)電機內部故障進行研究，如暫態(tài)行波、小波分析、神經網絡和模糊邏輯等，一定程度上豐富和開拓了現有的發(fā)電機故障診斷技術。論文研究主要成果局限于理論上的探討和虛擬仿真，屬于基礎性領域的研究，有待現場實驗檢驗，