大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障在線診斷及其行波應(yīng)用新原理.pdf

1、大型發(fā)電機(jī)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中被普遍應(yīng)用，占據(jù)電能生產(chǎn)的絕對主導(dǎo)地位，其安全可靠運(yùn)行對保證整個社會的正常優(yōu)質(zhì)供電起著決定性作用。同時大型發(fā)電機(jī)造價昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期很長，將帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。就我國目前和今后一段時間內(nèi)的用電緊張狀況而言，大型發(fā)電機(jī)的年運(yùn)行小時數(shù)和滿負(fù)荷率都較以往高出很多，備用容量很少，其運(yùn)行安全可靠性顯得尤為重要和突出。發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測有別于繼電保護(hù)，保護(hù)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(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測與診斷研究，做到早期預(yù)警以防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 大型發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是現(xiàn)代電工領(lǐng)域內(nèi)重要的研究方向，也是解決現(xiàn)代大型電力系統(tǒng)可靠性、安全性、維修科學(xué)性決策等問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。最近幾十年世界很多國家開展了發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究，并在逐步推廣應(yīng)用。自八十年代以來的國際大電網(wǎng)（CIGRE）歷屆年會中，發(fā)電機(jī)的故障檢測和診斷均列為SC－11（旋轉(zhuǎn)電機(jī)）委員會的中心議

3、題之一。通常對發(fā)電機(jī)的“監(jiān)測”與“診斷”在內(nèi)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(jī)運(yùn)行時的狀態(tài)提取相關(guān)數(shù)據(jù)，故障診斷使用計算機(jī)及相應(yīng)軟件，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對故障進(jìn)行分類、定位，確定故障的嚴(yán)重程度并提出處理意見。該技術(shù)可以幫助運(yùn)行維護(hù)人員擺脫被動檢修和定期檢修，而按照設(shè)備內(nèi)部實(shí)際的運(yùn)行狀況，合理的安排檢修工作。 基于故障行波信號對電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)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(hù)及故障測距裝置已有投入運(yùn)行

4、。小波理論的出現(xiàn)為準(zhǔn)確分析暫態(tài)行波信號提供了有力的數(shù)學(xué)工具，同時不斷更新的計算機(jī)技術(shù)、信號采集和通信技術(shù)為處理行波搭建了一定的硬件平臺，因此開展對發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障產(chǎn)生的行波信息進(jìn)行研究是有實(shí)際意義的。發(fā)電機(jī)定子單相接地將產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用目前仍有很多的理論探索和裝置改進(jìn)工作要做。 論文是作者在博士研究生期間對發(fā)電機(jī)故障診斷方面科研工作的匯總。主要創(chuàng)新內(nèi)容包括：針對部分無橫差保護(hù)

5、的大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路和無保護(hù)措施的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)定子單相接地雙頻式保護(hù)存在的誤動情況提出可以借鑒的防范保護(hù)原理，并將此原理經(jīng)變換拓展到狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域；針對大型水輪發(fā)電機(jī)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(hù)和故障點(diǎn)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(nèi)外大型發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的科研現(xiàn)狀，闡述了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障繼電保護(hù)技術(shù)的不足之處和部分需要防范的盲區(qū)及相關(guān)現(xiàn)代新技術(shù)在電氣設(shè)備故障識別和信號處理方面的應(yīng)用，并介紹了論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。接下來分章節(jié)論述了論文的四個主要研究內(nèi)容。 論文提出大型汽輪發(fā)電機(jī)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)。論文針對故障匝建立復(fù)合序網(wǎng)，具體分析了故障相電流的變化和縱向零序電

7、壓產(chǎn)生作為穩(wěn)態(tài)故障特征量的數(shù)學(xué)模型，從狀態(tài)監(jiān)測的角度提出使用動態(tài)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障進(jìn)行在線識別。論文針對上述思路做了算例程序可行性驗(yàn)證。 論文針對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(lián)合由現(xiàn)場運(yùn)行人員文獻(xiàn)中提供的故障特征建立智能識別方案。論文使用模糊技術(shù)評判故障嚴(yán)重程度，并以一點(diǎn)接地保護(hù)報警和對兩者進(jìn)行區(qū)別；B將發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)中的等有功阻抗圓概念與轉(zhuǎn)子繞組短接聯(lián)系，針對失磁初始階

8、段機(jī)端測量阻抗幅值和相角的變化建立故障特征樣本進(jìn)行智能識別。文中將轉(zhuǎn)子匝間短路和兩點(diǎn)接地的故障特征放在一起分析，認(rèn)為它們同樣造成轉(zhuǎn)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(jī)模型進(jìn)行匝間短路模擬得到需要采集的故障特征數(shù)據(jù)，并對特征量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識別。 論文提出基于俄羅斯800MW汽輪發(fā)電機(jī)組三次接地保護(hù)的判據(jù)原理來克服我國水輪發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地雙頻式保

9、護(hù)存在的誤動頻發(fā)情況，其防范保護(hù)誤動的實(shí)質(zhì)在于將基于絕緣狀況的判據(jù)用于保護(hù)短路點(diǎn)范圍的判斷中，變差值保護(hù)判據(jù)為比值保護(hù)判據(jù)，使得這些絕對數(shù)值變化較大而相對數(shù)值變化不大的動作量造成的誤動被防范。論文并在該保護(hù)原理上進(jìn)行改進(jìn)使該思想拓展到對發(fā)電機(jī)定子繞組對地絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測的領(lǐng)域。 最后，論文基于傳輸線模型已成熟的行波應(yīng)用原理，將發(fā)電機(jī)過電壓理論中的定子繞組波傳播特征，結(jié)合傳輸線對地的分布參數(shù)電路模型，構(gòu)造了水輪發(fā)電機(jī)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(jù)進(jìn)行差動保護(hù)，并通過此時的電流模量特征實(shí)現(xiàn)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(jìn)行利用來確定故障點(diǎn)的位置。論文應(yīng)用小波理論對故障行波的波形和時間信息進(jìn)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(jī)定子三相繞組參數(shù)進(jìn)行建模，并對其單相接地進(jìn)行具體仿真。算例結(jié)果表明

11、故障行波信息應(yīng)用在水輪發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)、選相和故障點(diǎn)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(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，提出了進(jìn)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(yīng)用了一些前沿技術(shù)和概念對發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障進(jìn)行研究，如暫態(tài)行波、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等，一定程度上豐富和開拓了現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)。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(chǔ)性領(lǐng)域的研究，有待現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，