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(duì)主導(dǎo)地位，其安全可靠運(yùn)行對(duì)保證整個(gè)社會(huì)的正常優(yōu)質(zhì)供電起著決定性作用。同時(shí)大型發(fā)電機(jī)造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期很長(zhǎng)，將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。就我國(guó)目前和今后一段時(shí)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(shí)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(cè)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(cè)作用于事故發(fā)生前。

2、因此對(duì)大型發(fā)電機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。最近幾十年世界很多國(guó)家開(kāi)展了發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)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(lái)的國(guó)際大電網(wǎng)（CIGRE）歷屆年會(huì)中，發(fā)電機(jī)的故障檢測(cè)和診斷均列為SC－11（旋轉(zhuǎn)電機(jī)）委員會(huì)的中心議

3、題之一。通常對(duì)發(fā)電機(jī)的“監(jiān)測(cè)”與“診斷”在內(nèi)容上并無(wú)明確的劃分界限，監(jiān)測(cè)利用各種傳感器對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)提取相關(guān)數(shù)據(jù)，故障診斷使用計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)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(jiàn)。該技術(shù)可以幫助運(yùn)行維護(hù)人員擺脫被動(dòng)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(hào)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)和定位的研究近年來(lái)發(fā)展很快，其中針對(duì)傳輸線的行波保護(hù)及故障測(cè)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(hào)提供了有力的數(shù)學(xué)工具，同時(shí)不斷更新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)采集和通信技術(shù)為處理行波搭建了一定的硬件平臺(tái)，因此開(kāi)展對(duì)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(hào)，其中包含豐富的故障信息可以利用，但對(duì)于該信號(hào)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(duì)發(fā)電機(jī)故障診斷方面科研工作的匯總。主要?jiǎng)?chuàng)新內(nèi)容包括：針對(duì)部分無(wú)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(wú)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(cè)的新特征量原理和故障識(shí)別的智能方法；針對(duì)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(dòng)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(cè)領(lǐng)域；針對(duì)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(dòng)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(guó)內(nèi)外大型發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)別和信號(hào)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(lái)分章節(jié)論述了論文的四個(gè)主要研究?jī)?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(guò)程的特征量在一段時(shí)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(shí)別的理論依據(jù)。論文針對(duì)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(cè)的角度提出使用動(dòng)態(tài)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障進(jìn)行在線識(shí)別。論文針對(duì)上述思路做了算例程序可行性驗(yàn)證。 論文針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路提出兩種在線監(jiān)測(cè)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(chǎng)運(yùn)行人員文獻(xiàn)中提供的故障特征建立智能識(shí)別方案。論文使用模糊技術(shù)評(píng)判故障嚴(yán)重程度，并以一點(diǎn)接地保護(hù)報(bào)警和對(duì)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(duì)失磁初始階

8、段機(jī)端測(cè)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(shí)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(lì)磁磁勢(shì)缺失。論文在Matlab6.5中的Simulink仿真環(huán)境下通過(guò)對(duì)其一臺(tái)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(duì)特征量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)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(lái)克服我國(guó)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(dòng)頻發(fā)情況，其防范保護(hù)誤動(dòng)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(duì)數(shù)值變化較大而相對(duì)數(shù)值變化不大的動(dòng)作量造成的誤動(dòng)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(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)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(guò)電壓理論中的定子繞組波傳播特征，結(jié)合傳輸線對(duì)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(dòng)作判據(jù)進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)，并通過(guò)此時(shí)的電流模量特征實(shí)現(xiàn)故障選相；提出對(duì)定子接地時(shí)的電壓行波時(shí)間和波速信息進(jìn)行利用來(lái)確定故障點(diǎn)的位置。論文應(yīng)用小波理論對(duì)故障行波的波形和時(shí)間信息進(jìn)行提取。論文在Matalab6.5中的Simulink仿真環(huán)境下針對(duì)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(duì)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(duì)上述研究?jī)?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(cè)特征和新思路，并應(yīng)用了一些前沿技術(shù)和概念對(duì)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(kāi)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，