多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法、装置

技术领域

本发明涉及电力系统主设备继电保护领域，尤其涉及一种多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法、装置。

背景技术

励磁系统是大型发电机的重要组成部分，性能优良、可靠性高的励磁系统是保证发电机安全及电力系统稳定运行的基础。相比于静止励磁，无刷励磁系统取消了发电机的碳刷和滑环，显著提高了励磁系统的可靠性，是大容量核电机组的首选励磁方式。无刷励磁机的磁极部分保持静止，电枢绕组随发电机以同步转速旋转，电枢绕组切割静止的磁场并感应电动势，将电枢绕组通过旋转整流桥连接发电机的励磁绕组，即可为发电机提供励磁电流。与静止励磁方式相比，无刷励磁方式具有噪音小、故障率低等优点，而多相无刷励磁系统不仅可以降低大功率励磁系统对单个二极管容量的要求，还能提高整流电压的质量、改善系统的容错性。

励磁绕组匝间故障作为一种常见的发电机电气故障，也容易发生在无刷励磁系统中。轻微故障不会对励磁系统产生严重影响，但长期故障运行会给机组带来严重的安全隐患。目前现场运行的无刷励磁系统仅配备了定子过流保护，而未针对定子励磁绕组短路配备专门保护。目前的“弱保护”状态已很难适应大容量无刷励磁的发展。

采用无刷励磁方式的初衷在于提高可靠性，但由于增加了励磁机及旋转整流环节，实际中却常发生励磁系统故障，从而影响了整个发电系统的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的无法检测励磁绕组匝间故障的缺陷，提供一种多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法、装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法，包括：

采集步骤：采集所述多相角形无刷励磁系统中的转子电枢电流；

分析步骤：对所述转子电枢电流进行谐波特征分析，以确定是否有与极对数相关的分数次谐波成分；

确定步骤：根据分析结果确定励磁绕组是否出现短路故障。

优选地，所述分析步骤包括：

将所采集的转子电枢电流分成两路；

将其中一路转子电枢电流延时预设时间后，再与另一路转子电枢电流进行叠加，以获取所有与极对数相关的分数次谐波成分。

优选地，所述将其中一路转子电枢电流延时预设时间，包括：

将其中一路转子电枢电流延时1/(2f

优选地，所述分析步骤包括：

通过对所述转子电枢电流进行傅里叶分析来确定所述转子电枢电流中是否有与极对数相关的分数次谐波成分。

优选地，所述确定步骤包括：

计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值，并判断所述有效值是否大于阈值；

若大于阈值，则确定励磁绕组出现短路故障。

优选地，根据以下公式计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值：

T＝P/f

其中，I

本发明还构造一种多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测装置，包括：

采集模块，用于采集所述多相角形无刷励磁系统中的转子电枢电流；

分析模块，用于对所述转子电枢电流进行谐波特征分析，以确定是否有与极对数相关的分数次谐波成分；

确定模块，用于根据分析结果确定励磁绕组是否出现短路故障。

优选地，所述分析模块包括：

延时单元，用于将所采集的转子电枢电流分成两路，并将其中一路转子电枢电流延时预设时间；

加法单元，用于将延时后的转子电枢电流与另一路转子电枢电流进行叠加，以获取所有与极对数相关的分数次谐波成分。

优选地，所述分析模块包括：

傅里叶分析模块，用于通过对所述转子电枢电流进行傅里叶分析来确定所述转子电枢电流中是否有与极对数相关的分数次谐波成分。

优选地，所述确定模块包括：

计算单元，用于计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值；

判断单元，用于判断所述有效值是否大于阈值，若是，则确定励磁绕组出现短路故障。

本发明所提供的技术方案，通过对所采集的转子电枢电流进行谐波特征分析来确定是否有与极对数相关的分数次谐波成分，从而实现多相角形无刷励磁机的励磁绕组匝间短路故障的在线监测与保护，而且，该技术方案简单、有效、可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是正常励磁绕组通正向电流时磁动势空间分布图；

图2是故障励磁磁动势空间分布图；

图3是短路匝绕组通反向电流时磁动势空间分布图；

图4是本发明多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法实施例一的流程图；

图5A为11相无刷励磁系统正常运行时的转子电枢电流波形图；

图5B为11相无刷励磁系统在励磁绕组匝间短路故障时的转子电枢电流波形图；

图6A为39相无刷励磁系统正常运行时的转子电枢电流波形图；

图6B为39相无刷励磁系统在励磁绕组匝间短路故障时的转子电枢电流波形图；

图7为本发明多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测装置实施例一的逻辑结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于转子电枢电流谐波特征的多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法，下面首先说明该技术方案的技术原理：

多相角形无刷励磁机实质上是凸极同步电机，励磁绕组为集中式结构，正常运行情况下励磁磁动势在各级下分布相同，只在相邻极下由于绕向相反而相反，其在空间分布为矩形波，如图1所示，从而可得：

其中，f

对式(1)进行傅里叶分析，得到：

其中：

P为励磁机极对数。

由式2可知励磁磁动势仅含基波及3、5次等奇数次谐波成分，不含有分数次谐波成分，计算结果如表1所示：

表1

励磁绕组发生匝间短路故障后的励磁磁动势在各极下分布不再相同，将励磁绕组故障时的励磁磁动势看作正常励磁绕组通正向电流与短路匝绕组通反向电流时磁动势的合成，即f′

式中，ΔN

对式3进行傅里叶分析，得到Δf

表2

由上述分析可知，励磁绕组发生匝间故障时，故障励磁磁动势不仅含有基波及3、5等奇数次谐波成分，还含有与极对数有关的各分数次谐波成分，不含偶数次谐波成分。

凸极同步电机磁极对称，气隙不均匀，气隙长度沿电机定子圆周方向变化周期为π，气隙磁导系数λ可以表示为：

其中，λ

故障励磁磁动势在气隙中建立的故障励磁磁场为：

其中，

式5表明故障励磁磁场中谐波成分与故障励磁磁动势所含成分一致，即，励磁绕组故障情况下励磁磁场也含有奇数次以及分数次谐波磁场，不含偶数次谐波磁场。

故障励磁电流产生的故障励磁磁场各谐波分量都与转子电枢绕组有同步速的相对运动，奇数次谐波磁场在电枢绕组上感应奇数次谐波电流，而分数次谐波磁场在电枢绕组上感应分数次谐波电流，电枢绕组上并不感应偶数次谐波电流。

因此，可利用转子电枢电流中是否有与极对数相关的分数次谐波成分来进行励磁绕组短路的故障检测。

图4是本发明多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测方法实施例一的流程图，该实施例的励磁绕组短路故障检测方法包括：

采集步骤S10：采集所述多相角形无刷励磁系统中的转子电枢电流；

分析步骤S20：对所述转子电枢电流进行谐波特征分析，以确定是否有与极对数相关的分数次谐波成分；

确定步骤S30：根据分析结果确定励磁绕组是否出现短路故障。

在一个可选实施例中，分析步骤S20包括：

通过对所述转子电枢电流进行傅里叶分析来确定所述转子电枢电流中是否有与极对数相关的分数次谐波成分。

下面通过具体仿真计算予以详细说明：

以台州11相角形无刷励磁系统和红沿河39相角形无刷励磁系统为例，利用基于有限元模型的励磁绕组匝间短路故障分析技术对该无刷励磁系统正常运行及励磁绕组短路故障进行仿真计算。

图5A为11相无刷励磁系统正常运行时的转子电枢电流波形图；图5B为11相无刷励磁系统在励磁绕组匝间短路故障时的转子电枢电流波形图。对两种情况下的转子电枢电流进行FFT分析，结果如表3所示：

表3

同样地，图6A为39相无刷励磁系统正常运行时的转子电枢电流波形图；图6B为39相无刷励磁系统在励磁绕组匝间短路故障时的转子电枢电流波形图，对两种情况下的转子电枢电流进行FFT分析，结果如表4所示：

表4

从表3和表4可以看到，无刷励磁系统在发生励磁绕组匝间短路故障后，转子电枢电流中的μ/P(μ＝1,2,3…,μ≠2lP)倍数次谐波分量明显增大，这些谐波均是由励磁绕组匝间短路故障引起。

虽然可通过对所采集的转子电枢电流进行傅里叶分析来确定其中是否有与极对数相关的分数次谐波成分，从而进行故障监测与保护，但这种方式存在如下问题：

1.虽然采用μ/P(μ＝1,2,3…,μ≠2lP)倍数次特征谐波进行故障识别具有排他性，但由于单次谐波的故障特征量较小，需考虑转子电枢电流中固有的不平衡电流对保护灵敏性和可靠性的影响。

2.各μ/P(μ＝1,2,3…,μ≠2lP)倍数次谐波分量都比较小，应尽可能大程度的提取故障特征量，保证保护具有足够的灵敏性。

考虑到不平衡电流中的这些谐波均由励磁绕组匝间短路故障引起，若将励磁机正常运行时可能含有的基波和奇数次谐波滤除，将余下的不平衡交流电流的有效值作为参考量，可包含所有的故障特征量，实现故障特征的最大程度提取，可能解决依靠单一分数次谐波所带来的一系列问题，为转子绕组匝间短路故障的监测与保护提供了一条有效的途径。

因此，在另一个可选实施例中，分析步骤S20包括：

步骤S21.将所采集的转子电枢电流分成两路；

步骤S22.将其中一路转子电枢电流延时预设时间后，再与另一路转子电枢电流进行叠加，以获取所有与极对数相关的分数次谐波成分。优选地，延时的预设时间为1/(2f

而且，确定步骤S30包括：

步骤S31.计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值，并判断所述有效值是否大于阈值；

步骤S32.若大于阈值，则确定励磁绕组出现短路故障。

具体地，步骤S31可根据以下公式计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值：

T＝P/f

其中，I

下面说明上述实施例的理论分析过程：

设转子电枢电流为：

其中，k为转子电枢电流的谐波次数；I

若将转子电枢电流各次谐波在t轴方向向左平移1/(2f

将式7、式8相加，可得：

从式9可见，将转子电枢电流与其在t轴方向左移1/(2f

当励磁机处于正常运行时，转子电枢电流中不含有1/P、2/P等分数次谐波，即电流i

根据该实施例的技术方案，对台州11相角形无刷励磁系统和红沿河39相角形无刷励磁系统在正常运行及励磁绕组短路故障时分别计算总有效值，结果如表5所示：

表5

通过上面的计算与分析，说明了计算有效值法能完全反应励磁绕组匝间短路故障带来的特征，并且能够区别于励磁机正常运行和励磁绕组匝间短路故障，说明了本发明提出的核电多相角形无刷励磁系统磁绕组匝间短路故障判断方法能简单且有效，按本发明设计的核电多相角形无刷励磁系统励磁绕组匝间短路故障监测与保护装置具有极高的可靠性。

图7为本发明多相角形无刷励磁系统的励磁绕组短路故障检测装置实施例一的逻辑结构图，该实施例的励磁绕组短路故障检测装置包括采集模块10、分析模块20和确定模块30，其中，采集模块10用于采集所述多相角形无刷励磁系统中的转子电枢电流；分析模块20用于对所述转子电枢电流进行谐波特征分析，以确定是否有与极对数相关的分数次谐波成分；确定模块30用于根据分析结果确定励磁绕组是否出现短路故障。

进一步地，分析模块20包括延时单元21和加法单元22，其中，延时单元21用于将所采集的转子电枢电流分成两路，并将其中一路转子电枢电流延时预设时间，预设时间为1/(2f

当然，在其它实施例中，分析模块20也可包括傅里叶分析模块，该傅里叶分析模块用于通过对所述转子电枢电流进行傅里叶分析来确定所述转子电枢电流中是否有与极对数相关的分数次谐波成分。

进一步地，确定模块30包括计算单元31和判断单元32，其中，计算单元31用于计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值；判断单元32用于判断所述有效值是否大于阈值，若是，则确定励磁绕组出现短路故障。

具体地，计算单元31根据以下公式计算所有与极对数相关的分数次谐波的有效值：

T＝P/f

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。