劉玉飛 王曉華

摘要：詳盡地分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路后的電磁特性，得到了匝間短路的特征參數(shù)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴于發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有實(shí)用價(jià)值。根據(jù)特征參數(shù)，建立了RBF(Radial Basis Function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型并將其應(yīng)用于發(fā)電機(jī)匝間短路的故障診斷與識(shí)別。最后，實(shí)測(cè)了MJF-30-6型故障模擬發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行及故障運(yùn)行時(shí)的特征信號(hào), 與理論分析結(jié)果基本吻合。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；匝間短路；磁動(dòng)勢(shì)；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TB857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路一般的表現(xiàn)為：發(fā)電機(jī)組無功下降；發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)增大；軸電壓升高等。

這些現(xiàn)象往往都是轉(zhuǎn)子匝間短路已明顯出現(xiàn)時(shí)的特征，而現(xiàn)代發(fā)電機(jī)在線檢測(cè)等檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展更注

重于匝間短路故障的早期診斷[1]。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障在轉(zhuǎn)子電氣絕緣事故中占較大比例。對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)來講，轉(zhuǎn)子匝間短路故障會(huì)產(chǎn)生很大的危害，短路點(diǎn)局部過熱會(huì)導(dǎo)致絕緣燒損接地、線棒過熱會(huì)導(dǎo)致變形或燒熔，故障的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)造成燒壞護(hù)環(huán)、大軸磁化，或燒傷軸頸和軸瓦等，甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)子燒損事故。

1轉(zhuǎn)子匝間短路故障原因分析

轉(zhuǎn)子匝間短路的故障原因主要包括制造和運(yùn)行兩個(gè)方面[2]。制造方面：轉(zhuǎn)子端部繞組固定不牢，墊塊松動(dòng)；繞組導(dǎo)線的焊接頭和相鄰兩套線圈間的連接線焊口整形不良；轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)內(nèi)殘存加工后的金屬切削等異物；運(yùn)行方面：高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組受到離心力等動(dòng)態(tài)應(yīng)力引起移位變形；冷態(tài)啟動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)子電流急增，銅鐵溫差引起繞組銅線蠕變導(dǎo)致匝間絕緣與對(duì)地絕緣的損傷；轉(zhuǎn)子繞組堵塞，造成局部過熱，使匝間絕緣燒損等。

2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁特性分析

2.1轉(zhuǎn)子正常情況下的磁勢(shì)分布

汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，沿轉(zhuǎn)子圓周分布的磁動(dòng)勢(shì)是階梯形波，每次經(jīng)過轉(zhuǎn)子槽，磁動(dòng)勢(shì)發(fā)生跳躍。對(duì)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì) 波形進(jìn)行傅立葉分析[4]。將 展開為一系列諧波之和的結(jié)果如下：

（1）

其中， 為常數(shù)， 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度。

從公式（1）中可知，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)只含有奇次諧波分量，且不含直流分量。

2.2發(fā)生匝間短路后轉(zhuǎn)子的磁勢(shì)分布

匝間短路后，短路側(cè)該槽勵(lì)磁繞組的有效匝數(shù)減少，導(dǎo)致其磁動(dòng)勢(shì)峰值減少，轉(zhuǎn)子兩側(cè)的磁動(dòng)勢(shì)將不再對(duì)稱，不對(duì)稱磁勢(shì)會(huì)在定子繞組產(chǎn)生附加諧波電勢(shì)，當(dāng)定子接負(fù)載時(shí)，就會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生附加諧波電流。在此之前曾有學(xué)者對(duì)該磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行過分析，但僅限于考慮轉(zhuǎn)子一個(gè)極(N極)附近距離大齒最近的線槽內(nèi)一匝短路的情況，這是轉(zhuǎn)子繞組最輕微的短路情況，其主要目的是可以忽略勵(lì)磁電流的變化，因?yàn)閲?yán)重的匝間短路會(huì)引起勵(lì)磁電流的增大。

2.3合成磁場(chǎng)的分析

匝間短路發(fā)生后，可以看作是退磁的磁勢(shì)分布。它反向作用在一個(gè)特定極或有短路的磁極主磁場(chǎng)的磁勢(shì)上。只考慮由于短路引起的基本問題，將正常條件下的磁勢(shì)減去由短路引起磁勢(shì)的小的突變，即可得到故障后的合成磁勢(shì)[8]。這種考慮意味著問題是線性的，所以可以利用疊加原理。由于磁動(dòng)勢(shì)關(guān)于縱坐標(biāo)對(duì)稱，故合成磁動(dòng)勢(shì)含有余弦分量，而不含正弦分量和直流分量。短路后，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)變?yōu)?比原磁動(dòng)勢(shì)減小[3]。

3 轉(zhuǎn)子匝間短路時(shí)的特征參數(shù)

考慮飽和時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)-電動(dòng)勢(shì)圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)-電動(dòng)勢(shì)矢量圖

氣隙磁動(dòng)勢(shì)基波分量 由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波分量 和電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)基波分量 共同建立，即 ，折算到勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波形后得 。其中 , 為轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù), 為勵(lì)磁電流； 在時(shí) - 空矢量圖中相位與電流 一致。 為定子繞組每相串連匝數(shù)， 為定子繞組系數(shù)。假設(shè)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓 、輸出有功 和無功 維持不變，則定子電流 ，功率因數(shù)角維持不變，又由于 與磁場(chǎng)的飽和程度關(guān)系不大， ，可得不變且 與電流 的夾角維持不變，則有 維持不變，且 與 的夾角 維持不變，可得 維持不變。由此可見當(dāng)發(fā)電機(jī)在 、 、 維持不變的條件下，轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生匝間短路時(shí)由于勵(lì)磁繞組有效匝數(shù)減少，為滿足氣隙合成磁通條件， 會(huì)增大，但 維持不變 ，并且 、 和 之間的關(guān)系可以體現(xiàn)出轉(zhuǎn)子繞組的狀態(tài)。

4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷的原理

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)大非線性映射能力，并且RBF網(wǎng)絡(luò)具有收斂速度快、不易陷入局部極小點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用RBF網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行匝間短路故障診斷。

5、結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子匝間短路故障發(fā)生后隨著勵(lì)磁電流增加，無功卻相對(duì)減少[9]。

（2）在分析汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路的電磁特性基礎(chǔ)上，提出并建立了三層RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并將其用于轉(zhuǎn)子匝間短路故障診斷中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過充分的訓(xùn)練后，不但能夠診斷轉(zhuǎn)子匝間短路故障，而且能夠預(yù)測(cè)匝間短路的程度。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。