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大型發(fā)電機匝間短路的電流分析法

  運行經(jīng)驗表明,電機在發(fā)生定子繞組短路故障時(shí),正確的進(jìn)行故障診斷,及時(shí)采取措施,減小對設備損害,對保證電力系統穩定可靠的運行十分重要。本文提出的匝間短路在線(xiàn)診斷方法為電流分析法。

  1.電流分析法概述

  這種方法從著(zhù)手于時(shí)域分析,尋找出新的判定定子繞組故障的特征參量——三相電流之間的相位差。診斷時(shí),以電流分析法為主,輔以多種特征參量進(jìn)行診斷。

  2.新的特征參量的提出

  定子繞組一般均采用在時(shí)間及空間上相差120°的三相對稱(chēng)分布繞組,這樣設計的繞組能使三相對稱(chēng)電流產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)達到基本正弦分布的要求。這是因為, 當定子單個(gè)線(xiàn)圈或單個(gè)支路通電時(shí),氣隙磁場(chǎng)的分數次和低次諧波很強。而相繞組通電時(shí),組成相繞組的各個(gè)線(xiàn)圈磁通勢波形中的分數次和低次諧波相互抵消,使相繞組總磁通勢的波形主要為基波。

  當電機處于正常狀態(tài)時(shí),對稱(chēng)的三相繞組的連接消除了3 倍數次諧波。電機定子電流特征頻率表達式為

  fs=(6k±1)fk=0,1,1,3…(1)

  即在對稱(chēng)的三相繞組中,n=3k次諧波的合成磁勢等于零, n=6k+1次諧波是正相旋轉磁勢,n=6k-1次諧波是反相旋轉磁勢[2]。但是由于工藝和制造的原因,實(shí)際的電動(dòng)機繞組不可能完全對稱(chēng),或是由于電網(wǎng)的因素,導致電流譜圖中會(huì )出現2 次和3次諧波。

  當電機定子繞組發(fā)生匝間短路,這種對稱(chēng)性遭到破壞, 呈現在氣隙磁場(chǎng)中的是較強的空間諧波,定子電流中的是較強的時(shí)間諧波,即高次諧波明顯增強。表現為定子電流的有效值的增大和三相電流的不對稱(chēng)性。定子電流中的偶次諧波和奇次諧波會(huì )因三相繞組失去對稱(chēng)性而有所增強。定子繞組的故障勢必會(huì )引起氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。

  電機發(fā)生定子繞組匝間短路故障時(shí),繞組的自感、互感將發(fā)生變化。電感的大小一般隨短路匝比的增加而降低。故障時(shí),不能只考慮基波的影響,因為繞組分布和氣隙磁場(chǎng)的不對稱(chēng)會(huì )使高次諧波的作用顯著(zhù)增強。在故障狀態(tài)下,電感參數的計算必須考慮高次諧波的影響。

  綜上所述,電機定子繞組發(fā)生匝間短路時(shí),定子電流中的高次諧波明顯增強,繞組的自感、互感發(fā)生變化,從而最終導致三相電流之間的相位差亦發(fā)生變化。因此提出新的判別定子繞組匝間短路故障的特征參量——三相電流之間的相位差。

  3.故障分析

  本文采用互相關(guān)分析法測量定子電流之間的相位差。因為互相關(guān)函數能刻劃兩個(gè)樣本信號之間的相關(guān)或相似程度。它不但提供頻率信息,而且給出兩信號之間的相位信息。用互相關(guān)函數測量電流之間的相位差,測量精度高,時(shí)間短。但它要求有兩路A/D 同步進(jìn)行信號采集。

  正常狀態(tài)下,三相電流相位差在120°左右,但在故障時(shí),這個(gè)角度會(huì )有所偏離。因此可通過(guò)測量電機運行時(shí)的三相電流之間的相位差偏離120°的度數作為特征參量之一來(lái)判別定子繞組故障[3]。

  繞組匝間短路故障時(shí):

  3.1三相電流的對稱(chēng)性被打破, 故障相電流為最大值,大小與故障位置無(wú)關(guān), 但非故障相電流的大小與故障位置有關(guān)[4];定子三相電流, 隨著(zhù)故障匝比的增大而增大, 所產(chǎn)生諧波的幅值也隨故障程度的加深而增大。

  3.2三相功率因數得對稱(chēng)性遭到破壞, 它隨著(zhù)故障位置不同而變化,故障程度的加深,使兩個(gè)非故障相的功率因數一個(gè)減小,另一個(gè)增大。

  3.3三相電流之間的相位差隨故障部位變化而變化,不再對稱(chēng)。如果一相發(fā)生故障,隨著(zhù)這個(gè)故障的程度的加深,另外兩個(gè)非故障相之間的相位差所偏離120°最大,而且非常明顯。

  3.4中性點(diǎn)電壓與故障位置有關(guān), 其大小隨著(zhù)故障匝比的增大而增大。

  3.5在發(fā)生跨相故障時(shí),所引起的不對稱(chēng)性將會(huì )更加嚴重。

  4.故障分析結論

  4.1選取三相電流之間的相位差作為特征參量判定定子繞組故障是可行的, 且它具有與故障狀態(tài)相關(guān)性大、反映靈敏的特點(diǎn)。

  4.2如果電機運行正常, 不對稱(chēng)電源電壓也會(huì )造成三相電流之間的相位差偏離120°,但并不十分嚴重。

  4.3可以通過(guò)監測三相電流和三相功率因數的不對稱(chēng)性、三相電流相位差的偏離120°的大小、中性點(diǎn)電壓等來(lái)判斷電機定子繞組是否故障;根據不對稱(chēng)的程度可以判定故障的大小。



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