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大型發電機匝間短路的電流分析法

  運行經驗表明,電機在發生定子繞組短路故障時,正確的進行故障診斷,及時采取措施,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診斷方法為電流分析法。

  1.電流分析法概述

  這種方法從著手于時域分析,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,以電流分析法為主,輔以多種特征參量進行診斷。

  2.新的特征參量的提出

  定子繞組一般均采用在時間及空間上相差120°的三相對稱分布繞組,這樣設計的繞組能使三相對稱電流產生的氣隙磁場達到基本正弦分布的要求。這是因為, 當定子單個線圈或單個支路通電時,氣隙磁場的分數次和低次諧波很強。而相繞組通電時,組成相繞組的各個線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時,對稱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,實際的電動機繞組不可能完全對稱,或是由于電網的因素,導致電流譜圖中會出現2 次和3次諧波。

  當電機定子繞組發生匝間短路,這種對稱性遭到破壞, 呈現在氣隙磁場中的是較強的空間諧波,定子電流中的是較強的時間諧波,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性。定子電流中的偶次諧波和奇次諧波會因三相繞組失去對稱性而有所增強。定子繞組的故障勢必會引起氣隙磁場發生畸變。

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

  綜上所述,電機定子繞組發生匝間短路時,定子電流中的高次諧波明顯增強,繞組的自感、互感發生變化,從而最終導致三相電流之間的相位差亦發生變化。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

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

  正常狀態下,三相電流相位差在120°左右,但在故障時,這個角度會有所偏離。因此可通過測量電機運行時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判別定子繞組故障[3]。

  繞組匝間短路故障時:

  3.1三相電流的對稱性被打破, 故障相電流為最大值,大小與故障位置無關, 但非故障相電流的大小與故障位置有關[4];定子三相電流, 隨著故障匝比的增大而增大, 所產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性遭到破壞, 它隨著故障位置不同而變化,故障程度的加深,使兩個非故障相的功率因數一個減小,另一個增大。

  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。如果一相發生故障,隨著這個故障的程度的加深,另外兩個非故障相之間的相位差所偏離120°最大,而且非常明顯。

  3.4中性點電壓與故障位置有關, 其大小隨著故障匝比的增大而增大。

  3.5在發生跨相故障時,所引起的不對稱性將會更加嚴重。

  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相關性大、反映靈敏的特點。

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

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



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