基于二维CNN与多源机电信息融合的同步电机转子匝间短路故障诊断方法

为提高同步电机转子绕组匝间短路故障的诊断准确率,以一台型号为SDF-9的一对极同步发电机为研究对象,提出了一种基于二维卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)与多源机电信息融合的匝间短路故障诊断方法。首先选取故障前后的定子环流、转子振动、定子振动信号为故障特征,采用信号-图像转换方法将一维时序信号转化为二维灰度图像。其次将处理后的图像分别作为二维CNN模型的前置输入进行训练。最后采用D-S证据理论将3种证据体的输出概率进行决策融合。结果表明:该方法消除了单一信号易受传感器故障及环境变化的影响,故障诊断准确率显著提高,并与其他传统故障诊断算法的诊断结果进行对比分析,验证了此方法的有效性。

无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障的轴电压特征研究

内转子式三相无刷励磁机旋转整流器二极管单管开路故障发生频率较高且不易直接监测,可能诱发多个二极管故障的连锁效应,严重影响发电机组的安全可靠运行,根据故障在轴电压中形成的特征谐波进行在线监测是一种新型检测方法。首先分析了旋转整流器二极管单管开路故障时励磁机电枢磁动势特征,利用气隙磁导法得到交链电枢转轴交变磁通表达式,进而预测二极管开路故障后,励磁机轴电压中将出现Pωr/2π整数倍频率的谐波。最后以一台5.8 MW的三相无刷励磁机为例进行有限元仿真,结果与理论预期相符,证明了轴电压信号可用于内转子式无刷励磁机的旋转整流桥二极管开路故障在线监测。

抽水蓄能机组励磁绕组匝间短路漏磁检测研究

抽水蓄能机组定子铁心背部漏磁场可有效反应励磁绕组的运行状态,通过对励磁绕组匝间短路前后的漏磁特征进行研究,以实现对其匝间绝缘健康水平的在线监测。首先,推导励磁绕组健康状态与匝间短路状态下的漏磁表达式,得到不同状态所对应的磁密特征谐波;其次,搭建发电容量为278 MVA的抽水蓄能机组二维有限元仿真模型,据此分析匝间短路故障前后径向漏磁及切向漏磁时/频域特征的演变规律,并得到空载工况的径向、切向漏磁峰值分别为111、102μT,负载工况的径向、切向漏磁峰值分别为115、112.5μT,可为漏磁传感器选型提供参考;最后,通过在同步发电机定子铁心背部加装磁通门传感器,采集不同匝间短路程度下的径向、切向及轴向漏磁信号,获其空载工况峰值分别为51.9、40.4、28.2μT,负载工况峰值分别为56.5、47.3、38.4μT,动模机组监测结果证明了,漏磁信号时域特征波形及频谱特征谐波变化可有效表征励磁绕组匝间绝缘健康水平,为励磁绕组匝间短路状态监测拓展了新的技术路径。

基于MSK-CNN和多源机电信息融合的同步发电机故障诊断方法

同步发电机结构复杂且运行环境多变,传统的故障诊断方法依赖于专家的先验知识,易受噪声干扰,难以准确识别且耗时耗力。本文提出一种基于多尺度核卷积神经网络(MSK-CNN)和多源机电信息融合的同步发电机故障诊断方法,直接从原始信号中自动学习有效的故障特征,同时在单个框架中对故障类型进行分类,为同步发电机提供端到端的故障诊断系统,无需额外的信号处理和专家经验。首先通过多尺度核算法在不同尺度上并行获取互补且丰富的诊断信息,提高特征学习能力。然后采用多源机电信息融合,选取相电压、转子振动、定子振动信号分别作为输入进行特征融合。最后以一台SDF-9型1对极同步发电机为实验对象进行实验验证,故障诊断准确率为99.64%,与传统故障诊断方法进行对比,显示了该方法的优越性。

基于开口变压器法的交流电机定子铁心短路故障检测

为了简便、可靠地检测和定位交流电机定子铁心叠片的片间短路故障,缩短机组维修和停运时间,提出利用开口变压器法检测交流电机定子铁心故障的方法。首先推导定子铁心正常和叠片片间短路故障情况下开口变压器铁心的磁通特征,进一步得到开口变压器感应电压的表达式,预测了片间短路故障的感应电压特征。然后以一台QFSN-300-2型汽轮发电机定子作为研究对象,通过二维有限元电磁模型进行仿真验证,进一步在一台小型异步电机定子铁心上进行实验验证。仿真和实验结果表明:在定子铁心正常情况下,开口变压器线圈在定子铁心各槽的感应电压都很小;当定子铁心某槽发生片间短路时,开口变压器线圈在该槽的感应电压随之升高,并且感应电压的幅值随着故障位置和故障程度不同而有所差异,证明了开口变压器法可用于检测交流电机定子铁心叠片片间短路故障。

开口变压器法检测汽轮发电机转子绕组故障的有效性验证

精确、快速检测出汽轮发电机转子绕组短路故障,可以有效缩短故障处理时间、降低停机成本。本文对开口变压器检测转子绕组匝间短路时的感应电压进行了特征分析,指出感应电压在故障前后的相位变化。随后利用有限元软件搭建了一台300MW汽轮发电机的转子模型,设置不同的匝间短路程度和短路位置,获取相对应的开口变压器的感应电压,验证了通过感应电压变化判断转子绕组匝间短路的有效性。

大型调相机转子气隙偏心故障的复合特征分析

在“强直弱交”的大电网背景下,具备动态无功支撑能力的调相机愈发重要,其运行的安全稳定成为未来研究的重点。由于制造、安装、运行等原因,调相机转子气隙偏心故障频发,危害严重。文章以调相机转子气隙偏心故障为研究对象,推导了偏心前后气隙磁密、转子不平衡磁拉力以及定子环流这些复合特征的变化规律,发现偏心后气隙磁密产生偶次谐波,造成转子振动,定子并联支路产生环流,且静态偏心与动态偏心在转子振动频次与支路环流上差异明显,同时以某300 Mvar大型调相机结构参数为依据,利用Ansoft软件建立了有限元模型,仿真验证了故障复合特征分析的正确性,为调相机故障诊断与安全稳定运行提供借鉴和指导。

基于环流时频图谱的抽水蓄能机组励磁绕组匝间短路故障诊断

抽水蓄能机组作为关键电气设备,其运行连续性与可靠性对构建新型电力系统意义重大。针对抽水蓄能机组励磁绕组匝间短路故障的状态监测易受动/静偏心及电枢反应影响,早期故障特征难以有效辨识的问题,该文提出一种基于环流时频图谱的励磁绕组匝间短路故障诊断方法。首先,根据抽水蓄能机组的结构特点及电磁感应关系,推导了动/静偏心及静偏心复合励磁绕组匝间短路状态下的同相多支路环流公式,得到了各状态下的环流特征谐波;其次,搭建了发电容量为334 MV·A的抽水蓄能机组二维有限元仿真模型,计算了动/静偏心及不同匝间短路程度下的同相分支环流大小,绘制了相应的时域、频域及时频图谱,通过对比实验验证了环流时频图谱可从时间、频率角度全面解析故障特征,有效区分偏心、电枢反应干扰与匝间短路故障;最后,基于凸极同步发电机模拟实验平台,模拟了不同故障程度的匝间短路运行状态,采集了同相支路电流数据用于环流时频图谱分析,实验结果证明了该方法可有效排除静偏心及电枢反应干扰,并以包含运行时间、特征频率及信号强度的三维图谱信息直观地展示机组的运行状态。

基于多源信息融合的同步发电机转子绕组匝间短路故障识别

转子绕组匝间短路是同步发电机中一种较为常见的故障,随着故障的发展会对发电机的安全运行造成威胁。针对该故障在早期时不易检测的情况,将多源信息融合理论应用到同步发电机的转子绕组匝间短路故障识别中。根据同步发电机特点及传感器情况,分析并选择合适的短路故障特征量作为证据体。将发电机中的多组故障特征证据体依据证据理论进行融合,得到高置信度的故障判定结论。同时进行同步发电机故障实验,与单特征量作对比验证了多源信息融合在发电机转子绕组匝间故障识别中的有效性。实验结果表明,该方法减少了单一传感器不确定性的影响,提高了故障识别准确性。

汽轮发电机转子绕组匝间短路故障程度诊断方法

为了精确识别转子匝间短路的故障程度,保障机组经济、安全运行,基于改进熵权理论与灰色关联理论,采用不同故障程度下机电信号为故障样本,建立了转子绕组匝间短路故障程度诊断模型,并采用SDF-9型故障模拟机组进行了实验验证。该方法解决了利用单一特征识别偏差较大的问题,能够精确、有效识别转子绕组匝间短路的故障程度,以便合理安排转子绕组匝间短路故障状态下汽轮发电机组的运行和检修,方法简单且无需加装新传感器,能够为现场发电机的经济可靠运行提供指导性建议。

极端不利工况下汽轮发电机励磁绕组短路故障危害性评估

针对存在励磁绕组匝间短路故障的汽轮发电机组,分析了励磁绕组匝间短路故障对汽轮发电机主磁场中相关谐波含量的影响,指出了强励极端工况下造成的发电机气隙磁场畸变程度更为严重。随后以一台300 MW汽轮发电机为例,通过有限元电磁暂态仿真,分别在发电机空载工况和额定负载工况下模拟了不同程度的励磁绕组匝间短路故障,分析了空载误强励、额定负载误强励以及电网不同程度三相短路引起的强励等三种典型工况的定子绕组环流和不平衡磁拉力,确定了对发电机危害最大的强励状态。该研究可以为带病运行的汽轮发电机提供安全风险评估和维修决策支持,也反映出安装高灵敏度的励磁绕组匝间短路在线监测装置的必要性。

大型双水内冷调相机转子绕组匝间短路故障诊断方法研究

针对影响大型双水内冷调相机无功支撑能力的转子绕组匝间短路问题,结合大型双水内冷调相机的结构和运行特点,分析了调相机发生转子绕组匝间短路故障后的励磁磁势特征,指出了故障会引起调相机偶数次谐波磁场增强的特点,提出了基于穿心螺杆和支持筋的转子绕组匝间短路协同诊断及定位方法,该方法无需外加线圈,诊断准确度高。以一台300 Mvar双水内冷调相机为对象,搭建其有限元场路耦合模型,仿真发现转子绕组匝间短路后,在穿心螺杆与支持筋产生的感应电动势中均出现了偶次谐波,且随故障程度增强,验证了诊断方法故障识别和故障定位的有效性,为大型双水内冷调相机的安全稳定运行提供了保障。

基于定子双检测线圈的核电半速汽轮发电机励磁绕组短路故障诊断

针对大型汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障发生后,未及时发现引起故障扩大,汽轮发电机的计划外停机将造成较大经济损失的问题,分析了汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障的磁场特征,结合两对极汽轮发电机定子铁心的结构特点,提出在相距1个极距的2个定子铁心齿顶部各安装一个检测线圈,提取线圈感应电压的频域和时域特征,通过故障在检测线圈内产生的感应电压分数次谐波来诊断励磁绕组匝间短路故障。通过一台1 150 MW核电半速汽轮发电机完成了仿真验证,证明了定子双检测线圈法能够实现故障的在线诊断且不受发电机运行状态的影响,并且能够实现故障的准确定位。

期望电动势法检测调相运行同步电机转子绕组匝间短路故障的适用性研究

转子绕组匝间短路故障对同步电机运行有一定的负面影响,及时预警有助于避免故障进一步恶化。首先分析了期望电动势法在检测同步发电机转子匝间短路故障中的问题,结合调相运行同步电机的电磁特征,分析了机端电压波动对机组的影响,进一步预测了该方法在调相运行机组应用的优势。以QFSN-300-2-20B型汽轮电机为例进行仿真,建模阶段考虑了机组与系统的联络阻抗,在不同匝间短路状态获取了调相运行机组的定子电流和机端电压,得出空载电动势与励磁电流之间的函数关系,证明了期望电动势法在诊断调相运行同步电机的转子绕组匝间短路故障的独特优势。

核电四极汽轮发电机转子典型故障温度场分析

为了解决高速旋转的转子容易产生多类故障问题,本文对发电机转子典型故障的温度场进行分析,评估故障影响和机组带病运行能力。采用有限元方法建立了TA-1100-78型四极汽轮发电机的三维传热模型,计算并分析了转子不同程度、不同位置励磁绕组匝间短路以及转子风路堵塞时的转子三维温度场。结果表明:转子匝间短路和风路堵塞均会引起转子温度场分布的不平衡。匝间短路程度越高,转子温度场不平衡度越大,温升越大;匝间短路位置越靠近转子大齿,转子温度场畸变程度越高。风孔堵塞对转子温度场影响与堵塞位置有关,单排风孔堵塞引起堵塞点附近区域温升明显,双排风孔堵塞对整体温度场影响不大。转子典型故障三维温度场分析为发电机的设计、运行和维护提供了理论参考。

HVDC换相失败对转子绕组匝间短路调相机的影响分析

针对HVDC换相失败对带转子匝间短路故障调相机运行特性的影响进行研究,以一台TTS-300-2型双水内冷调相机为研究对象,构建了含同步调相机的高压直流输电的场-路-网耦合模型。联合仿真得到高压直流输电逆变器换相失败后转子绕组匝间短路调相机的气隙磁场,采用麦克斯韦应力张量法计算出调相机转子受到的不平衡磁拉力,分析了其在匝间短路状态下发生换相失败时转子受力特点及变化趋势。结果表明,换相失败使调相机气隙磁场增大,转子所受磁拉力幅值明显增大,并且匝间短路程度越大,其影响程度越大。换相失败对带病运行调相机影响分析研究对解释故障机组异常振动、诊断轻微转子绕组匝间短路故障有一定的参考价值。

高压直流输电换相失败对带静偏心故障调相机的影响

为了研究高压直流输电逆变器换相失败对带静偏心故障调相机的影响,首先以一台TTS-300-2型双水内冷调相机为研究对象,基于Simulink+Maxwell/Simplorer构建了含同步调相机的高压直流输电的场-路-网耦合模型,联合仿真得到不同静偏心率下调相机的气隙磁场。其次,分析了换相失败对不同静偏心率下调相机气隙磁通密度的影响,并采用麦克斯韦应力张量法计算发生换相失败前后转子受到的不平衡磁拉力。最后,采用非线性Newmark隐式积分法计算换相失败对不同静偏心率下调相机转子振动的影响。结果表明,换相失败使带静偏心故障调相机气隙磁场增大,转子所受磁拉力与振动幅值明显增大,并且其影响程度随调相机静偏心率的增大而增大。换相失败对带静偏心故障调相机的影响分析对解释机组异常振动、诊断静偏心故障有一定的参考价值。

基于V型曲线偏移的大型调相机定子绕组匝间短路故障诊断方法

随着特高压直流输电的快速发展,具有动态无功补偿能力的大型调相机开始大规模投入。为保障其安全运行,针对大型同步电机中时有发生的定子绕组匝间短路故障,本文通过理论分析得出故障后电枢电流与励磁电流的变化情况,提出了一种基于V型曲线偏移的故障诊断方法。同时以300MVar大型双水内冷调相机为研究对象,利用Ansoft进行有限元仿真,仿真结果发现故障相故障支路V型曲线会随故障程度的增大而上移,故障相非故障支路V型曲线会随故障程度的增大而下移,故障相整体呈现上移趋势,非故障相由于三相不对称V型曲线也将产生偏移,从而验证了该方法的正确性。

基于轴承座振动特性的大型同步调相机偏心故障程度诊断方法

提出一种利用同步调相机偏心故障后的轴承座二倍频振动与振动幅度来判断气隙偏心故障程度的在线监测方案。首先,推导了动、静偏心故障后轴承座的振动特性,得出动、静偏心均会使调相机产生二倍频振动的结论。其次,利用二倍频振动与振动幅度作为鉴别故障程度的特征量,推导得出不同类型偏心故障程度的计算公式。最后,采用Maxwell有限元软件搭建了某300 Mvar大型同步调相机二维模型,仿真计算出不同程度偏心故障后轴承座所受到的不平衡电磁力,对所提偏心故障程度诊断方案进行仿真验证。结果表明,该方案能够准确计算出故障偏心程度,并且偏心故障程度越大,该方案的诊断误差越小。该方案的提出对大型同步调相机偏心故障程度的在线监测诊断具有极大的参考价值。

大型调相机动态响应下的电磁转矩分析

凭借着强无功支撑能力,大型调相机在特高压直流输电(LCC-HVDC)中发挥着愈发重要的作用,本文分析了大型调相机的动态响应特性,推导了调相机的电磁转矩表达式,得出了动态响应下电磁转矩变化与定子电流、转子励磁电流变化趋势相关的结论。文中通过PSCAD/EMTDC建立了含同步调相机的LCC-HVDC模型,对受端电网单相接地短路与三相短路下调相机的动态响应和电磁转矩变化进行了仿真验证,发现机端电压下降时,随着调相机的无功动态响应,电磁转矩与定子电流、转子励磁电流变化趋势相同,呈现先增大后减小的变化趋势,同时对于三相对称故障引起的电磁转矩变化表现出一定的对称性,为大型调相机的运行与电网故障的判断监控提供了一定的理论基础。