The Detection of Inter-Turn Short Circuits in the Stator Windings of Sensorless Operating Induction Motors

This work proposes an alternative strategy to the use of a speed sensor in the implementation of active and reactive power based model reference adaptive system (PQ-MRAS) estimator in order to calculate the rotor and stator resistances of an induction motor (IM) and the use of these parameters for the detection of inter-turn short circuits (ITSC) faults in the stator of this motor. The rotor and stator resistance estimation part of the IM is performed by the PQ-MRAS method in which the rotor angular velocity is reconstructed from the interconnected high gain observer (IHGO). The ITSC fault detection part is done by the derivation of stator resistance estimated by the PQ-MRAS estimator. In addition to the speed sensorless detection of ITSC faults of the IM, an approach to determine the number of shorted turns based on the difference between the phase current of the healthy and faulty machine is proposed. Simulation results obtained from the MATLAB/Simulink platform have shown that the PQ-MRAS estimator using an interconnected high-gain observer gives very similar results to those using the speed sensor. The estimation errors in the cases of speed variation and load torque are almost identical. Variations in stator and rotor resistances influence the performance of the observer and lead to poor estimation of the rotor resistance. The results of ITSC fault detection using IHGO are very similar to the results in the literature using the same diagnostic approach with a speed sensor.

Fault Diagnosis Based on ANN for Turn-to-Turn Short Circuit of Synchronous Generator Rotor Windings

Rotor winding turn-to-turn short circuit is a common electrical fault in steam turbines. When turn-to-turn short circuit fault happens to rotor winding of the generator, the generator terminal parameters will change. According to these parameters, the conditions of the rotor winding can be reflected. However, it is hard to express the relations between fault information and generator terminal parameters in accurate mathematical formula. The satisfactory results in fault diagnosis can be obtained by the application of neural network. In general, the information about the severity level of the generator faults can be acquired directly when the faulty samples are found in the training samples of neural network. However, the faulty samples are difficult to acquire in practice. In this paper, the relations among active power, reactive power and excitation current are discovered by analyzing the generator mmf with terminal voltage constant. Depending on these relations, a novel diagnosis method of generator rotor winding turn-to-turn short circuit fault is proposed by using ANN method to obtain the fault samples directly, without destructive tests.

永磁同步发电机匝间短路故障对绕组绝缘温升特性的影响

本文分析了永磁同步发电机匝间短路故障前后的绕组绝缘温升特性。首先推导了正常情况和匝间短路故障下的气隙磁通密度,相电流、铁心损耗和绕组铜耗解析表达式;然后建立了发电机三维有限元仿真模型,将电磁场中计算得到的各类损耗作为热源导入温度场计算绕组绝缘温度分布;最后实测了LR-5型故障模拟永磁同步发电机组在不同短路程度下的绕组绝缘温度,理论分析、仿真计算与实验结果相互吻合。结果表明:匝间短路故障后在故障绕组电流的作用下,绕组绝缘温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧,由绕组绝缘热载荷分布不均而引起的变形、应变和应力也将增加;绕组鼻端处绝缘易因高温而受损,可通过改进冷却散热结构,或在鼻端绝缘局部涂覆耐热涂层提高鼻端绝缘的可靠性。

核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗研究

为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗特性,推导了核电半速汽轮发电机空载运行时励磁绕组匝间短路故障下,定子分数次谐波环流产生的合成磁动势表达式,分析合成磁动势相对于转子的转速,揭示了转子表面产生涡流的原因以及涡流的频率特性。结合涡流损耗计算方法,以一台核电半速汽轮发电机为例进行了仿真验证。在此基础上,对核电半速汽轮发电机励磁绕组不同位置发生相同程度匝间短路,以及励磁绕组发生不同程度匝间短路过程进行了仿真,计算了转子各阻尼条及槽楔中的涡流及涡流损耗,揭示了励磁绕组匝间短路时影响转子阻尼条及槽楔中涡流和涡流损耗的因素。为核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障时,分析转子发热的影响因素提供了理论基础。

新型同步调相机匝间短路故障机理分析

随着新型同步调相机大规模投入运行,调相机的安全问题逐渐凸显。绕组匝间短路故障是调相机1种典型故障,对调相机长期运行和电网稳定都有严重影响。该文从两种故障发生后对气隙磁场磁动势的影响出发,建立转子总电流、定子绕组相电流、支路电流及电磁转矩的统一数学表征,从幅值、相位、谐波含量等多方面对两种故障进行深入的对比分析,揭示新型同步调相机绕组匝间短路故障机理。该文基于已投入使用的TTS-300-2型新型同步调相机,开发有限元软件的仿真程序,搭建调相机模拟机的实验平台。理论分析结果分别得到了仿真与实验结果的验证。

基于开口变压器法的交流电机定子非激励相绕组匝间短路检测研究

为了解决交流电机定子绕组中线圈绝缘损伤引起匝间短路故障无法准确、快速定位的问题,提出将检测转子绕组匝间短路的开口变压器法移植到检测交流电机定子绕组匝间短路,定子单相添加激励源,非激励相绕组设置故障点,开口变压器检测故障点所在槽,分析故障前后开口变压器绕组感应电动势的变化。首先阐述开口变压器检测定子非激励相的工作原理,分析正常和故障状态下通过开口变压器铁心漏磁通的表达式,进一步得到开口变压器绕组感应电动势表达式,获取故障变化规律。随后建立交流电机电磁仿真模型,进行仿真分析,最后用一台定子样机进行实验验证。结果表明:故障状态下,随着故障程度的加深,故障点所在槽的开口变压器感应电动势随之减小,证明了开口变压器可以作为离线检测交流电机定子非激励相绕组匝间短路故障的有效手段。

基于相位差的轴向磁通无铁心电机早期轻微匝间短路故障诊断

针对轴向磁通定子无铁心电机早期匝间短路故障问题,提出一种基于零序分量和定子电流分量相位差的轴向磁通定子无铁心电机的早期匝间短路故障诊断和定位方法。首先,根据定子绕组电感极小的特点建立了匝间短路故障数学模型;其次,对故障前后的短路电流、相电流、零序分量等进行了傅里叶分析,通过零序电压基波幅值变化对匝间短路故障进行识别;最后,通过对比零序电压基波与定子三相电流初相位差来进行故障相定位。结果表明,匝间短路故障相的相电流基波初始相位与零序电压基波初相位差的绝对值近似180°,而健康相的相位差与180°相差较大。基于相位差可以实现轴向磁通无铁心电机早期匝间短路故障的诊断与定位,为永磁电机的匝间短路故障诊断提供了参考。

U型线圈检测发电机励磁绕组匝间短路性能分析

励磁绕组匝间短路故障在汽轮发电机中具有较高的发生率,对该故障进行灵敏、快速和可靠诊断可以防止故障恶化、降低故障查找成本。本文分析了励磁绕组匝间短路的磁场特征,介绍了U型检测线圈法检测励磁绕组匝间短路的基本原理,通过有限元仿真模拟汽轮发电机额定负载工况,在转子各槽设置不同程度匝间短路故障,获取安装于不同位置的U型线圈的感应电压,进一步提取电压谐波特征以及时域脉冲波形变化规律,比较了U型线圈处于不同位置的检测效果,为U型线圈的安装提供了可靠的数据支持。

Simplified mathematical model of inter-turn short circuit of field windings in hydro-generators and its application

Inter-turn short circuit of field windings is a common electrical fault of generators.Simulation is an important method of investigating the fault and providing data support for fault monitoring.However,huge numbers of pole pairs and damper loops in large hydro-generators would lead to lengthy calculation time,hindering scientific research and engineering application.To deal with this problem,we analyze a theoretical basis for a damper winding simplified model and then propose an equivalent treatment method.Through the analysis of steady-state current harmonic characteristics of generators with different stator winding configurations during the fault,the simplified models suitable for steady-state calculation are derived from two aspects,namely,additional rotor harmonic current frequency characteristics and the relationship of the amplitude as well as the phase of each branch current of the stator.The calculation and experimental results of the two simplified models are then compared to verify the models' correctness.A calculation example of the Three Gorges left bank VGS generator shows few deviations between the calculation results of the simplified model and the original model.Moreover,the calculation time using the simplified model is 1/1500 that using the original model,which provides a more effective tool for on-line fault monitoring.Finally,the sensitivity-verification application of the fault-monitoring scheme based on the stator steady-state unbalanced current RMS is depicted.The result shows that the scheme can monitor two-turn short circuits of field windings in the Three Gorges generator and provide high sensitivity.

基于对称分量法的调相机定子故障特征分析

传统同步调相机定子绕组匝间短路故障机理分析方法通常认为电机定子电流接近三相对称,并以此为基础建立同步调相机故障电流的数学表征。但是,一旦发生定子绕组匝间短路故障,同步调相机三相定子电流的对称性将遭到破坏,使得传统故障机理分析方法所建立的数学表征无法准确反映电机内部电气量的变化。文中通过引入对称分量法,建立故障后同步调相机瞬时有功/无功功率的数学模型,提出利用瞬时有功/无功功率中的2次谐波进行定子绕组匝间短路故障诊断。仿真和实验的结果表明:相较于利用定子电流3次谐波与基波幅值之比诊断故障的传统方法,文中方法在轻微故障状态下能提高至少7倍的诊断灵敏度,更易完成早期故障诊断。同时,所提方法中的故障特征量不受同步调相机工况和故障位置的影响,具有强鲁棒性。

新型同步调相机转子匝间短路故障定位方法

转子绕组匝间短路故障是新型同步调相机的一种典型故障,对调相机长期运行和电网稳定都有严重影响。为保障新型同步调相机高可靠稳定运行,文中提出一种转子绕组匝间短路故障在线诊断与定位的方法。从故障导致的气隙磁场磁动势畸变出发,推导出定子同相两支路将出现偶次谐波环流现象,并通过对支路环流进行傅里叶分解,提取谐波中的明显特征量。对该特征量进行分析,得出其大小仅与故障所在转子上的空间位置有关,而与故障匝数无关的结论,最后通过查表的方式来实现故障诊断与定位。文中基于已规模投入使用的TTS-300-2型同步调相机开发有限元软件的仿真模型,并搭建基于新型调相机的模拟机实验平台进行实验。仿真与实验结果验证了利用支路环流谐波进行转子匝间短路故障定位的有效性。

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。

三相变压器两侧绕组匝间短路电磁特性研究

为了研究变压器匝间短路时电流随匝数的变化规律,首先对变压器匝间短路时的电流进行了解析推导。然后,建立变压器匝间短路故障前后的等效电路,推导两侧电流随短路匝数变化的公式,并通过自检电阻的不同状态进行自我验证和推广应用。最后,采用商业软件Ansys对实际变压器进行正常运行及匝间短路时电流与磁场的仿真计算,与解析法电流公式对比,验证了解析公式及数值计算的准确性。研究结果可为变压器匝间短路的检测与分析提供参考。

基于阶跃激励响应的牵引电机定子早期匝间短路故障诊断方法

为了实现对牵引电机定子绕组匝间短路早期故障的可靠诊断,文章提出了一种基于阶跃激励稳态响应电流的故障诊断方法。首先根据牵引电机三相定子绕组匝间短路模型,对定子绕组任意两相施加阶跃激励,推导出3种情况下的响应电流表达式,并依据响应电流稳态值的变化特征提出新的故障特征分量;然后,搭建故障电机仿真模型,分析短路电阻和短路故障严重程度对响应电流的影响,研究故障特征分量对早期匝间短路故障诊断的有效性与可靠性;最后搭建试验平台,分析当电机固有不对称时,匝间短路故障对故障特征分量的影响。仿真与试验结果表明,该故障特征分量可以表示早期的匝间短路故障及其严重程度,并且能滤除电机固有不对称的影响。基于阶跃激励稳态响应电流的诊断方法操作便捷,结果可靠性高,对保护牵引系统的安全具有极大意义,且具备极大的工程应用价值。

基于光纤漏磁场测量的变压器磁平衡保护研究

针对变压器绕组变形、轻微匝间故障等早期故障,传统的保护方案一般难以进行有效的诊断,根据变压器绕组漏磁场变化可以灵敏地检测出绕组的早期故障,但缺乏适用于工程应用的绕组漏磁场分析的解析方法和在线测量方案。针对这些问题,该文计算了简化模型下的变压器绕组漏磁场分布,通过测量绕组上、下表面和中部的漏磁感应强度,提出故障分量磁平衡保护的整定方法和判别逻辑。最后,建立了Ansys的仿真模型和动模实验模型,验证了保护方案具有不受负荷变化及不受励磁涌流的影响,并且区内故障检测灵敏度高的优点。

永磁同步电机耦合故障特征提取方法仿真

由于永磁同步电机故障的并发性,且耦合故障信号具有较强的关联性,导致永磁同步电机耦合故障特征提取较为困难。为此提出了采用负序电流法和磁链观测法对匝间短路-不均匀退磁耦合故障特征的提取方法。首先推导了正常电机的数学模型,在此基础上搭建仿真模型并验证了其可靠性;其次搭建了匝间短路和不均匀退磁单一故障的仿真模型,验证了负序电流法和磁链观测法在单一故障特征提取时的有效性;最后并对耦合故障的特征进行了对应的提取。结果表明,单一故障特征在耦合故障提取时也有较高的准确性。

基于卷积神经网络的牵引电机定子绕组匝间短路故障诊断

为实现牵引电机定子绕组匝间短路故障诊断,提出一种基于一维卷积神经网络(one-dimensional convolutional neural network, 1D-CNN)的故障诊断方法。首先对电机健康状态、不同相发生匝间短路故障及不同故障严重程度下的定子电流进行三层小波分解,得到小波分解高频系数和低频系数;求取小波分解系数的二范数,作为电机电流的特征;设计并训练1D-CNN,将训练好的1D-CNN作为分类器,实现牵引电机定子绕组匝间短路故障“端到端”的智能诊断。设计并搭建异步电机定子绕组匝间短路故障诊断实验平台。实验结果表明:所提方法可以准确有效诊断出轻微的匝间短路故障。在闭环控制下,电机发生1匝短路故障时,诊断正确率达到90.5%,并能够有效区分故障相。

直流换流站高通HP3型交流滤波器电抗器匝间故障监测及保护

直流换流站高通HP3型交流滤波器组中电抗器匝间短路故障事故多发,由于缺乏对此故障的快速监测及保护,导致其匝间短路持续存在3~9 min之久并起火燃烧。匝间短路后电抗器的等值电感会不断减小,由此引起了滤波器电路参数变化并进而引发了滤波器配置的热过负荷保护启动告警,长久故障也引发了次生的电抗器底部支撑绝缘子闪络接地致使滤波器差动保护动作出口跳闸。文中分析了3起典型故障案例,结合C型高通HP3型滤波器电路设计理念及运行特点,解释了有关保护启动及动作的原因。基于匝间短路会导致HP3电路中电阻器上的工频电压、电流会随着匝间短路的不断发展而剧烈增大的特性,提出了一种基于工频电压差动原理的故障监测及保护方法。

感应电机匝间短路暂态分析及实用辨识方法

感应电机匝间短路是常见的故障类型,可能引发相间短路或接地短路,严重影响系统稳定性。针对电机匝间短路暂态分析及辨识问题,基于匝间短路模型分析了故障期间定子电流、电磁转矩、转速的暂态特性,研究了不同故障支路电阻与短路绕组系数对短路电流的影响。在此基础上,提出了一种以电流矢量为特征量的匝间短路实用辨识方法,最后通过一台1600 kW感应电机验证了方法的有效性。

基于磁场检测的干式空心电抗器匝间短路故障诊断方法

匝间短路故障是干式空心电抗器最常见的故障,严重时会引起电抗器绝缘损坏、起火,甚至烧毁。及早诊断电抗器匝间短路故障,发出有效预警对电力系统安全运行具有重要意义。该文提出一种基于磁场检测的干式空心电抗器匝间短路故障诊断方法:独立于电抗器本体,上下安装与电抗器绕组同轴的检测线圈,通过检测线圈感应电压的变化,采用基于数理统计的准确识别匝间短路过程的3σ判据模型和算法,判断电抗器匝间短路故障并进行预警和报警。基于有限元数值计算软件,以一台型号为BKGKL-20000-35干式空心电抗器为研究对象,仿真分析了电抗器在不同位置发生匝间短路故障时检测线圈的感应电压变化规律,验证所提出方法的有效性。最后通过对试制样机的现场试验,验证了该方法实用可靠,可推广应用于实际电力系统中。