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1 引言

中國(guó)電力研究院統(tǒng)計(jì)資料表明，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路是虛擬同步發(fā)電機(jī)中最常見(jiàn)的電氣故障［1］。由于微小的匝間短路不會(huì)影響虛擬同步發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，因此在實(shí)際操作中經(jīng)常被忽略，如果出現(xiàn)這種故障，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流增大［2］，繞組溫度升高［3］，無(wú)功功率降低［4］，電壓失真［5］，發(fā)電機(jī)組振動(dòng)［6］等諸多機(jī)械故障。因此，可以根據(jù)故障的早期信號(hào)識(shí)別來(lái)評(píng)估故障嚴(yán)重程度的早期征兆及其發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者研究了虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路問(wèn)題。文獻(xiàn)［7］提出了差分搜索線圈測(cè)試方法，在負(fù)載和三相短路的情況下診斷效果良好，但在負(fù)載情況下難以一次定位且對(duì)小匝間短路不敏感。文獻(xiàn)［8］提出基于定子等高線環(huán)流的檢測(cè)匝間短路方法，但這種方法依賴于定子繞組的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線診斷技術(shù)的行波法尚不成熟，并且實(shí)驗(yàn)中采用交流阻抗法和損耗法，但在監(jiān)測(cè)虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路時(shí)，由于槽楔等因素的影響，該方法不能給出準(zhǔn)確的結(jié)論且很難實(shí)現(xiàn)。

本文主要研究虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的故障機(jī)理和MMF（磁動(dòng)勢(shì)）。當(dāng)母線端部電壓處于恒定狀態(tài)時(shí)，分析了有功功率、無(wú)功功率和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。在電氣工程中找到了一種不需要進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)的分析方法，而且能夠準(zhǔn)確地得到錯(cuò)誤樣本，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路進(jìn)行故障診斷。

2 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的原因

轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的原因主要包括制造因素和運(yùn)行因素［9］。例如，轉(zhuǎn)子端部繞組的安裝不牢固，間隔塊松動(dòng)，引線焊接點(diǎn)的修剪不良，轉(zhuǎn)子保護(hù)環(huán)內(nèi)部有剩余金屬介質(zhì)，離心力等動(dòng)態(tài)力引起的高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組位移變形，轉(zhuǎn)子繞組的堵塞導(dǎo)致局部過(guò)熱，從而使匝間絕緣燒毀。

當(dāng)發(fā)電機(jī)正在運(yùn)行或從靜態(tài)轉(zhuǎn)換到動(dòng)態(tài)時(shí)，由于匝間絕緣的磨損或由轉(zhuǎn)子間匝間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的相對(duì)錯(cuò)位，導(dǎo)致匝間可以相互接觸，當(dāng)這種故障發(fā)展到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生匝間短路電路［10］。由于這種情況的出現(xiàn)，發(fā)電機(jī)的有效磁場(chǎng)將減小，發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率受到影響。最終導(dǎo)致磁路的不平衡并引起振動(dòng)，然后將產(chǎn)生“單極電位”和“單極電流”來(lái)嚴(yán)重地對(duì)發(fā)電機(jī)軸進(jìn)行磁化［11］。此外，故障點(diǎn)局部過(guò)熱可以擴(kuò)展到轉(zhuǎn)子繞組的接地故障。

3 基于MMF的虛擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路電磁特性分析

3.1 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的MMF分析

如圖1所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)單元正常運(yùn)行時(shí)，MMF的空間分布呈梯形狀，忽略了由溝槽引起的微小間隙MMF。在轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)，MMF會(huì)部分損失。如圖2所示，MMF損耗導(dǎo)致短路磁極的部分損耗，從而短路磁極的平均值和最大值將減小。因此，匝間短路中MMF的空間分布是退磁時(shí)的空間分布。因此，短路的等效效應(yīng)可以看作是在短路主MMF上加上相反方向的MMF。

在正常狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組的MMF由F0表示，短路匝數(shù)引起的MMF由ΔF表示，在短路后，轉(zhuǎn)子MMF 的小于前者的值?？紤]飽和的非凸極發(fā)電機(jī)的MMF-EMF矢量，如圖3所示。

圖1 正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子繞組MMF的空間分布

圖2 發(fā)生短路時(shí)轉(zhuǎn)子繞組MMF的空間分布

圖3 考慮飽和的發(fā)電機(jī)的磁電勢(shì)矢量

通過(guò)激勵(lì)減少的MMF波，可得：

其中，F(xiàn)f=wfIf，wf是轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)；If是勵(lì)磁電流；則相位角為

在時(shí)空矢量圖中與I相同，w1是定子繞組的相序號(hào)，kw是定子繞組的系數(shù)。

假設(shè)端部電壓U、有功輸出P和無(wú)功輸出Q為不變量，則定子電流I和功率因數(shù)角φ不變，而xσ與飽和度無(wú)關(guān)，則

3.2 勵(lì)磁電流對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的影響

U，P，Q和If之間的關(guān)系可以反映轉(zhuǎn)子繞組的狀態(tài)。用數(shù)學(xué)方程計(jì)算發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流if0，并與測(cè)得的勵(lì)磁電流ifc進(jìn)行比較，確定轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，計(jì)算相對(duì)偏差用來(lái)估計(jì)故障的嚴(yán)重程度：

4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法

傳統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)故障診斷是根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率P，無(wú)功功率Q，發(fā)電機(jī)端部電壓U，電流I，勵(lì)磁電壓等發(fā)電機(jī)參數(shù)，采用公式計(jì)算得到勵(lì)磁電流If0，然后將實(shí)際電流與If0的測(cè)量值進(jìn)行比較以診斷發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障［12］。這種方法需要考慮磁場(chǎng)飽和的影響，同時(shí)需要借助準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和發(fā)電機(jī)的參數(shù)。發(fā)電機(jī)的參數(shù)隨運(yùn)行方式和運(yùn)行條件的變化也會(huì)發(fā)生變化，且在線識(shí)別的準(zhǔn)確性不是很高，因此存在一定的誤差。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和發(fā)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行也沒(méi)有干擾。只需要精確測(cè)量發(fā)電機(jī)端部參數(shù)，并且依靠大量的訓(xùn)練樣本。通過(guò)充分的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，可以直接以不同運(yùn)行方式對(duì)故障進(jìn)行診斷。因此，本文的方法不僅可以診斷故障，還可以判斷短路的嚴(yán)重程度。

通常發(fā)電機(jī)的端部電壓U為額定電壓，可以認(rèn)為是恒定的。根據(jù)對(duì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的分析，某些P和Q對(duì)應(yīng)于某個(gè)Ff，即某個(gè)wfIf。所以P，Q和If的關(guān)系可以反映匝間短路故障，用發(fā)電機(jī)參數(shù)P，Q和If作為ANN輸入，匝間短路的圓圈占全部輸出總數(shù)的比例α%作為ANN輸出。

用ANN進(jìn)行故障診斷的關(guān)鍵是獲取訓(xùn)練樣本。在發(fā)電機(jī)P-Q圖中，正常樣本的選取可以正常運(yùn)行，但在實(shí)際發(fā)電站中，為了保證樣本的“遍歷性”，本文在正常運(yùn)行條件下長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)發(fā)電機(jī)參數(shù)。

為了計(jì)算發(fā)電機(jī)故障的嚴(yán)重程度和短路匝數(shù)，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的故障樣本數(shù)進(jìn)行采樣。在正常運(yùn)行條件下容易獲得發(fā)電機(jī)樣本，但較難獲得發(fā)電機(jī)故障樣本。傳統(tǒng)方法是在動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破壞性試驗(yàn)［13］，人為地使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，但這種方法不能直接應(yīng)用在實(shí)際工程中。

本文采用平衡MMF的方法得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障樣本，假設(shè)發(fā)電機(jī)在額定工況下發(fā)生匝間短路故障，短路前后P，Q和U均為常數(shù)。通過(guò)分析磁場(chǎng)，得到磁場(chǎng)的wfIf將保持不變，假設(shè)短路匝數(shù)占轉(zhuǎn)子總繞組匝數(shù)的比例為α%，則故障后磁場(chǎng)電流為

其中，IfN是勵(lì)磁電流的額定值。改變短路回路的數(shù)量可以將得到一系列故障樣本，并且在不同的操作條件下采集故障樣本。

本文采用主動(dòng)函數(shù)為S型函數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］，BP網(wǎng)絡(luò)采用3層結(jié)構(gòu)。如圖4所示，輸入層有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱藏層有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有一個(gè)節(jié)點(diǎn)。發(fā)電機(jī)參數(shù)包含有功功率，無(wú)功功率和勵(lì)磁電流。

圖4 ANN的示意圖

5 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，采用文獻(xiàn)［9］中的發(fā)電機(jī)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 同步機(jī)參數(shù)

然后取其正常運(yùn)行樣本。表2中給出了額定工況條件下的故障樣本。在表2中，α%是短路匝數(shù)占轉(zhuǎn)子總匝數(shù)的百分比。通過(guò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)，然后進(jìn)行故障診斷。

表2 神經(jīng)訓(xùn)練中的診斷模式

通過(guò)觀察表2可得，在保持有功功率和無(wú)功功率恒定的條件下，隨著勵(lì)磁電流的增大，模擬的短路短路匝數(shù)占轉(zhuǎn)子匝數(shù)百分比在不斷增加。因此，減小勵(lì)磁電流可以直接減少虛擬同步發(fā)電機(jī)的故障。

在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用電流互感器（CT）和電位互感器（PT）測(cè)量定子繞組的電流I和端部電壓U，用電流互感器測(cè)量勵(lì)磁電流If。發(fā)電機(jī)容量和電壓水平?jīng)Q定了CT和PT作為測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)。

本文選用瑞士LEM公司生產(chǎn)的霍爾電流變流器測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組中的電流If。參數(shù)I和U用于計(jì)算有功功率P和無(wú)功功率Q。

故障樣本見(jiàn)表3，從表3中可以看出，α%（實(shí)際值）是動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中短路匝數(shù)占轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)總數(shù)的百分比。α%（仿真）是計(jì)算機(jī)模擬中短路匝數(shù)占轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)總數(shù)的百分比。

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與實(shí)際輸出的比較

通過(guò)表3的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了該方法適用于各種負(fù)載。通過(guò)測(cè)量所有運(yùn)行狀態(tài)下正常發(fā)電機(jī)的I和U，計(jì)算得到相應(yīng)的P和Q。因此，ANN的訓(xùn)練僅需要P，Q和If來(lái)獲得所有運(yùn)行狀態(tài)下參數(shù)（P，Q和If）之間的關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

本文將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于虛擬同步發(fā)電機(jī)故障診斷中，分析了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，并根據(jù)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中的有功功率，無(wú)功功率，端部電壓和勵(lì)磁電流，直接通過(guò)計(jì)算獲得故障樣本，可以直接得到故障信息的嚴(yán)重程度。該方法可以避免仿真過(guò)程中的損壞性實(shí)驗(yàn)，便于在工程中應(yīng)用。這種方法的缺點(diǎn)是不能定位故障位置，在診斷和確認(rèn)故障存在之后，如果采用用行波法等其他方法來(lái)輔助，則可以進(jìn)行故障定位。