蔣夢瑤, 馬宏忠, 陳湞斐, 湯曉崢, 劉一丹
(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院,南京 211100;2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司,南京 211100)
近些年來,隨著特高壓直流輸電的快速發(fā)展,電網(wǎng)的“強(qiáng)直弱交”特性突出,尤其對直流多饋入受端電網(wǎng)、存在多回直流換相失敗、動態(tài)無功儲備以及電壓支撐不足等問題[1-3]。大型同步調(diào)相機(jī)作為一種優(yōu)良的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)中得以應(yīng)用[4-5]。調(diào)相機(jī)能有效應(yīng)對高壓直流和新能源接入電網(wǎng)帶來的無功調(diào)節(jié)問題,對提高直流輸送極限功率,提高高壓直流輸電線路受端交流電網(wǎng)短路比,增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性和穩(wěn)定性有著獨(dú)特的優(yōu)勢[6-9]。
作為大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備,調(diào)相機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,定子繞組容易造成匝間絕緣損壞,引發(fā)定子繞組匝間短路故障。短路故障往往伴隨著大電流,可能使電機(jī)過熱、燒損,對系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的危害。因此,研究大型同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障特征,對實(shí)現(xiàn)故障的在線識別,維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。
在電力系統(tǒng)中,定子匝間短路屬于較為常見的電機(jī)故障。大量學(xué)者對定子繞組匝間短路故障做了深入研究[10-16],文獻(xiàn)[17]分析了定子短路故障的相對位置對定子振動特性的影響,發(fā)現(xiàn)同等故障程度時,定子振動幅度與短路位置有關(guān)。文獻(xiàn)[18]利用定子匝間短路故障前后的電勢差異識別故障。文獻(xiàn)[19-20]研究了并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路后定子電流和諧波電磁轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[21-22]著重分析了定子匝間短路故障后的電磁力特性。文獻(xiàn)[23]通過在發(fā)電機(jī)氣隙中安裝探測線圈,利用端口電壓頻率特性差異來診斷定子匝間短路故障。
除傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)外,目前已有一些關(guān)于調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障的研究。文獻(xiàn)[24]通過比較不同故障程度下,電樞電流隨勵磁電流變化的非線性程度來判斷定子繞組匝間短路,文獻(xiàn)[25]利用調(diào)相機(jī)V型曲線的偏移來診斷定子繞組匝間短路故障,但以上兩篇文獻(xiàn)的研究工作均為金屬性短路,只計(jì)及了故障匝數(shù)的影響,未考慮過渡電阻和故障位置的變化。文獻(xiàn)[26]綜合研究了定子繞組匝間短路故障后的磁場、振動和并聯(lián)支路環(huán)流特性,但未給出明確的故障診斷判據(jù)。此外,由于同步調(diào)相機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行時間尚短,其故障診斷的分析較為匱乏,因此本文針對調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障,做了更進(jìn)一步的研究。
考慮到同步調(diào)相機(jī)工作時始終并網(wǎng)運(yùn)行,且其瞬時功率易于測量,本文提出了一種基于同步調(diào)相機(jī)瞬時功率偶數(shù)次諧波的定子繞組匝間短路故障診斷方法。理論推導(dǎo)了定子繞組匝間短路故障前后瞬時功率的表達(dá)式,獲得故障特征頻率。隨后,以一臺TTS-300-2型雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)為研究對象建立ANSYS有限元模型,分析了調(diào)相機(jī)在不同故障程度、不同故障位置以及不同運(yùn)行工況下瞬時功率的變化規(guī)律。由于在現(xiàn)場運(yùn)行的調(diào)相機(jī)上進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn)是不可行的,所以本文利用實(shí)驗(yàn)室小型同步電機(jī)模擬調(diào)相機(jī)故障狀態(tài),驗(yàn)證了所提診斷方法的可行性。最后,將瞬時功率和定子電流對應(yīng)的特征頻率加以比較,研究發(fā)現(xiàn)瞬時功率的100 Hz分量對故障程度變化的反應(yīng)更為靈敏。本文研究為同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障診斷提供了一個新的方向。
同步調(diào)相機(jī)為三相雙并聯(lián)支路,以A相a1支路發(fā)生匝間短路故障為例,故障示意圖如圖1所示。定子繞組匝間短路故障后,相電流iAF(t)表示[27-28]為
圖1 定子繞組匝間短路故障模型Fig.1 Fault model of stator winding inter-turn short-circuit
{[E1mcosωt-nmE1mfcos(ωt+β2-β1)]-
[E3mcos3ωt+nmE3mfcos3(ωt+β2-β1)]+…}/z;
(1)
(2)
式中:kwγ為γ次諧波的繞組系數(shù);γ為諧波次數(shù);w為定子每相的匝數(shù);BFγ(α,t)為γ次諧波的磁通密度;l為繞組定子鐵心軸向長度;v為氣隙磁通密度切割繞組的速率;z為繞組的阻抗;ω為電角頻率;β1為無故障時定轉(zhuǎn)子合成磁動勢與轉(zhuǎn)子磁動勢之間的夾角;β2為故障后定轉(zhuǎn)子合成磁動勢與轉(zhuǎn)子磁動勢之間的夾角;Eγm為無故障時γ次諧波的電動勢;If1為無故障時的勵磁電流;N為轉(zhuǎn)子匝數(shù);ψ為發(fā)電機(jī)內(nèi)功角;η為定轉(zhuǎn)子磁動勢之間的系數(shù)。由此可知,定子繞組匝間短路故障后,相電流中的奇次諧波電流幅值增大。
同步調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時的瞬時功率為
p(t)=uANiA+uBNiB+uCNiC。
(3)
式中:uAN、uBN和uCN分別為定子三相電壓;iA、iB和iC分別為定子三相電流。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓為理想正弦波,電機(jī)為對稱理想電機(jī)時,定子側(cè)電壓電流可記作:
(4)
式中:UAN、IA分別為A相電壓和A相電流的有效值;φ為基波電流滯后電壓的相位角。由式(3)和式(4)可得正常運(yùn)行時的瞬時功率為
p(t)=3UANIAcosφ。
(5)
根據(jù)式(5)可得,無故障時瞬時功率主要由一個常量構(gòu)成。
當(dāng)同步調(diào)相機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障時,定子三相電流不再平衡,且由前文可知,電流中頻率為3ω和5ω等的奇次諧波將會增大[27],隨著頻率增加,諧波的幅值大小逐漸降低。因此,故障后的相電流iAF、iBF和iCF表示為:
(6)
式中:IAmf、I3Amf和I5Amf分別為故障后A相定子電流中基頻、3次和5次諧波的幅值;IBmf、I3Bmf和I5Bmf分別為故障后B相定子電流中基頻、3次和5次諧波的幅值;ICmf、I3Cmf和I5Cmf分別為故障后C相定子電流中基頻、3次和5次諧波的幅值;φ1、φ3和φ5分別為對應(yīng)的初相位。因此,當(dāng)忽略定子匝間短路故障下定子電流中7次及7次以上諧波,故障后定子各相的瞬時功率表示為:
(7)
其中pAF(t)、pBF(t)和pCF(t)分別表示故障后A相、B相和C相的瞬時功率。由式(7)可知,當(dāng)同步調(diào)相機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路故障時,各相瞬時功率中除了常量以外,出現(xiàn)了頻率為100、200和300 Hz分量。故障后的瞬時功率pF(t)表示為:
pF(t)=pAF(t)+pBF(t)+pCF(t)=
IBmfcos(2ωt-φ1-240°)+
ICmfcos(2ωt-φ1+240°)]+
[I3Amfcos(4ωt-φ3)+
I3Bmfcos(4ωt-φ3-240°)+
I3Cmfcos(4ωt-φ3+240°)]+
[I5Amfcos(6ωt-φ5)+
I5Bmfcos(6ωt-φ5-240°)+
I5Cmfcos(6ωt-φ5+240°)]+
[(IAmf+IBmf+ICmf)cosφ1]+
[(I3Amf+I3Bmf+I3Cmf)cos(2ωt-φ3)]+
[(I5Amf+I5Bmf+I5Cmf)cos(4ωt-φ5)]。
(8)
因此,瞬時功率中出現(xiàn)的2次、4次和6次諧波分量可作為同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障的有效判據(jù)。此外,由于同步調(diào)相機(jī)發(fā)生定子繞組匝間短路故障時,三次諧波作為定子電流的故障特征量,較其他次諧波變化最為明顯,為說明所提診斷方法的優(yōu)越性,選取故障相定子電流三次諧波作對比分析。
根據(jù)江蘇某換流站現(xiàn)場運(yùn)行的一臺TTS-300-2型同步調(diào)相機(jī)建立二維有限元仿真模型,如圖2所示,具體參數(shù)見表1。該型號同步調(diào)相機(jī)定子線圈為三相、雙層繞組,Y型連接。轉(zhuǎn)子線圈采用外方內(nèi)方空心銅線,在槽內(nèi)布置成兩排,每排有6匝組成。同步調(diào)相機(jī)的繞組分布示意圖如圖3所示,虛線框①~⑧分別表示不同位置的1匝短路故障,⑨表示2匝短路故障。有限元耦合外電路模型如圖4所示,圖4(a)中WindingA1、WindingA2、WindingB1、WindingB2、WindingC1和WindingC2分別表示三相雙并聯(lián)支路的繞組,其中WindingA1為a1支路中的無故障部分,Short WindingA1為故障部分。圖4(b)中的WindingR表示勵磁繞組,If為勵磁電流。為了使電機(jī)達(dá)到調(diào)相機(jī)運(yùn)行狀態(tài),首先使其滿足并網(wǎng)條件,將外電路中的A、B、C三相繞組連接在三相對稱電源上模擬調(diào)相機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行。隨后調(diào)節(jié)勵磁電流If使得調(diào)相機(jī)運(yùn)行于空載狀態(tài),無功功率為0。此時,可通過調(diào)節(jié)勵磁電流If使調(diào)相機(jī)運(yùn)行于欠勵或過勵狀態(tài),吸收或發(fā)出所需要的無功功率。改變WindingA1和Short WindingA1可以控制短路繞組的匝數(shù)。此外,RA1和Short RA1為WindingA1和Short WindingA1對應(yīng)的電阻,改變匝數(shù)時需要相應(yīng)的改變RA1和Short RA1,改變過渡電阻值r則可以仿真不同故障程度的非金屬性短路。
圖2 同步調(diào)相機(jī)二維有限元模型Fig.2 Two dimensional finite element model of synchronous condenser
表1 仿真模型的參數(shù)
圖3 同步調(diào)相機(jī)定子繞組分布示意圖Fig.3 Winding distribution diagram of synchronous condenser
圖4 定子繞組匝間短路有限元外電路模型Fig.4 FEA External circuit model of stator winding inter-turn short circuit
當(dāng)同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行于額定工作狀態(tài)且不發(fā)生故障時,三相電流如圖5所示。此時定子三相電壓電流均對稱,瞬時功率等于有功功率,調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出300 MVar的無功功率。由于同步調(diào)相機(jī)不帶機(jī)械負(fù)載,主要負(fù)責(zé)向電網(wǎng)輸送無功功率,因此相對于無功來說,此時的有功功率較小主要用于維持調(diào)相機(jī)本身的運(yùn)行。圖6為瞬時功率和A相電流的頻譜分析結(jié)果。由圖6可知,無故障時瞬時功率主要為直流分量,相電流則為頻率50 Hz的正弦波。
圖5 額定工況下正常運(yùn)行時的定子三相電流Fig.5 Stator currents in normal operation under rated condition
圖6 無故障運(yùn)行時的FFT分析結(jié)果Fig.6 FFT analysis results under healthy condition
同步調(diào)相機(jī)a1支路①處發(fā)生定子繞組匝間短路故障,短路匝數(shù)為1。當(dāng)過渡電阻r為1 Ω時,定子相電流如圖7所示,此時瞬時功率的頻譜分析結(jié)果如圖8(a)。與圖5(a)正常運(yùn)行情況相比,瞬時功率中出現(xiàn)了明顯的諧波分量,頻率分別為100、200和300 Hz,與前文理論推導(dǎo)相吻合。其中,100 Hz分量最為明顯。由于故障嚴(yán)重程度較輕,相電流波形與無故障時相比,變化輕微。以故障相A相為例,故障后相電流中的3次諧波遠(yuǎn)小于瞬時功率中出現(xiàn)的偶數(shù)次諧波,此時A相電流的150 Hz分量僅為0.012 kA。當(dāng)過渡電阻r從1 Ω增加到2 Ω時,瞬時功率的頻譜分析如圖8(b)所示。由于故障程度減輕,瞬時功率的100 Hz分量從1.16 MW下降到了0.58 MW。為進(jìn)一步說明瞬時功率100 Hz分量對故障嚴(yán)重程度的靈敏,將過渡電阻r做更為微小的改變,從1 Ω減小到0.8 Ω時,瞬時功率中的偶次諧波均增加,其中100 Hz分量從1.16 MW增加到了1.45 MW,此時故障相的定子電流從0.012 kA上升到0.015 kA,數(shù)值依舊很小。由此可見,隨著故障程度的加深,瞬時功率的偶數(shù)次諧波和定子電流的三次諧波均會增加,且相比于定子電流的三次諧波,瞬時功率的偶數(shù)次諧波尤其是100 Hz分量的幅值更為顯著,適合作為故障診斷特征量。
圖7 1匝故障r=1 Ω時的定子三相電流Fig.7 Stator currents with r=1 Ω when 1 turn is short-circuited
圖8 不同過渡電阻下瞬時功率的FFT分析結(jié)果Fig.8 FFT analysis results of instantaneous power under different transition resistances
由于TTS-300-2型雙水內(nèi)冷同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝數(shù)較少,且文獻(xiàn)[15]中提及,調(diào)相機(jī)目前配置的保護(hù)方案對于小匝數(shù)同相同支路的短路故障不能可靠動作。因此我們只討論1匝和2匝短路的情況。當(dāng)在a1支路⑨處發(fā)生2匝短路故障,故障過渡電阻r為1 Ω時,瞬時功率和三相電流的諧波頻譜如圖9所示。相對于1匝短路,隨著故障匝數(shù)的增加,瞬時功率中的偶數(shù)次諧波有了明顯增大,此時定子故障相電流的三次諧波也增加到了0.016 kA。瞬時功率中的100 Hz分量相比于定子電流三次諧波,無論是幅值還是變化率均最為明顯。由此可見,即使對于小匝數(shù)的輕微短路故障,所提的故障特征量依舊取得了較好的結(jié)果。
圖9 2匝短路時的FFT分析結(jié)果Fig.9 FFT analysis results when 2 turns are short-circuited
改變a1支路的故障位置,當(dāng)①~⑧處發(fā)生定子匝間短路故障,短路匝數(shù)為1,且過渡電阻r均為1 Ω時,瞬時功率頻譜分析結(jié)果的變化趨勢如圖10所示。由圖可知,故障發(fā)生后,100 Hz分量的幅值最為明顯,其次為300 Hz分量,其中200 Hz的幅值最小。此外,在同一支路不同位置發(fā)生相同程度的匝間短路故障后,瞬時功率的偶數(shù)次諧波變化非常輕微。因此,所提方法的有效性基本不受匝間短路故障位置改變的影響。
圖10 不同位置下瞬時功率諧波分量的變化Fig.10 Variation of instantaneous power harmonic component at different positions
同步調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時,需要根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際需求調(diào)節(jié)勵磁電流從而發(fā)出相應(yīng)的無功功率。因此,有必要進(jìn)一步研究不同運(yùn)行工況下所提方法的可行性。減小勵磁電流,當(dāng)調(diào)相機(jī)所發(fā)無功為190 MVar時,定子電流如圖11所示。由圖可見,隨著勵磁電流的減小,定子電流也隨之下降,符合V型曲線的變化規(guī)律。此時在a1支路中位置①處發(fā)生短路故障,r=1 Ω時,瞬時功率和故障相電流的頻譜圖如圖12。與圖8(a)相比,故障后瞬時功率中出現(xiàn)的偶次諧波有所減小,但非常輕微且故障后瞬時功率偶數(shù)次諧波增加的整體變化規(guī)律依舊不變。此外,由于故障程度較小,定子故障相電流中的三次諧波分量非常低,僅為0.011 kA。
圖11 Q=190 MVar時正常運(yùn)行的定子三相電流Fig.11 Stator current in normal operation under Q=190 MVar
圖12 1匝短路r=1 Ω,Q=190 MVar時FFT分析結(jié)果Fig.12 FFT analysis results under r=1 Ω and Q=190 MVar when 1 turn is short-circuited
由于300 MVar大型同步調(diào)相機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行時間尚短,缺乏現(xiàn)場的實(shí)際故障數(shù)據(jù),且對現(xiàn)場運(yùn)行的大型調(diào)相機(jī)設(shè)置故障實(shí)驗(yàn)是不可行的。因此,我們利用一臺定制的小型同步電機(jī)來模擬調(diào)相機(jī)運(yùn)行,并設(shè)置故障情況,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖見圖13??紤]到實(shí)驗(yàn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)限制,本節(jié)只展示了不同過渡電阻、不同故障匝數(shù)以及不同運(yùn)行工況下的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)中同步電機(jī)的參數(shù)見表2。短路抽頭設(shè)置見圖14,其中抽頭AM之間3匝,占A相總匝數(shù)的1.2%,AN之間7匝,占A相總匝數(shù)的2.8%。
圖14 實(shí)驗(yàn)電機(jī)短路抽頭設(shè)置Fig.14 Short circuit tap of experimental motor
表2 實(shí)驗(yàn)室電機(jī)參數(shù)
圖13 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.13 Picture of experiment
將同步電機(jī)運(yùn)行于空載狀態(tài),通過調(diào)節(jié)勵磁電流來模擬調(diào)相機(jī)過勵和欠勵運(yùn)行。定子側(cè)選用變比為600 V/5 V的電壓互感器和10 A/5 A的電流互感器,選用DH5922D動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集實(shí)時的電壓電流信號。
實(shí)驗(yàn)過程中電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行,當(dāng)勵磁電流If=0.78 A時,調(diào)相機(jī)處于過勵狀態(tài),此時無功功率為1.6 kVar,有功功率為0.16 kW。當(dāng)定子A相支路中抽頭AM之間發(fā)生短路故障,過渡電阻為1 Ω時,瞬時功率和A相電流的頻譜分析如圖15所示??梢?,當(dāng)定子繞組匝間短路故障后,瞬時功率中出現(xiàn)了偶數(shù)次諧波,且定子故障相電流中出現(xiàn)了奇數(shù)次諧波,與理論和仿真的結(jié)果相符。將過渡電阻減小為0.1 Ω后,瞬時功率和A相電流的頻譜分析如圖16所示。與r=1 Ω時相比,瞬時功率的偶數(shù)次諧波和定子電流的三次諧波均增大。
圖15 3匝短路r=1 Ω,If=0.78 A時FFT分析結(jié)果Fig.15 FFT analysis results under r=1 Ω and If=0.78 A when 3 turns are short-circuited
圖16 3匝短路r=0.1 Ω,If=0.78 A時FFT分析結(jié)果Fig.16 FFT analysis results under r=0.1 Ω and If=0.78 A when 3 turns are short-circuited
改變故障匝數(shù),將抽頭AN短接,過渡電阻設(shè)置為1 Ω時,瞬時功率和A相電流的頻譜分析如圖17所示。由此可見,短路匝數(shù)的增多和過渡電阻的減小均導(dǎo)致了故障特征量幅值的上升。
圖17 7匝短路r=1 Ω,If=0.78 A時FFT分析結(jié)果Fig.17 FFT analysis results under r=1 Ω and If=0.78 A when 7 turns are short-circuited
增加勵磁電流,當(dāng)If=0.88 A時,無故障情況下,調(diào)相機(jī)的無功功率為2.4 kVar,有功功率為0.24 kW。同樣將抽頭AM和AN分別短路,故障過渡電阻均為1 Ω,故障后瞬時功率和定子故障相電流的頻譜分析結(jié)果分別如圖18和圖19所示。隨著勵磁電流的增加,定子電流增大,瞬時功率中的偶數(shù)次諧波和定子故障相電流的三次諧波均有所增大。但在同種工況下,瞬時功率偶數(shù)次諧波依舊符合故障程度越深,幅值增加越明顯的規(guī)律,且其中100 Hz分量最為突出。
圖18 3匝短路r=1 Ω,If=0.88 A時FFT分析結(jié)果Fig.18 FFT analysis results under r=1 Ω and If=0.88 A when 3 turns are short-circuited
圖19 7匝短路r=1 Ω,If=0.88 A時FFT分析結(jié)果Fig.19 FFT analysis results under r=1 Ω and If=0.88 A when 7 turns are short-circuited
為說明瞬時功率偶數(shù)次諧波更適合用來診斷定子繞組匝間短路故障,計(jì)算瞬時功率100 Hz分量和定子電流150 Hz分量的幅值變化率。將額定運(yùn)行時,位置①處發(fā)生1匝短路,過渡電阻r=1 Ω的情況作為仿真參考故障,計(jì)算故障程度變化后,瞬時功率偶數(shù)次諧波和定子電流三次諧波相對于參考故障的變化率,具體數(shù)值如表3所示。此外,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中將勵磁電流If=0.78 A,發(fā)生1.2%的短路故障,過渡電阻為1 Ω的情況作為實(shí)驗(yàn)參考故障,計(jì)算故障嚴(yán)重后各特征量幅值的變化率,見表3。由此可見,瞬時功率中100 Hz分量的變化率整體大于等于故障相電流中150 Hz分量的變化率,且瞬時功率的100 Hz分量的幅值明顯遠(yuǎn)大于定子電流中的特征量幅值。因此瞬時功率的100 Hz分量更適合用作調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障的診斷判據(jù)。此外,該方法只需要實(shí)時測量定子端的電壓電流信號,不需要額外的裝置,對輕微故障的診斷也十分靈敏,具有較好的可靠性。
表3 瞬時功率和故障相電流特征頻率的變化率
本文針對大型同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障進(jìn)行研究,提出了一種基于瞬時功率的故障診斷方法,并通過理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了本方法的可行性和有效性,得出了以下結(jié)論:
1)當(dāng)調(diào)相機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路故障后,瞬時功率中將出現(xiàn)偶數(shù)次諧波,且其幅值隨著故障嚴(yán)重程度的加深而增大,其中100 Hz分量的幅值最為明顯,適合用作故障診斷的特征量。
2)將瞬時功率偶數(shù)次諧波與定子電流三次諧波進(jìn)行對比,證明了瞬時功率相對于故障程度變化的靈敏度更高。
3)本文所提方法無需額外裝置,易于實(shí)現(xiàn)且對于輕微故障依舊有很好的診斷效果,適合用作大型同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障診斷判據(jù)。