维普资讯 http://www.cqvip.com 测试技术与检测设备ｌ Ｅ呻队 、皂札－号｝控制应＇日２，１１０７，３４（１２） 基于小波变换的发电机转子绕组 匝间短路故障在线检测方法 陈权涛， 杨向宇 （华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４０） 摘要：分析了发电机转子绕组匝间短路故障的机理，以及小波分析方法用于该故障的检测原理，将小 波变换应用于突变信号的检测，提取其故障特征，以实现对转子绕组匝间短路故障的检测及故障点的定位。 仿真结果表明，小波分析方法适用于转子绕组匝间短路故障的在线检测。 关键词：汽轮发电机；小波变换；匝间短路；故障诊断 中图分类号：ＴＭ３０７；ＴＭ３０３．１：ＴＭ３１ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００７）１２－００４０－０３ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｔｕｒｎ Ｓｈｏｒｔ－Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｆａｕｌｔ ｉｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｒｏｔｏｒ Ｗｉｎｄｉｎｇｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗａｖｅｌｅｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ＣＨＥＮ Ｑｕａｎ—ｔａｏ， ＹＡＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｙｕ （Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｈｕａｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｉｎｔｅｒｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｔ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ａｌｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔ ａｐｐｌｉｅｓ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｏ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ａｂｒｕｐｔｌｙ ｃｈａｎｇｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ，ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｓ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｃｈａｒａｃ－ ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅｒｅｂｙ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ａｎｄ ｆｉｎｄｓ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗａｖｅｌｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｏｎ・－ｌｉｎｅ ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒｏｔｏｒ ｗｉｎｄ－・ ｉｎｇｓ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｉｎｔｅｒｔｕｒｎ ｓｈｏｒｔ・ｃｉｒｃｕｉｔ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｅｓ ０ 引 言 １ 转子绕组匝间短路故障机理分析 转子绕组匝间短路是汽轮发电机较常见的故 在一定运行条件下，如果存在转子匝间短路， 障，也是影响安全运行的主要原因之一。因此，对 则励磁绕组的有效匝数将会减少；此时，为满足气 发电机转子绕组匝间短路故障进行在线检测具有 隙合成磁通条件，励磁电流必然增大。当发电机 重要意义：不仅可以对该故障做出合理判断，为故 正常运行时，气隙磁势在载流导体处发生跳跃，转 障的早期预判及诊断提供条件；还可以避免转子 子磁势的空间分布可近似认为是梯形。但当故障 恶性事故的发生，有助于早期发现事故，提高机组 发生时，转子的短路效应将会导致磁势局部损失， 的安全运转率。但到目前为止，国内外在发电机 使有短路磁极的磁势峰值和平均值减少。因此， 转子绕组匝间短路在线检测方面，无论是理论上 可将匝间短路认为是退磁的磁势分布，它反向作 还是实践上，都没有实质性的突破，也没有完全有 用在有短路磁极主磁场的磁势上（即正常条件下 效的检测方法和手段。 的磁势减去由短路引起的磁势突变）。采用叠加 本文在探测线圈法的基础上，将小波变换的 原理，可求出合成磁势的大小，使得磁势的损失更 分析方法用于故障信号的处理。该方法根据故障 倾向于线性变化，故可忽略主磁通回路的饱和。 信号的特点，通过小波变换，提取其模量极大值特 如果转子绕组在正常条件下磁势用 表示，短路 征，实现对故障的诊断和故障点的定位，从而实现 线匝产生的磁势用△ 表示，则短路故障发生后 对发电机转子绕组匝间短路故障的在线检测。 转子合成磁势Ｆ＝Ｆ０一ＡＦ。有效磁场的减弱，会 一４０一 维普资讯 http://www.cqvip.com 迫轧与控制应田２００７，３４（１２） 测试技术与检测设备 Ｅ№Ａ 使对应的空载电压较正常时有明显的下降，在机 端电压保持恒定的情况下，无功功率会相应下降。 因此，转子绕组匝间短路虽引起转子电流增大，但 无功功率却相对减小。 对 ）∈Ｌ （Ｒ）的连续小波变换 其重构公式（逆变换）为 ）＝ ） ） 。，ｂ）， （６） ２小波分析法 小波分析具有多分辨率分析的特点，以及在 时域和频域都有表征信号局部信息的能力，并有 式中：ｃ ＝２ ｄ∞＜ｏ。 （７） 式（３）给出的是连续小波变换公式。小波函 数 （ ）经整数放缩和整节点平移生成的时一频 很强的特征提取能力，时间窗和频率窗都可以根 据信号的具体形态进行动态调整。一般情况下， 低频部分（信号较平稳）可以采用较低的时间分 辨率，从而提高频率的分辨率；高频情况下（频率 变化不大），可以用较低的频率分辨率来换取精 确的时间定位。小波分析在时域和频域同时具有 良好的局部化性质，使其可以探测正常信号中的 瞬态成分，并展示其频率成分，被称为数学显微 镜，特别适用于对突变信号的处理。 小波变换 ４。是将信号－厂（ｔ）表示成不同位置、 不同尺度的小波的叠加，而小波系数 （ａ，ｂ）反 映的是在此位置、此尺度下的小波对整体的贡献。 不同位置、不同尺度下的小波是通过对某一小波 母函数的伸缩和平移构造出来的。 如果函数 （ ）满足以下允许性条件 ＿ ／ 、 ．２ ｃ ：ｆＪ Ｉ Ｗ Ｉ ｄ∞＜ｏ。 （１） （∞）＝Ｊ （ ）ｅ。 。ｄｘ （２） 若Ｃ。是有限值，则函数 （ ）就是一个小波函数。 并定义如下积分变换： １， Ｌ ０，ｂ）＝ｆ ０ Ｉ。。 ） （ ）ｄｘ， Ｊ ¨ ｆ∈Ｌ （Ｒ） （３） 是 ）以 （ ）为基的积分（连续）小波变换。记 。．６（ ）＝ 。（ 一ｂ）＝ｆ ０ Ｉ一寺 （翌＿二 ） “ ａ，ｂ∈Ｒ，ａ≠０ （４） 则式（３）可改写为 。，ｂ）＝ ）， （ ）） （５） 可见积分小波变换 （。，ｂ）是ｆ（ ）在函数 （ ）上的“投影”，它将一维函数－厂（ ）变换为二维 函数。其中，ａ称为尺度因子；ｂ称为平移量。尺 度因子ａ的伸缩和平移量ｂ的移动为连续取值的 小波变换就是连续小波变换，常简称为ＣＷＴ。 空间的函数族构成了离散小波。 对发电机转子绕组匝间短路故障的检测，实 际上是对定转子间气隙磁场在探测线圈上感应电 势畸变的检测。小波变换的一个显著特点就是能 够确定被分析信号的局部奇异性。其数学描述如 下： ）＝ ） （ ）＝ ） ）＝ （ ）× （８） 也即小波变换 （ ）可表示成ｆ（ ）在尺度 被 ０ （ ）平滑后的一阶导数。因此，如选择小波为光 滑函数的一阶导数，则由小波变换ｖ／ｆ（ ）的幅值 极大点可以检测信号厂（ ）的突变点。 ３ 试验研究 基于微分探测线圈法的发电机转子绕组匝间 短路故障的检测，实际上就是对发电机转子各槽 之间交链的槽漏磁通在感应线圈中感应电势的研 究。以转子有２极、每极１６个槽的汽轮发电机为 例，理想状态下认为各槽漏磁通在感应线圈中的 感应电动势相等，不考虑噪声的情况下，正常运行 时其模拟信号可表示为： ５（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２叮ｒ￡）＋Ｂｓｉｎ（３２×２叮ｒ￡） （９） 式中：Ａｓｉｎ（２叮ｒ￡）——主磁通在感应线圈中感应的 电动势；为方便计算，令Ａ＝１； Ｂｓｉｎ（３２×２叮ｒ￡）——槽漏磁通在感应线圈中 感应的电动势；为计算 方便，令Ｂ＝１。 由于转子有３２个槽，齿谐波的周期应为３２ 倍的主磁通所感应的电动势的周期，理想状态认 为各幅值相等。当发生匝间短路时，对应槽的安 匝数减小，使得磁通量减小，所以ｅ＝一ＮＳｄＢ／ｄｔ 也相应减小。假设某槽发生匝问短路，其对应的 ——４１—— 维普资讯 http://www.cqvip.com
测试技术与检测设备 Ｅ龋ｃＡ 电札西控制应Ｉ习２００７，３４（１２） 齿谐波幅值也要相应减小。用下面的表达式模拟 为计算方便，令Ａ＝１，Ｂ＝１，０＝０．１；即离散 后故障槽所对应的齿谐波的幅值减小到原来的 ０．９倍。根据故障信号的特点，选择ｄｂ５小波对 ， 某槽发生匝间短路时的故障信号： ｓ（￡）＝Ａｓｉｎ（２＂ｒｒｔ）＋ｇ（ｔ） （１０） 一ｎ Ｏ Ｏ 式中：ｇ（ｔ）＝Ｂ［“（ｔ）ｓｉｎ（３２・２订ｔ）一０“（ｔ—ｔＩ）ｓｉｎ （３２・２订ｆ）］ 信号进行３层小波分解。图１、图２、图３分别是 ，Ｏ２ Ｃ ＥＯ ＯＯ Ｏ ５Ｏ５ ‘■ＩＯ 发电机在正常运行、５号槽、短路，以及１２号和１８ 号槽同时短路时的模拟信号及其小波变换。本文 一４２一 ，＝｛三 以命令行方式对信号进行处理分析。 一ｉ ０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ Ｏ．８ ０．９ １．Ｏ ／＼，／、、， ／＾＼／＾√ 厂＼ √ ／＾、 ＼／＼八／＾＼／、厂、ｎ，、＾厂、厂＼．厂、＾／＼／＼八 ～一 一一ｌ一一一一ｌ一一一 Ｊ０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ Ｏ Ｏ．１ ０．２ ０．３ ０．４ Ｏ．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ Ｉ．Ｏ ｜ｊ ｓ 图１ 正常时模拟信号及小波变换 Ｏ Ｏ．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ 一 Ｏ．１ Ｏ．２ Ｏ３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ Ｏ．１ ＯＩ２ Ｏ－３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ Ｅ三三三三三 ０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ ，／ｓ 图２ ５号槽短路时模拟信号及小波变换 竹 ８ —２ ０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ 一ｉ ０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ １．０ 一题 ０ ０．１ ０．２ Ｏ．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ Ｏ．８ ０．９ １．０ ０ －０． Ｏ ５ ０ －５ ０ ０．１ Ｏ．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９ 】．０ ，／ｓ 图３ １２号和１８号槽同时短路时模拟信号及小波变换 （下转第５３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 迫弗乙再控制应阁２００７，３４（１２） 运行与保护 ＥＭｃＡ 电气人员结合公司一期和二期的成功经验， 圈再次带电吸合，电动机重新起动。这种方法虽 采用两种方法解决上述问题。 然简单，但是能保证像油泵这样重要的电机在电 ３．２．１ 方法１ 网晃电时仍能连续运转。甲醇装置采用此方法运 电动机控制回路电源取自主控ＵＰＳ电源，电 行１年多来，未发生因电网晃电造成的跳车事故。 网在发生波动的时候保证接触器线圈带电，接触 器主触点处于吸合状态，在电压恢复正常后电机 ４ 结 语 继续运转。在投入试运行过程中发现ＵＰＳ发出 异步低压电动机能否稳定地运行，直接关系 “接地报警”。检查后发现，报警原因是因为主控 到工厂的生产装置能否“安、稳、长、满、优”地运 ＵＰＳ输出电源是供给主控ＤＣＳ系统的电源，正极 行，所以对异步电动机的控制和保护更显得重要。 对地电压为ＡＣ＋１１０ Ｖ，负极对地电压为ＡＣ一 Ｍ１０２一Ｐ能够高效、准确地实现对电动机的检测、 １１０ Ｖ；而Ｍ１０２一Ｐ为了消除瞬间电压干扰以及浪 保护等，具有可靠的保护、连续的监测、高度的灵 涌可能造成的破坏，增强了装置工作的可靠性，让 活性等功能。Ｍ１０２一Ｐ在投入使用１年多来，承担 Ｍ１０２一Ｐ带有可靠接地端子；所以控制回路的 了电气监控系统现场设备的控制保护功能，得到 Ｍ１０２一Ｐ接地保护造成ＵＰＳ输出馈线对地电压一 了工艺装置操作人员的好评，为甲醇装置的稳定 极变为２２０ Ｖ，另一极为０ Ｖ，造成ＵＰＳ检测到接 运行提供了保证。 地现象，发出“接地报警”。故这种方法最终未能 采用。 【参考文献】 ３．２．２方法２ ［１］ 王仁祥．常用低压电器原理及其控制技术［Ｍ］．北 在控制回路中增加延时继电器，保证电网电 京：机械工业出版社．２００４． 压恢复后接触器线圈重新带电，达到重新起动电 ［２］许建安．电力系统继电保护［Ｍ］．北京：中国水利水 机的目的。具体接线方法：将时间继电器ＫＴ线 电出版社．２００５． 圈与接触器ＫＭ线圈并联，ＫＴ的延时打开（即时 ［３］ＡＢＢ公司．Ｍ１０１一Ｐ／Ｍ１０２．Ｐ电机控制装置用户手册 闭合）的常开触点与用于自锁的ＫＭ常开触点并 ［Ｇ］．２００６． 收稿日期：２００７ ７—１２ 联。这样当电网失电时，ＫＭ自锁触点打开，但 ＫＴ常开触点延时打开，在电网恢复电力后ＫＭ线 （上接第４２页） 对比图１、图２、图３中的原始信号波形，并不 很多因素的影响，所以为了实现各种工况下对该 能看出任何故障信息。但是从小波变换后的细节 故障的在线检测，还要对发电机转子绕组匝间短 信号ｄ１中可以看出，信号的突变点显示得相当明 路在线检测课题进行更加深入的研究。 显，可清晰看出突变点处对应感应电动势波形的 具体位置，即可判断图２中的故障点为５号槽，图 【参考文献】 ３中的故障点为１２号和１８号槽。 ［１］ 刘庆河．汽轮发电机转子绕组匝间短路的检测方 法［Ｊ］．大电机技术，２００４（４）：１３．１６． ４ 结 诸 ［２］ 王大凯，彭进业．小波分析及其在信号处理中的应 本文介绍了小波分析方法的基本原理，并用 用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００６． 小波变换方法研究了发电机转子绕组匝间短路故 ［３］ 高志，余啸海．Ｍａｔｌａｂ小波分析工具箱原理与应用 障的在线检测问题。试验证明，该方法不仅可以 ［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４． ［４］葛哲学，陈仲生．Ｍａｔｌａｂ时频分析技术及其应用 判断故障的存在，而且可以准确地检测出故障的 ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００６． 具体槽位。但是由于发电机转子绕组匝问短路的 收稿日期：２００７－０５－０９ 在线检测是个相当复杂的课题，检测的灵敏度受 ～ ～
