多功能雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺的研制

韓 斌，趙 勇，房剛利，鄧 巍

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多功能雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺的研制

韓 斌，趙 勇，房剛利，鄧 巍

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

根據(jù)兆瓦級雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，本文研制了雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)平臺，該試驗(yàn)平臺首次實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行多項(xiàng)非破壞性電氣試驗(yàn)，可模擬雙饋發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子匝間短路、相間短路、相對地短路、三相不平衡以及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不穩(wěn)定等故障。所研制的試驗(yàn)平臺可為研究雙饋發(fā)電機(jī)故障診斷算法等提供真實(shí)有效的故障數(shù)據(jù)。

雙饋發(fā)電機(jī)；試驗(yàn)臺；故障模擬；故障診斷

0 前言

雙饋發(fā)電機(jī)是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其可靠性和穩(wěn)定性會(huì)直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。雙饋發(fā)電機(jī)各類短路、絕緣損壞等故障由于其具有發(fā)展速度快、故障信號難以捕捉等特點(diǎn)，給發(fā)電機(jī)的檢修。故障監(jiān)測及故障診斷等工作帶來了很大的難度，對雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障機(jī)理及故障診斷技術(shù)研究過程中，有必要研制雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺，以便提供現(xiàn)場難以捕捉到的各類短路故障信號，這在驗(yàn)證各故障診斷算法及仿真結(jié)果的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-6]。

英國杜倫大學(xué)的P. J. Tavner和楊文獻(xiàn)[7]等人搭建的試驗(yàn)平臺可模擬發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障、傳動(dòng)系機(jī)械故障等。通過連接外部電阻箱該平臺也能模擬轉(zhuǎn)子三相不平衡故障。意大利博洛尼亞大學(xué)的D. Casadei和法國亞眠大學(xué)的A. Yazidi等人[8]搭建的風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺通過在定子或轉(zhuǎn)子某相串聯(lián)一個(gè)與該相阻值相等的電阻完成發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子三相不平衡故障的模擬。英國拉夫堡大學(xué)和杜倫大學(xué)的Simon Jonathan Watson, Beth J. Xiang等人[9]建立的試驗(yàn)平臺主要用于研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。羅馬尼亞蒂米什瓦拉工業(yè)大學(xué)的Lucian MihetPopa[10]等人搭建的試驗(yàn)平臺可模擬的故障主要包括定子繞組匝間短路故障、定子不平衡和轉(zhuǎn)子不平衡故障。上海電力學(xué)院的魏書榮、符楊和河海大學(xué)的馬宏忠[2]通過在轉(zhuǎn)子某相串聯(lián)一個(gè)電阻完成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相不平衡故障的模擬。華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)建模及平臺搭建等領(lǐng)域也做了很多工作，但主要偏重控制策略和方法的實(shí)現(xiàn)，以及電網(wǎng)故障的研究[11-15]。

在模擬發(fā)電機(jī)各短路故障、三相不平衡故障時(shí)，上述已有平臺都是在發(fā)電機(jī)制造過程中通過在相應(yīng)線圈上串聯(lián)電阻、直接短路的方式來實(shí)現(xiàn)的，即平臺所采用的發(fā)電機(jī)本身就是帶缺陷的發(fā)電機(jī)，平臺無法獲得發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)信號。綜上所述目前已有的各發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)平臺均未實(shí)現(xiàn)可反復(fù)進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)的功能，所采用的發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)跟實(shí)際雙饋發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相差較大，且同一個(gè)試驗(yàn)平臺可模擬的故障類型較少。

本文根據(jù)兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，研制了雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)平臺，以便獲取雙饋發(fā)電機(jī)真實(shí)的電氣故障數(shù)據(jù)。所研制的試驗(yàn)平臺可模擬多項(xiàng)雙饋發(fā)電機(jī)電氣故障類型，通過在發(fā)電機(jī)加工過程中從發(fā)電機(jī)定/轉(zhuǎn)子線圈不同位置處引出導(dǎo)線，并將導(dǎo)線連接到短路柜中的可編程控制器，通過可編程控制器接合與斷開試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行多項(xiàng)非破壞性試驗(yàn)的功能，即不同可編程控制器接合時(shí)模擬發(fā)電機(jī)不同故障，可編程控制器斷開時(shí)發(fā)電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。試驗(yàn)平臺的各項(xiàng)功能最后通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 需求分析

為模擬雙饋發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子各類短路故障、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡以及定、轉(zhuǎn)子的三相不平衡故障，本文研制的試驗(yàn)平臺需模擬的故障類型及故障位置信息見表1。當(dāng)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子某一相線圈發(fā)生匝間短路時(shí)必將造成定、轉(zhuǎn)子的三相不平衡，通過模擬發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子某一相短路故障，可同時(shí)模擬定、轉(zhuǎn)子三相不平衡故障。

表1 試驗(yàn)平臺可模擬的故障類型及故障位置信息

對于匝間短路故障，該試驗(yàn)平臺可實(shí)現(xiàn)對定子鐵心槽內(nèi)線圈A相2匝、4匝、6匝、8匝之間、B相6匝之間、C相6匝之間短路故障的模擬，A相位于鐵心端部線圈的5匝、10匝、15匝之間短路故障的模擬；轉(zhuǎn)子位于鐵心槽內(nèi)線圈A相2、4匝之間、B相4匝之間、C相4匝之間短路故障的模擬，轉(zhuǎn)子A相位于鐵心端線圈的3匝、5匝、10匝之間短路故障的模擬。

2 總體設(shè)計(jì)

本文研制的雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)平臺采用傳統(tǒng)的“對拖”模式，即通過一臺電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行。試驗(yàn)平臺主要由電動(dòng)機(jī)變頻器、電動(dòng)機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、雙饋?zhàn)兞髌骷跋嚓P(guān)的控制、監(jiān)測系統(tǒng)、短路柜、勵(lì)磁電流不平衡裝置、控制臺等構(gòu)成，監(jiān)測系統(tǒng)中的信號采集裝置包括振動(dòng)信號采集裝置和雙饋發(fā)電機(jī)定子三相電流、轉(zhuǎn)子三相電流、定子電壓信號采集裝置。試驗(yàn)平臺所用雙饋發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表2，平臺整體構(gòu)成框圖如圖1所示。

表2 試驗(yàn)平臺用雙饋發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)平臺組成框圖

雙饋發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能直接輸送到電網(wǎng)，試驗(yàn)平臺單位時(shí)間內(nèi)從電網(wǎng)吸收的功率可按公式（1）進(jìn)行估算。

=1+2+3+4+0（1）

式中：單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)平臺從電網(wǎng)吸收的功率；

1單位時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)變頻器自身消耗的功率；

2單位時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)消耗的功率（包括輸出功率和熱能等）；

3單位時(shí)間內(nèi)雙饋發(fā)電機(jī)輸出功率；

4單位時(shí)間內(nèi)變流器消耗功率（包括發(fā)電機(jī)無功功率）；

0其它機(jī)械損失功率。

3 故障模擬方案

3.1 轉(zhuǎn)子各類短路故障

為模擬轉(zhuǎn)子各類短路故障，本文在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下線前從轉(zhuǎn)子繞組預(yù)定位置引出14條導(dǎo)線，不同導(dǎo)線之間連接可實(shí)現(xiàn)表1所列的各類轉(zhuǎn)子短路故障。具體引線方式如圖2所示，首先將引線焊接到各線圈預(yù)定位置，然后使用絕緣紙將焊接點(diǎn)包好并加套絲管。

圖2 引線方式

從轉(zhuǎn)子引出的14根導(dǎo)線被連接到位于轉(zhuǎn)子平衡盤的絕緣螺栓上，如圖3所示。同時(shí)在轉(zhuǎn)子非驅(qū)動(dòng)端安裝6路滑環(huán)，通過滑環(huán)將連接在平衡盤絕緣螺栓上的引出線引出到發(fā)電機(jī)外部。連接通過6路滑環(huán)導(dǎo)出的不同引出線可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈匝間短路、相間短路、相對地短路故障的模擬。通過變換不同的固定在平衡盤上的引出線與滑環(huán)連接來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不同故障位置、不同故障類型的模擬。

圖3 轉(zhuǎn)子平衡盤上的絕緣螺栓及引線

通過滑環(huán)導(dǎo)出的引出線與短路柜內(nèi)6個(gè)可編程控制器連接，轉(zhuǎn)子各類短路故障通過控制可編程控制器的接合與斷開加以實(shí)現(xiàn)。

3.2 定子各類短路故障

類似轉(zhuǎn)子故障模擬方案，為模擬定子各類短路故障，本文在發(fā)電機(jī)定子下線前從定子繞組預(yù)定位置引出16條導(dǎo)線，不同導(dǎo)線之間連接可實(shí)現(xiàn)表1所列的各類定子短路故障。引線過程中同樣先將引線焊接到各線圈預(yù)定位置，然后用絕緣紙包好并套絲管加以保護(hù)。從定子引出的導(dǎo)線可直接連接到短路柜內(nèi)其余6個(gè)可編程控制器上，通過控制可編程控制器的接合與斷開來實(shí)現(xiàn)定子各類短路故障的模擬。

3.3 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡

為模擬因碳刷故障等原因造成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡故障，本文通過在A相、C相轉(zhuǎn)子勵(lì)磁輸入線處加裝可調(diào)電阻、可編程控制器的方式加以實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁狀態(tài)下KM1、KM4處于斷開狀態(tài)，KM2、KM3、KM5處于閉合狀態(tài)。進(jìn)行故障模擬試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)模擬故障類型的需要，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1、R2和控制KM2、KM5斷開、KM1、KM3、KM4的閉合來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡故障的模擬，試驗(yàn)平臺可模擬的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡相間的組合見表3。

圖4 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡模擬裝置構(gòu)成

表3 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不平衡相間組合

注：“×”表示勵(lì)磁電流與其它相相同，“√”表示勵(lì)磁電流與其它相不同。

3.4 保護(hù)措施

試驗(yàn)過程中為有效保護(hù)發(fā)電機(jī)不被過高短路電流損壞，試驗(yàn)平臺采用雙層防護(hù)措施：變流器保護(hù)、斷路器保護(hù)。通過合理設(shè)定變流器各項(xiàng)閾值參數(shù)，確保發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子在出現(xiàn)高于發(fā)電機(jī)絕緣層能承受的最大電流值和出現(xiàn)嚴(yán)重的三相不平衡時(shí)變流器能斷開發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁。在線圈引出的短路線處加斷路器，當(dāng)短路電流值超出發(fā)電機(jī)絕緣層能承受的最大電流值時(shí)斷路器斷開。

4 故障模擬效果

本文對表1所列的各類故障模型進(jìn)行了試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所研制的試驗(yàn)平臺的各項(xiàng)功能。圖5~圖9分別以定子A相匝間短路、定子BC相相間短路、轉(zhuǎn)子B相匝間短路、轉(zhuǎn)子BC相相間短路、轉(zhuǎn)子B相對地短路為例展示了部分試驗(yàn)結(jié)果，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min，輸出功率80kW。

雙饋發(fā)電機(jī)定子某相發(fā)生匝間短路故障時(shí)，定子對應(yīng)相有效線圈數(shù)減少，產(chǎn)生的感應(yīng)電流相應(yīng)減少。由于本文采用的雙饋發(fā)電機(jī)定子各相為“Δ”型接法，當(dāng)發(fā)電機(jī)某相發(fā)生匝間短路故障時(shí)，跟短路點(diǎn)接近發(fā)電機(jī)的兩相感應(yīng)電流值均會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示A相線圈發(fā)生匝間短路時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)A相、B相感應(yīng)電流均減小，其變化量見表4。由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流由變流器輸入，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子某相發(fā)生匝間短路故障時(shí)，轉(zhuǎn)子三相電流值均不會(huì)發(fā)生變化。

雙饋發(fā)電機(jī)定子發(fā)生相間短路故障時(shí)，定子對應(yīng)兩相有效線圈數(shù)減少，產(chǎn)生的感應(yīng)電流相應(yīng)減少，如圖6中雙饋發(fā)電機(jī)定子B相、C相感應(yīng)電流均減小，其變化量見表4。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子發(fā)生相間短路故障時(shí)，轉(zhuǎn)子三相電流值同樣不會(huì)發(fā)生變化。

圖5 定子A相匝間（4匝）短路故障（“?”短路開始點(diǎn)）

表4 不同故障類型對應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子三相電流幅值變化

雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子某相發(fā)生匝間短路故障時(shí)，該極磁動(dòng)勢將發(fā)生變化，氣隙磁密分布不再對稱，不對稱的磁密分布將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)附加諧波電動(dòng)勢，形成附加的諧波電流，定子三相感應(yīng)電流出現(xiàn)明顯的周期性沖擊信號，如圖7所示，各項(xiàng)電流變化量見表5。

圖6 定子BC相間短路故障（“?”短路開始點(diǎn)）

圖7 轉(zhuǎn)子B相匝間短路故障（“?”短路開始點(diǎn)）

表5 不同故障類型對應(yīng)的定、轉(zhuǎn)子三相電流幅值變化

雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子某兩相發(fā)生相間短路故障時(shí)，轉(zhuǎn)子對應(yīng)兩項(xiàng)相勵(lì)磁電流產(chǎn)生較多諧波及沖擊，極磁動(dòng)勢將發(fā)生變化，氣隙磁密分布不再對稱，不對稱的磁密分布同樣在定子繞組內(nèi)感應(yīng)附加諧波電動(dòng)勢，形成附加的諧波電流，定子三相感應(yīng)電流同樣出現(xiàn)明顯的周期性沖擊信號，如圖8所示，各項(xiàng)電流變化量見表5。

圖8 轉(zhuǎn)子BC相間短路故障（“?”短路開始點(diǎn)）

雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生對地短路故障時(shí)，轉(zhuǎn)子故障相B相因短路電流過大，使得轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴(yán)重三相平衡故障，為有效保護(hù)雙饋發(fā)電機(jī)安全，預(yù)先設(shè)定的變流器保護(hù)功能啟動(dòng)，瞬間自動(dòng)斷開對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁，如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子B相對地短路故障（“?”短路開始點(diǎn)）

5 結(jié)論

通過本文研究得出如下結(jié)論：

（1）利用本文提出的雙饋發(fā)電機(jī)故障模擬方案，試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)故障模擬功能，故障模擬方案可行性較強(qiáng)。

（2）試驗(yàn)平臺首次實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行多項(xiàng)非破壞性試驗(yàn)的功能。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證表明，試驗(yàn)平臺各項(xiàng)故障模擬效果明顯。

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Development of Multi-functional Fault Simulation Test Bed of Doubly-fed Induction Generator

HAN Bin, ZHAO Yong, FANG Gangli, DENG Wei

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

According to the structural characteristics and workingprinciple of doubly-fed induction generator of MW class, this paper developed a fault simulation test bed of doubly-fed induction generator, a variety of non-destructive testing could be performed through the test bed.The test bed can simulate the faults of inter-turn short circuit, short circuit between phases, phase to ground of stator and rotor, three-phase unbalance of doubly-fed induction generator and unstable excitingcurrent of rotor. The test bed could provide real and effective failure data for the study of fault diagnosis algorithm of doubly-fed induction generator.

doubly-fed generator; test bed; fault simulation; fault diagnosis

TM306

A

1000-3983(2017)05-0022-05

中國華能集團(tuán)科技項(xiàng)目(HNKJ16-H22)

2016-07-30

韓斌（1981-），2009年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)的研制與開發(fā)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷與狀態(tài)評估、風(fēng)機(jī)部件最優(yōu)維護(hù)策略研究、風(fēng)機(jī)塔筒、葉片無損檢測技術(shù)研究等工作，工程師。