調相機故障診斷及研究進展*

李俊卿, 黃 濤, 張承志

(華北電力大學 電力工程系,河北 保定 071003)

0 引 言

我國能源資源與電力負荷呈逆向分布,高壓輸電距離長、容量大和區域廣的特點突出。其中直流特高壓輸電具有輸送容量大、運行穩定可靠和輸電損耗小等突出優勢,得到了快速發展和廣泛應用[1-2]。

特高壓直流輸電系統只能傳輸有功功率,無法向交流電網傳輸無功功率。當交流電網的無功儲備不足或短路容量較小時,就可能出現換相失敗和直流閉鎖問題,影響電網的穩定運行。因此,在特高壓直流輸電系統的整流側和逆變側,需要大量的動態無功以確保系統安全可靠運行。同步調相機因其優良的動態無功響應能力和轉動慣量,在特高壓直流輸電系統中得到了應用。

同步調相機分別安裝于特高壓直流輸電系統的送端與受端,以保證電網的穩定和安全。特高壓直流輸電系統的送端有時會產生直流閉鎖故障,剩余大量的感性無功,造成暫態過電壓,此時的調相機運行于欠勵磁狀態,以吸收感性無功為主;在受端容易出現逆變器換相失敗,造成電網的無功功率不足,繼而引起電網電壓下降,此時的調相機運行于過勵磁狀態,以發出感性無功為主。

盡管新一代大容量同步調相機運行時間尚短,但因為其容量大且結構復雜,運行過程中容易發生故障。一旦發生故障將導致交流電網無功功率嚴重不足,進而發生大規模電壓跌落甚至脫網現象,影響電力系統的穩定可靠運行并造成巨大經濟損失。目前對于同步調相機故障診斷的研究仍然處于理論研究與試驗室仿真驗證階段,距離實際應用于現場還有著距離,但其存在的缺陷已逐漸暴露出來。因此,對同步調相機的故障診斷研究具有十分重要的意義。

目前,由于同步調相機投入使用的時間尚短,對于相關故障參數的收集存在較大困難。其次,實際運行中的同步調相機故障模擬測試耗費巨大,且存在安全隱患。所以目前對同步調相機的故障特性分析,主要是從計算機仿真分析與試驗驗室模擬分析兩方面入手。其中,試驗室構建實際物理模型并模擬故障狀態的方法可模擬的故障范圍小,而計算機仿真能夠定性定量地分析各種故障特征,且容易修改相關參數,因此成為研究同步調相機故障診斷的主要方法。

本文分析總結了同步調相機繞組匝間短路、轉子偏心、水路堵塞和軸承故障等的產生原因、特征、診斷技術以及研究趨勢,對今后的同步調相機故障診斷研究有一定的參考價值。

1 同步調相機的典型故障分析

1.1 定子匝間短路故障

同步調相機是大型旋轉設備,其結構復雜。定子匝間短路是其常見故障之一,絕緣破壞、機械振動過大均有可能造成此故障。

定子匝間短路故障的發生往往伴隨著大電流,調相機可能發生過熱,加大絕緣破壞程度,進而引發系統不穩定等更大事故。同步調相機定子匝間短路示意圖如圖1所示。圖1中,ia、ib、ic為定子A、B、C三相電流;r為匝間短路點的接觸電阻;isc為流過接觸電阻的短路電流。

圖1 同步調相機定子匝間短路示意圖

針對同步調相機定子匝間短路的故障特征和故障診斷研究主要集中于匝間短路前后的振動信號和電信號。振動傳感器的安裝位置和環境噪聲會影響診斷的精確性。相較于振動信號,通過分析電信號進行故障診斷則具有更高的穩定性以及更低的成本。

同步調相機在進行定子匝間短路故障診斷的過程中需要考慮勵磁電流變化對故障特征的影響。文獻[3]研究了同步調相機定子匝間短路故障后的振動特性,并考慮了欠勵磁、過勵磁以及勵磁電流的變化對故障特征的影響。同步調相機發生定子匝間短路故障時,定子振動的100 Hz、200 Hz和300 Hz分量會變大。此外,故障特征分量的幅值將隨著定子匝間短路故障的惡化而增加。無論是在欠勵磁下還是在過勵磁下,此規則都是適用的。而定子振動的300 Hz分量隨著勵磁電流的增大,在欠勵磁狀態下隨之降低;在過勵磁狀態下隨之增加。100 Hz、200 Hz分量始終隨著勵磁電流的增大而增大。

目前,更多文獻將調相機定子匝間短路的故障特征研究集中于無功功率和電流等電信號。在欠勵磁狀態下,定子匝間短路會使吸收的無功功率與故障相電流增大,且幅度隨著故障程度的加深而增大,勵磁電流的增加會降低吸收的無功功率與故障相電流;在過勵磁狀態下,定子匝間短路會使輸出無功功率與故障相電流減少,且減少幅度隨著故障程度的加深而增大,勵磁電流的增加會使調相機向電網輸出的無功功率與故障相電流增大[3]。而從電信號的諧波出發,故障特征分量因運行工況的改變而造成的變化趨勢不同的問題可以得到改善。文獻[4]提出以相電流的三次諧波作為診斷定子繞組匝間短路故障和識別故障相的指標。相電流的三次諧波不受勵磁電流的影響,始終隨短路程度的增大而增大,且故障相電流中的三次諧波大于其他兩相,能對故障發生相實現判別[4]。文獻[5]則利用勵磁電流中的二次諧波診斷定子匝間短路故障。該方法不需要調相機的參數,因此可以提高故障診斷方法的魯棒性;也不需要定子側的電流和電壓信息,因此可以減小電網側的影響[5]。但利用電信號的諧波作為故障診斷依據,還需要考慮是否與其他類型的故障存在交叉問題。例如,文獻[6]提出了基于瞬時功率偶次諧波幅值的診斷方法。研究發現瞬時功率中100 Hz的諧波分量幅值增大量最為突出,對輕微定子匝間短路有很好的診斷效果。但文獻[6]沒有對調相機發生轉子匝間短路情況下診斷有效性進行驗證,事實上轉子匝間短路也會造成瞬時功率偶次諧波增大,因此可能發生誤判[7]。

除此之外,也有學者從不同物理量之間的關系出發,對調相機定子繞組匝間短路進行故障診斷。文獻[8]提出了一種基于相電流與勵磁電流之比的故障指示器(FI)。FI通過V形曲線不斷更新不同勵磁電流下的參數,因此也能夠消除勵磁電流的干擾,并能對定子匝間短路早期故障進行診斷[8]。文獻[9]利用勵磁電流與各相電流之間的關系進行故障診斷。勵磁電流與故障相的相電流在不同程度的定子匝間短路故障下始終保持線性關系,而與非故障相的相電流則呈現非線性關系。隨著故障程度的加深,這種非線性程度也不斷加大,可由此判別故障相及其故障程度。以上兩種方法不需要侵入調相機內部,便于在工程實際中應用。文獻[10-11]則從故障相的故障支路與非故障支路間電流的關系出發,分析了調相機定子匝間短路故障發生時故障相支路電流的變化。調相機故障相故障支路的電流增大,故障相的非故障支路電流減小,兩支路電流之間出現較大的相位差。故障相支路電流間的相位差要遠大于非故障相支路電流間的相位差,且隨著故障程度的加深,相位差的程度也不斷加大。這種基于故障相支路電流間相位差的診斷方法基本不隨運行工況的改變而變化,可靠性好,理論上可以實現定子繞組匝間短路的故障相定位。但當前投運的同步調相機,定子每相的兩條支路上并沒有安裝電流傳感器,因此該方法目前在現場中的應用受到限制。文獻[12]以電樞電流與勵磁電流所形成的V形曲線偏移程度診斷調相機定子匝間短路故障。發生定子繞組匝間短路故障時,故障相的故障支路電樞電流增大,其V形曲線會向上偏移,而故障相的非故障支路的電樞電流降低,其V形曲線會向下偏移,故障相整體V形曲線呈向上偏移的趨勢;非故障相V形曲線的偏移趨勢與故障相的整體偏移趨勢相同。此種方法無需增加新的測點,在過勵磁的情況下更容易識別定子匝間短路故障。文獻[13-14]則從零序電壓基波分量和定子電流之間的關系出發,以零序電壓基波分量的幅值是否大于閾值來判斷是否發生定子繞組短路故障,再用零序電壓基波分量和故障相的相電流之間的最小相位差來確定故障相。故障程度、位置以及運行工況的改變均不影響故障識別與故障相定位的準確性。

目前,也有運用神經網絡對調相機定子匝間短路進行故障診斷的文獻。文獻[15]提出了一種基于改進K均值聚類算法的RBF神經網絡故障診斷算法并可以用于調相機的定子繞組匝間短路。文獻[16]通過能量全連接層學習故障信號的特征分量,增強信號的瞬態特征,同時對數據進行自適應壓縮,對有效特征進行分布式映射,通過試驗證明這種診斷方法具有較高的診斷正確率。文獻[17]針對調相機輕微定子匝間短路故障難以辨識的問題,提出了基于稀疏深度森林的調相機輕微定子匝間短路故障診斷方法。將定子電流的1、3、5、7次諧波幅值作為預特征,再利用稀疏濾波網絡將特征信息增強,然后在深度森林中引入XGBoost和邏輯回歸的基學習器,具有較高的診斷精度與效率[17]。

綜上所述,對于調相機定子繞組匝間短路故障診斷大多以對故障信號進行機理分析為主。定子匝間短路的故障特征主要為定子振動信號中的諧波分量變化,定子相電流或者支路電流的幅值、相位差和諧波含量的變化,無功功率的變化以及V形曲線的變化等。對故障信號進行預處理后利用神經網絡進行診斷具有準確率高的優點。

1.2 轉子匝間短路故障

對于大型同步調相機,其轉子繞組匝間短路故障在初期并不嚴重,調相機可以運行。然而若工作條件不佳,如定子三相電壓不對稱,其負序旋轉磁場會在轉子繞組中感生倍頻電流,從而使短路環電流增大,短路點溫度上升,相鄰繞組絕緣老化加快。因此若有輕微轉子繞組匝間短路故障的調相機繼續長期運行會導致嚴重故障,進而給電網造成巨大損失。

同步調相機轉子匝間短路示意圖如圖2所示。其中,Ees為勵磁系統電動勢,Res為勵磁系統電阻,Zsc為短路部分阻抗,Rfkl為短路接觸電阻,if、ifkl分別為勵磁電流與勵磁短路電流。

圖2 同步調相機轉子匝間短路示意圖

文獻[18-19]推導了短路匝數與轉子繞組勵磁電流之間的關系,提出了可以通過轉子勵磁電流來初步判斷轉子繞組匝間短路的嚴重程度。此外,文獻[19]設計了小波模型提取出故障信號的特征能量值,輸入徑向基函數神經網絡進行故障診斷。文獻[20]發現在發生轉子匝間短路后會引起調相機偶數次諧波磁場增強,定子鐵心的穿心螺桿與支持筋上的感應電動勢都出現了偶次諧波。根據偶次諧波電壓之和與基波比值診斷調相機轉子匝間短路故障,根據兩穿心螺桿疊加感應電勢波形上突變點的位置判斷故障槽的位置,實現了轉子繞組匝間短路故障診斷和定位[20]。文獻[21]還研究了換相失敗前后,帶轉子繞組匝間短路故障運行的調相機氣隙磁場和轉子所受不平衡磁拉力的變化特征。文獻[21]發現當僅發生轉子匝間短路時,同步調相機氣隙磁密產生畸變,氣隙磁密中出現了偶次諧波,調相機中產生了不平衡磁拉力。而當換相失敗也發生時,同步調相機氣隙磁密偶次諧波含量與不平衡磁拉力兩故障特征較之前更突出,可以用于診斷轉子繞組上發生的輕微匝間短路故障[21]。

除以上從電磁角度分析轉子匝間短路的故障診斷方法外,文獻[22]從溫度場和熱應力的角度分析了大型水內冷電機轉子內冷水系統堵塞和轉子繞組匝間短路故障。研究發現兩類故障都會引起轉子溫度畸變,并且故障處的畸變最為明顯。除此之外,僅發生水路堵塞的溫升要比兩類故障共同發生的溫升高,水路堵塞也會導致故障處熱應力增大[22]。

此外,也有學者對故障特征信號進行處理后直接診斷或者利用算法進行診斷。文獻[23]建立RBF神經網絡模型對故障信號進行分析,結果表明有較高的診斷正確率與較少的診斷時間。文獻[24]采用有限元方法模擬了同步調相機存在轉子匝間短路時發生換向故障前后的氣隙磁通密度、轉子振動和定子振動等信號,然后利用DS證據理論對故障特征進行融合,可診斷調相機轉子繞組弱匝間短路故障。

綜上,關于同步調相機轉子匝間短路故障分析主要集中于故障特征和故障診斷方法的研究。轉子匝間短路故障特征主要為勵磁電流的變化、氣隙磁密中的二次諧波、轉子受到不平衡電磁力和轉子熱應力的變化等。故障診斷主要有基于故障特征的直接診斷和通過神經網絡等算法進行診斷兩種方式。

1.3 轉子靜、動偏心故障

由于制造工藝不足或者受到電網沖擊致使同步調相機定轉子之間的氣隙分布不均的現象稱為轉子偏心。而根據偏心發生后導致的轉子旋轉中心不同,又可以將轉子偏心分為靜偏心、動偏心和混合偏心。

靜偏心,也稱安裝偏心,主要由于電機定子安裝不當或本身不均勻造成的。轉子發生靜偏心時軸承位置發生變化,轉子繞偏心后軸承中心旋轉,氣隙最小長度位置不變。動偏心,又稱為質量偏心,是由電機轉軸發生彎曲、軸承磨損等引起的。轉子動偏心發生后轉軸仍繞偏心前軸承中心旋轉,氣隙最小長度位置隨著轉子旋轉而改變。混合偏心,又稱動靜混合偏心,靜偏心、動偏心故障同時發生時稱為混合偏心。靜偏心、動偏心示意圖如圖3和圖4所示。圖3和圖4中,αm為調相機的機械角,t為時間,g(αm,t)為調相機的氣隙。

圖3 同步調相機轉子靜偏心示意圖

圖4 同步調相機轉子動偏心示意圖

目前,對轉子偏心故障的研究主要集中于調相機的電磁特性和振動特性兩方面。文獻[25]分析了同步調相機在轉子偏心作用下的電磁特性。當同步調相機出現轉子偏心故障時,氣隙磁通密度的偶次諧波明顯增加,其中二次諧波增加最快。同時,電磁力的2倍頻率分量明顯變得更大,并且該特征量隨著偏心度的增加而增加。電磁轉矩將隨著偏心率的增加而減小,但電磁轉矩的高頻諧波將隨著偏心率的增加而增加。文獻[26-27]從同步調相機發生轉子偏心故障的振動特性出發,發現靜態偏心故障造成的振動頻率以二倍頻的偶次諧波為主,二倍頻振動幅值增大;而動偏心故障的振動頻率以基波為主,各個倍頻振動幅值均有增大,故障程度越高,幅值增長越大。

除單一分析電磁特性和振動特性外,也有學者對這兩個特性進行綜合考慮來對轉子偏心故障進行診斷研究。文獻[28]提出了基于磁密諧波和振動特征的大型調相機動態偏心故障診斷方法。研究發現偏心后氣隙磁密出現偶次諧波,定子出現奇數倍頻振動的故障特征,兩故障特征都隨故障程度的增加而增加。利用兩故障特征結合的診斷方法不受運行狀態的影響,更加準確。文獻[29]對調相機偏心故障下氣隙磁密、不平衡電磁力以及定轉子振動特性進行了分析,并綜合比較了快速傅里葉變換、加窗傅里葉變換、小波分析及小波包分析在信號特征提取上的特點,提出了基于小波包-神經網絡的故障診斷算法。

除上述對單一轉子偏心故障診斷研究外,也有學者對包含轉子偏心故障的復合故障進行研究。文獻[30-31]從氣隙磁密和轉子不平衡磁拉力的角度出發,分析了換相失敗和轉子匝間短路下的靜偏心故障特點。發現復合故障會使得氣隙磁通密度和不平衡磁拉力的故障特征進一步擴大,且在復合故障出現時,振動響應曲線會變得更加復雜。文獻[32]對強勵極端穩態工況下的轉子動偏心和匝間短路引發的磁場不平衡和電磁力進行了研究。研究發現兩類故障都引起磁場不平衡,轉子動偏心引起的不平衡電磁力增幅較小,而轉子繞組匝間短路會引起不平衡電磁力增加數倍[32]。文獻[33]研究了轉子偏心、定子繞組匝間短路及其復合故障下大型同步調相機的穩態和動態故障特性。在偏心故障導致的定子并聯支路環流頻率方面,靜態偏心以基波為主,動態偏心以偶次諧波為主[26]。選擇定子繞組并聯支路環流和無功功率輸出作為區分故障的指標。研究發現可以通過比較定子繞組循環電流和無功功率的波形、FFT頻譜和大小來區分這些故障。

綜上所述,調相機的偏心故障研究一般是通過有限元仿真獲得故障特征信號,再直接利用故障特征信號或利用處理后的故障特征信號進行診斷。常見的故障信號有氣隙磁密、轉子不平衡電磁力和振動信號等。

1.4 定子水路堵塞故障

新一代大容量同步調相機的冷卻方式之一為雙水內冷。以水作為冷卻介質會產生冷卻水路堵塞以及空心股線漏水等問題,其中定子水路堵塞是導致電機發生冷卻系統故障的最大因素。水路堵塞會造成電機過熱,破壞繞組及絕緣,嚴重時甚至會燒壞電機。定子溫升受冷卻水流速和進水溫度雙重影響,進水溫度越低、冷卻水流速越快則冷卻效果越好[34]。

目前對定子水路堵塞故障的研究文獻較少,主要集中在流體場和溫度場兩方面。文獻[35]通過有限元方法對發生定子水路堵塞的雙水內冷調相機的定子流體場和溫度場進行分析。研究發現定子水路發生堵塞時,會使得堵塞空心股線的水冷卻流速下降、堵塞支路水路的出口溫度上升,且這種趨勢隨著故障程度的增加而增加[35]。文獻[36]分析了不同位置的空心股線水路堵塞時的溫升趨勢,提出了溫度與流速相結合的故障診斷構想。文獻[37]分析了上下層線棒空心股線分別堵塞時定子的溫度分布,研究發現上層線棒發生故障時對電機溫度的影響比下層線棒更大。

1.5 其他故障

軸承是調相機組重要的組成部分之一,一旦發生故障可能導致機組停機且維護成本較高。文獻[38]提出了一種基于隨機子空間識別-多核支持向量機(SSI-MSVM)的調相機軸承故障診斷方法。通過SSI對采集到的調相機軸承振動信號進行預處理,采用正交投影和奇異值分解得到狀態矩陣,再利用參數估計獲取系統矩陣及特征值。最后,對MSVM進行有監督的訓練,實現對調相機軸承故障的識別診斷。

在同步調相機中,轉子繞組接地也是常見的故障之一。由于勵磁系統在同步調相機中隔離,勵磁繞組的單個接地故障不會造成直接危險。但是,如果發生第二次接地故障,則勵磁繞組會部分短路且故障電流升高,從而導致嚴重損壞。因此,必須立即檢測到勵磁繞組的單個接地故障。文獻[39]提出了基于接地電阻兩側電壓幅值和相位角的故障診斷方法,這兩種方法具有相同的結構。論文給出了轉子接地故障的雙重診斷準則,以提高同步調相機診斷的有效性。

通過上述分析可見,同步調相機各類故障的特征既有不同,也有交叉。同步調相機故障類型與故障特征之間的關系如表1所示。

表1 故障類型和故障特征量對應關系

2 當前研究存在的挑戰

可以看出,對于調相機故障診斷的研究主要以故障仿真和信號處理為主,不過仍然存在如下挑戰:

(1) 調相機故障特征信號難以獲取

從現有文獻來看,除定、轉子電流和功率的數值等易獲取信號外,調相機的故障特征還包含了諸如電流、功率、氣隙磁密等物理量的諧波和電流間或者電流與電壓間的相位差等,而這些故障特征量的獲取需要很高的數據采集頻率。定子繞組支路電流、定子繞組支路間環流等故障特征量的獲取,則需要在調相機內部定子繞組支路上裝有電流傳感器。目前已投運的調相機的數據采集頻率很低,文獻中所述的故障特征信號尤其是諧波信號和相位差信號難于獲取。另外,已投運的調相機也沒有在定子繞組支路中安裝電流傳感器。這些因素給同步調相機的故障特征采樣和故障診斷造成了困難。因此,如何從可獲得的物理量中尋找調相機的故障特征是值得深入研究的問題。

(2) 依據單一特征量進行故障診斷存在不準確性

調相機實際運行工況中因為制造工藝和環境噪聲等影響,會出現和故障情況下相似的特征,如電壓波動和閃變造成調相機定子電流出現諧波。除此之外,不同故障的故障特征存在相互交叉的情況。例如,同步調相機在發生定子匝間短路和轉子匝間短路都會造成瞬時功率偶次諧波增大[13-14];強勵極端穩態工況下同步調相機轉子動偏心和轉子繞組匝間短路都會引發磁場不平衡和電磁力增大[23]。因此,若使用單一故障特征量作為故障診斷的依據,容易出現誤診現象。在今后的調相機故障診斷研究中,要盡可能地選取多個故障特征量進行聯合診斷,以提高故障診斷的準確性。

3 結 語

本文主要分析總結了同步調相機定子繞組匝間短路、轉子繞組匝間短路、轉子偏心、定子水路堵塞、軸承故障、轉子繞組單點接地、匝間短路與轉子偏心同時存在等不同故障形式的產生原因、故障特征和診斷方法,并對各種故障診斷方法的優缺點進行了對比分析。

目前對同步調相機故障診斷的研究,基本上處于理論仿真和試驗室驗證階段。所得到的診斷方法距離應用于現場還存在很大差距,之后的研究需要考慮到環境噪聲、供電電壓波動或閃變等外部因素對故障特征分量的影響問題。另外,新一代大容量同步調相機裝有數據采集系統,獲得了龐大的數據量。通過深度學習人工智能等技術對同步調相機進行故障診斷,已經被證明具有較高的精確性與可靠性,如何充分利用這些數據實現調相機的在線故障診斷也是未來的發展方向之一。