基于RBF神经网络的转子匝间短路故障识别方法

2012-09-06 00:54刘玉飞王晓华
城市建设理论研究 2012年22期
关键词:RBF神经网络发电机

刘玉飞 王晓华

摘要:详尽地分析了发电机转子绕组发生匝间短路后的电磁特性,得到了匝间短路的特征参数。RBF神经网络不依赖于发电机的数学模型及其结构参数,具有实用价值。根据特征参数,建立了RBF(Radial Basis Function)神经网络诊断模型并将其应用于发电机匝间短路的故障诊断与识别。最后,实测了MJF-30-6型故障模拟发电机正常运行及故障运行时的特征信号, 与理论分析结果基本吻合。

关键词:发电机;匝间短路;磁动势;RBF神经网络

中图分类号: TB857 文献标识码: A 文章编号:

引言

发电机转子匝间短路一般的表现为:发电机组无功下降;发电机组轴系振动增大;轴电压升高等。

这些现象往往都是转子匝间短路已明显出现时的特征,而现代发电机在线检测等检测技术的发展更注

重于匝间短路故障的早期诊断[1]。

发电机转子绕组匝间短路故障在转子电气绝缘事故中占较大比例。对大型汽轮发电机来讲,转子匝间短路故障会产生很大的危害,短路点局部过热会导致绝缘烧损接地、线棒过热会导致变形或烧熔,故障的进一步发展会造成烧坏护环、大轴磁化,或烧伤轴颈和轴瓦等,甚至会造成转子烧损事故。

1转子匝间短路故障原因分析

转子匝间短路的故障原因主要包括制造和运行两个方面[2]。制造方面:转子端部绕组固定不牢,垫块松动;绕组导线的焊接头和相邻两套线圈间的连接线焊口整形不良;转子护环内残存加工后的金属切削等异物;运行方面:高速旋转的转子绕组受到离心力等动态应力引起移位变形;冷态启动机组转子电流急增,铜铁温差引起绕组铜线蠕变导致匝间绝缘与对地绝缘的损伤;转子绕组堵塞,造成局部过热,使匝间绝缘烧损等。

2 汽轮发电机转子电磁特性分析

2.1转子正常情况下的磁势分布

汽轮发电机正常运行时,沿转子圆周分布的磁动势是阶梯形波,每次经过转子槽,磁动势发生跳跃。对正常运行时转子磁动势 波形进行傅立叶分析[4]。将 展开为一系列谐波之和的结果如下:

(1)

其中, 为常数, 为转子的机械角度。

从公式(1)中可知,发电机正常运行时,磁动势只含有奇次谐波分量,且不含直流分量。

2.2发生匝间短路后转子的磁势分布

匝间短路后,短路侧该槽励磁绕组的有效匝数减少,导致其磁动势峰值减少,转子两侧的磁动势将不再对称,不对称磁势会在定子绕组产生附加谐波电势,当定子接负载时,就会在定子绕组中产生附加谐波电流。在此之前曾有学者对该磁动势进行过分析,但仅限于考虑转子一个极(N极)附近距离大齿最近的线槽内一匝短路的情况,这是转子绕组最轻微的短路情况,其主要目的是可以忽略励磁电流的变化,因为严重的匝间短路会引起励磁电流的增大。

2.3合成磁场的分析

匝间短路发生后,可以看作是退磁的磁势分布。它反向作用在一个特定极或有短路的磁极主磁场的磁势上。只考虑由于短路引起的基本问题,将正常条件下的磁势减去由短路引起磁势的小的突变,即可得到故障后的合成磁势[8]。这种考虑意味着问题是线性的,所以可以利用叠加原理。由于磁动势关于纵坐标对称,故合成磁动势含有余弦分量,而不含正弦分量和直流分量。短路后,转子磁动势变为 比原磁动势减小[3]。

3 转子匝间短路时的特征参数

考虑饱和时隐极同步发电机的磁动势-电动势图如图2所示。

图2 发电机的磁动势-电动势矢量图

气隙磁动势基波分量 由励磁磁动势基波分量 和电枢反应磁动势基波分量 共同建立,即 ,折算到励磁磁动势波形后得 。其中 , 为转子绕组匝数, 为励磁电流; 在时 - 空矢量图中相位与电流 一致。 为定子绕组每相串连匝数, 为定子绕组系数。假设发电机机端电压 、输出有功 和无功 维持不变,则定子电流 ,功率因数角维持不变,又由于 与磁场的饱和程度关系不大, ,可得不变且 与电流 的夹角维持不变,则有 维持不变,且 与 的夹角 维持不变,可得 维持不变。由此可见当发电机在 、 、 维持不变的条件下,转子绕组发生匝间短路时由于励磁绕组有效匝数减少,为满足气隙合成磁通条件, 会增大,但 维持不变 ,并且 、 和 之间的关系可以体现出转子绕组的状态。

4神经网络故障诊断的原理

由于神经网络有强大非线性映射能力,并且RBF网络具有收敛速度快、不易陷入局部极小点等优点,所以本文采用RBF网络对模型参数进行匝间短路故障诊断。

5、结论

(1)转子匝间短路故障发生后随着励磁电流增加,无功却相对减少[9]。

(2)在分析汽轮发电机转子匝间短路的电磁特性基础上,提出并建立了三层RBF神经网络并将其用于转子匝间短路故障诊断中。实验结果证明,RBF神经网络经过充分的训练后,不但能够诊断转子匝间短路故障,而且能够预测匝间短路的程度。

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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