抽水蓄能发电电动机转子绕组匝间短路故障特征分析与诊断

作     者：李德奇 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永刚

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：发电电动机 转子绕组匝间短路 有限元仿真 空载曲线拟合 深度学习 多源信息融合 

摘      要：抽水蓄能电站作为新型电力系统的组成部分,对促进清洁能源的良好消纳、保障电力系统的安全稳定运行具有重要作用,近年来得到了大力的发展和建设。发电电动机作为抽水蓄能机组的核心元件,其正常可靠运转对于抽水蓄能电站的性能和安全性至关重要。转子绕组匝间短路故障是发电电动机常见的故障,若不及时发现和清除,将会逐步恶化直至造成系统安全事故。为了保证抽水蓄能电站安全运行,本文针对发电电动机的在线故障检测方法展开研究,主要研究内容如下:(1)首先分析了发电电动机转子绕组匝间短路故障前后的磁场变化情况,基于有限元理论与场路耦合原理,利用仿真软件Ansoft Maxwell与Simplorer搭建发电电动机的二维有限元模型与外电路,并利用机端电压和定子电流相对偏差大小以及气隙主磁场的变化特点验证了模型的准确性。其次,以磁势平衡原理为基础,推导发电电动机在转子绕组匝间短路故障前后转子磁势与气隙磁势的变化特征,并通过仿真进行验证。最后,结合麦克斯韦应力张量法与仿真计算,得到不平衡磁拉力随匝间短路故障程度的变化关系。(2)针对抽水蓄能发电电动机转子绕组匝间短路问题,提出了一种基于反向空载曲线拟合的故障诊断方法。首先,根据同步电机的矢量关系,利用电机自身的参数和基本运行数据,建立了励磁电动势的数学模型。在此模型的基础上,利用反向空载曲线求出正常工况下与励磁电动势对应的励磁电流。其次,将计算出的励磁电流与实际励磁电流进行比较,并根据相对变化量的大小判断短路的严重程度。该方法独立于电机的运行条件,无需额外的传感设备,可以实时在线监测。最后,利用抽水蓄能发电机的实时数据和仿真模型验证了理论分析的正确性和诊断方法的有效性。(3)针对抽水蓄能机组转子绕组匝间短路故障诊断多采用单一特征量,导致故障识别率不高的问题,提出了一种基于CNN与多源机电信息融合的方法。首先,建立了CNN与多源信息融合故障识别模型,将电机的励磁电流、机架振动、机盖振动的现场运行数据作为输入进行训练。其次,采用D-S证据理论将3种特征量的输出概率进行决策融合。最后分别与单一特征时的故障识别准确率和传统故障诊断算法下的识别准确率进行对比,验证了该方法的准确性。