Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL TESTING METHODS OF FUNCTIONAL DIAGNOSTICS OF THE ROTOR WINDING SYNCHRONOUS GENERATOR

Polischuk V.I. 1 Kritskiy M.V. 1 Serkova Y.M. 2 Gerasimov N.V. 3
1 Samara State Technical University
2 Tomsk Polytechnic University
3 System Operator of the United Power System, Joint-stock Company
The article is considered the results of research to develop a method of digital signal processing to identify local nonuniformities to diagnosted turn-to-turn short circuit in rotor winding of synchronous generator. The synchronized generators are complex electromechanical system. Many of the defects occurring in the synchronous generator, for example, turn-to-turn short circuit in rotor winding are difficult to define due to the lack of direct causal relationships between the available measured parameters and the magnitude of the defect. The experimental setup that enables the testing of methods for intelligent identification and diagnosis of the synchronous generator. On the basis of the experimental complex is proposed and tested technology of useful signal enhancement. On the basis of experimental data obtained from the magnetic field sensor dispersion turbine generator, it is shown that the proposed adaptive identification algorithms provide enough reliable detection of local nonuniformities in the signal due to the damage of the rotor winding with a small percentage of short-circuited turns.
digital signal
decomposition technique
lagger function
synchronous generator
diagnostics
1. Alekseev B.A. Opredelenie sostojanij (diagnostika) krupnyh turbogeneratorov. M.: NC JeNAS, 2001. 152 р.
2. Vasileva Ju.Z., Polishhuk V.I. Razrabotka sposoba vyjavlenija vitkovogo zamykanija v obmotke vozbuzhdenija sinhronnoj mashiny // Nauchnoe obozrenie. 2014. no. 12. рр. 55–59.
3. Polishhuk V.I., Hamuhin A.A. Vyjavlenie vitkovyh zamykanij obmotki rotora sinhronnogo generatora na osnove vejvlet-analiza magnitnyh potokov rassejanija // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2013. T. 323. no. 5. рр. 85–93.
4. Polishhuk V.I. Postroenie zashhity ot vitkovogo zamykanija v obmotke rotora sinhronnogo generatora na osnove indukcionnogo datchika magnitnogo polja rassejanija // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2012. T. 321. no. 4. рр. 57–61.
5. Rozum T.I., Polishhuk V.I. Metod vyjavlenija vitkovyh zamykanij v obmotke vozbuzhdenija sinhronnogo generatora // Fundamentalnye issledovanija. 2013. no. 8 (chast 5). рр. 1061–1065.
6. Koornwinder Tom H., Wong Roderick S. C., Swarttouw Ren? F. Orthogonal Polynomials // NIST Handbook of Mathematical Functions, Cambridge University Press. 2010.
7. Sergeev V.L., Polishchuk V.I. Adaptive identi cation method of a signal from stray eld magnetic sensor for turbogenerator diagnostics // Journal of Siberian Federal University. 2015. Vol. 8(2). рр. 201–207.
8. Sergeev V.L., Polishchuk V.I., Kalayda V.T. Adaptive systems of non-stationary signals identification with additional a-priory information // XI International IEEE Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2015), may 21–23, 2015, Omsk.

В такой сложной электромеханической системе, как синхронный генератор, некоторые из дефектов и повреждений, например витковые замыкания (ВЗ) в обмотке ротора и ряд других, являются трудноопределимыми по причине отсутствия прямых причинно-следственных связей между доступными параметрами, измеряемыми штатными средствами и физическими признаками дефекта [1, 3–5]. В связи с развитием современных цифровых сигнальных процессоров (DSP) для селективного выявления диагностических признаков стало возможным применение эффективных математических методов обработки сигналов в реальном масштабе времени, позволяющих по совокупности информационных признаков выявлять конкретный дефект. При исследовании новых принципов выделения полезной цифровой информации для построения системы диагностики обмотки ротора синхронного генератора апробация проводилась на специально созданной экспериментальной установке.

Постановка задачи

Перед исследователями ставилась задача разработать метод выделения полезной цифровой информации о возникновении виткового замыкания в обмотке ротора синхронного генератора и проверить основные принципы построения системы диагностики на экспериментальной установке.

Экспериментальная установка

Состав и принципиальная схема разработанной экспериментальной установки приведена на рис. 1. В состав установки входят: синхронный генератор G (ГАБ-4-Т/230), приводимый во вращение асинхронным двигателем M (АИР 100 L2), питаемым частотным преобразователем ПЧ (Altivar 71), датчик момента ДМ (Mini-Smart Drehmomentsensor Typ 4502А50RAU), датчик оборотов ДО (ESS-PA005-3600), датчики вибрации подшипников (AB-321FK), датчик магнитного поля ДМП (Индукционный датчик), датчики напряжения ДН1...3, датчики тока ДТ 1...3 (Шунт 75ШИП1-10-0.5), датчик угла нагрузки ДУНг, датчик тока возбуждения ДТВ (Шунт 75ШИП1-10-0.5), датчик напряжения возбуждений (делитель напряжения), аналого-цифровой преобразователь АЦП (PCI 6024E), автоматический регулятор возбуждения АРВ.

Для имитации виткового замыкания с обмотки ротора через дополнительные контактные кольца были выведены отпайки с замыканием 4, 10 и 30 % витков полюса.

pic_22.tif

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

Характеристики АЦП

Количество каналов

16 однопроводных и 8 дифференциальных

Тип АЦП

Последовательная аппроксимация

Разрешение

12 бит, 1 в 4096

Скорость сэмплирования

20000 сэмплов в секунду (гарантировано)

Диапазон входных сигналов

Только биполярный

Входная связь

Постоянный ток

Макс. рабочее напряжение (сигнал + синфазный режим)

Каждый вход должен находиться в пределах ±11 В от земли

Размер буфера FIFO

512 сканов

Передача данных

DMA, прерывания, программируемый ввод/вывод

Режим DMA

Сбор вразброс

Размер памяти конфигурирования

512 слов

Два коннектора обеспечивают удобство доступа к входам/выходам плат сбора данных PCI 6024E персонального компьютера. Каждый коннектор имеет 16 каналов аналогового ввода с 68-ю контактами и восемью линиями цифрового ввода/вывода. Характеристики АЦП приведены в таблице.

В качестве одного из обрабатываемых сигналов используется ЭДС на выходе индукционного датчика магнитного поля, который установлен в торцевой зоне синхронного генератора.

Метод выделения диагностического сигнала

Выделение полезной информации о техническом состоянии изоляции обмотки ротора СГ возможно только на основе косвенных данных. Вследствие ряда конструктивных особенностей СГ информативной информацией о наличии повреждения в обмотке ротора, по мнению авторов, является анализ магнитной симметрии машины. Появление виткового замыкания в одном из полюсов ротора обязательно приводит к наличию локальных изменений в симметрии магнитного поля. Для выявления несимметрии предлагается использовать специализированный датчик магнитного поля (ДМП), установленный в свободном пространстве торцевой зоны синхронного генератора. Выходным параметром датчика является ЭДС, пропорциональная магнитной индукции в месте установки ДМП. На рис. 2 приведены снятые осциллограммы ЭДС на выходе ДМП при отсутствии замыкания на холостом ходу (рис. 2, а) и при наличии замыканий (рис. 2, б). На рис. 3 приведены соответственно осциллограммы при нагрузке генератора.

pic_25.wmf pic_26.wmf

а б

Рис. 3. Осциллограмма ЭДС на выходе ДМП при нагрузке

pic_23.wmf pic_24.wmf

а б

Рис. 2. Осциллограмма ЭДС на выходе ДМП в режиме холостого хода

После АЦП сигнал представляет собой временной ряд, который можно рассматривать как выборку нестационарного случайного сигнала, состоящего из аддитивной смеси полезной составляющей, частей, наведенных токами от статора и ротора и шумов.

Как видно из рис. 2 и 3, полезной информацией о наличии дефекта являются локальные изменения в одном из полупериодов, которые на рисунках отмечены пунктирной линией [7, 8]. Для решения задачи автоматического обнаружения локальных изменений предлагается применить декомпозицию полуволн сигнала на выходе датчика ЭДС на базе функции Лагерра [2, 6]. Декомпозиция по функциям Лагерра, по мнению авторов, является наиболее подходящей для анализа сигнала конечной длины, что и представляет собой исследуемый полупериод. Методика выделения диагностического сигнала о наличии повреждений в обмотке ротора заключается в следующем: первоначально сигнал за время одного периода разделяется на положительную и отрицательную составляющие. В нашем случае при частоте дискретизации в 10 кГц – 200 точек.

Разложение положительных и отрицательных частей сигнала по системе функций Лагерра записывается в виде ряда:

polishuk01.wmf

где polishuk02.wmf – значения коэффициентов ряда; ln(t) – функции Лагерра.

Функция Лагерра образуется при помощи полиномов, которые рассчитываются по формуле

polishuk03.wmf

Сами функции Лагерра рассчитывались по формуле

polishuk04.wmf

где ? – масштабный коэффициент; polishuk05.wmf – число сочетаний из n по j. Значение ? выбирается таким образом, чтобы длительность исследуемого сигнала и функции Лагерра приближенно были равны.

На основе расчетов десяти функций Лагерра построена спектральная диаграмма коэффициентов обеих полуволн (рис. 4).

pic_27.wmf pic_28.wmf

Рис. 4. Спектральные диаграммы для положительной и отрицательной полуволны: а – без виткового замыкания; б – с витковым замыканием: 1.tif – коэффициент отрицательной полуволны; 2.tif – коэффициент положительной полуволны

Как видно из рис. 4, наблюдается сильное различие 8-го, 9-го и в особенности 10-го коэффициента при наличии виткового замыкания (рис. 4, б). В качестве критерия наличия замыкания в обмотке ротора синхронного генератора предлагается ввести интегральный коэффициент несимметрии ?, определяемый в процентах как:

polishuk06.wmf

где c1k и c2k – коэффициенты ряда для положительной и отрицательной полуволны; К – количество коэффициентов ряда.

Результаты экспериментальной проверки

При замыкании 4 % витков ? = 6,625 %, а без повреждения ? = 1,33 %. Причем такое соотношение в %, с незначительными отклонениями, наблюдалось при нагрузке генератора от 25 до 100 % нагрузки и при изменениях тока возбуждения (изменении выдаваемой реактивной мощности). При замыкании 10,5 % витков обмотки возбуждения ? возросло до 17,2 %, и, следовательно, данный критерий принципиально может служить признаком возникновения виткового замыкания в обмотке возбуждения синхронной машины.

Выводы

Предложен метод выделения диагностического сигнала повреждения обмотки ротора синхронного генератора, основанный на декомпозиции ЭДС на выходе датчика магнитного поля по функциям Лагерра. Экспериментально доказано, что предложенный алгоритм достаточно надежно выявляет локальные изменения сигнала, связанные с замыканием 4 % витков обмотки ротора.

Рецензенты:

Гольдштейн В.Г., д.т.н., профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы», ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», г. Самара;

Кубарьков Ю.П., д.т.н., профессор кафедры «Электрические станции», ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», г. Самара.