基于故障录波数据的发电机定子接地故障分析与诊断

基于故障录波数据的发电机定子接地故障分析与诊断

王四新

徐州庞沃电力工程有限公司   江苏 徐州    221000

摘要：本文针对发电机定子接地故障问题，以故障录波数据为基础，进行了深入分析与诊断研究。介绍了发电机定子接地故障的背景和重要性，指出了故障对电力系统运行和设备安全稳定性的影响。详细阐述了故障录波数据的获取方法和处理过程，包括数据采集装置的布置、数据传输与存储等关键环节。提出了基于故障录波数据的发电机定子接地故障分析与诊断方法，包括故障特征提取、数据分析与处理、故障类型识别等步骤。接下来，通过实际案例的分析，验证了该方法的有效性与可靠性。总结了本文的研究成果，并对未来发展方向进行了展望。

关键词：发电机；定子接地故障；故障录波数据；分析与诊断完整框架

引言

发电机是电力系统中至关重要的设备之一，其稳定运行对电网的安全运行具有重要意义。然而，发电机在运行过程中可能会遭遇各种故障，其中发电机定子接地故障是较为常见且严重的一类故障。该类故障一旦发生，可能会导致设备受损，甚至造成系统短路，对电力系统运行和设备安全稳定性造成严重影响。本文的研究成果还可为类似故障分析与诊断问题提供参考，推动电力系统故障诊断技术的发展。通过本文的全面研究，将为发电机定子接地故障分析与诊断提供新的思路和方法，推动电力系统故障诊断技术的进一步发展。

一、发电机定子接地故障概述

（一）故障类型及特点

发电机定子接地故障是指发电机定子绕组中出现接地故障，导致定子绕组中的一个或多个相与地之间出现短路。单相接地故障是指只有一个相与地之间发生短路，双相接地故障是指有两个相与地之间发生短路，而三相接地故障则是指三个相与地同时发生短路。隐藏性：定子接地故障在初期可能表现不明显，无法通过常规巡检手段及时发现，容易被忽略，但随着故障的发展，可能会引起更严重的后果。多发性：发电机定子绕组由于制造、安装、运行等因素，存在不同程度的绝缘缺陷，因此定子接地故障较为普遍。多样性：发电机定子接地故障的原因复杂多样，可能是由于绝缘老化、外力冲击、潮湿环境等因素导致的。影响范围广：定子接地故障可能引起相间短路、相地短路等故障，从而影响整个电力系统的稳定运行。

（二）故障影响分析

设备安全：故障会导致定子绕组电流异常增大，可能引发绕组过热，进而导致定子绕组的绝缘老化甚至烧毁，严重时可能危及设备安全。发电机稳定性：定子接地故障可能引起不对称故障，导致发电机运行时产生不平衡的电磁力，使得机组振动加剧，严重影响机组的稳定性和运行安全。电力系统稳定性：发电机定子接地故障会导致电力系统出现相间短路或相地短路，引发电网电压的剧烈波动，影响系统的稳定运行，甚至引起系统失稳。经济损失：故障发生后，可能需要停机检修发电机，导致停电和停产，给电力系统运行和企业生产带来巨大的经济损失。

二、故障录波数据获取与处理

（一）数据采集装置布置

为了获取发电机定子接地故障发生时的准确录波数据，需要合理布置数据采集装置。通常，在发电机定子绕组的每个相与地之间布置电流互感器或电压互感器，用于采集电流和电压数据。这些互感器应当具有足够的频率响应和精度，以捕捉发生故障时的瞬态变化。

（二）数据传输与存储

获取到的故障录波数据需要及时传输和存储，以确保数据的安全和有效使用。传统的数据传输方式可以通过有线连接进行，但在发电机运行过程中，由于设备的特殊性和复杂性，有线传输不一定总是方便和可行的。无线数据传输方式，如无线传感器网络或卫星传输等，也是可行的选择。数据传输过程中需要注意数据的时序同步，以确保各个互感器采集的数据在时间上保持一致。

（三）数据预处理方法

由于故障录波数据在采集过程中可能受到干扰和噪声的影响，需要进行数据预处理，以提取有用信息并降低数据的复杂性。数据预处理包括：采样率转换：对于不同互感器采集的数据，可能存在不同的采样率，需要进行采样率转换，统一数据的采样率，以便后续处理。滤波：利用数字滤波技术，去除录波数据中的高频噪声和干扰，保留有用的低频信号，以减少数据的冗余和误差。数据校正：在数据传输和采集过程中，可能存在传感器的误差或漂移，需要进行数据校正，以保证数据的准确性。数据对齐：对于多个互感器采集的数据，由于传输延迟等因素，可能存在时间上的偏差，需要进行数据对齐，确保各个数据在时间上保持一致。

三、基于故障录波数据的分析与诊断方法

（一）故障特征提取

故障特征提取是基于故障录波数据进行故障分析与诊断的重要步骤。在这一步骤中，需要从原始的录波数据中提取出与故障相关的特征参数，以便后续的数据分析和故障类型识别。常用的故障特征包括电流幅值、相位、频率，电压幅值、相位，功率因数等。根据故障的类型和特点，选择合适的特征参数进行提取，确保提取的特征具有较好的区分性和代表性。

（二）数据分析与处理

在故障特征提取后，需要对提取的特征数据进行进一步的数据分析和处理。数据分析的目标是发现故障的规律和特点，以便进一步诊断故障的原因和程度。常用的数据分析方法包括时域分析、频域分析、小波分析等。通过时域分析可以观察到故障发生时的瞬态过程，频域分析可以揭示故障导致的频率成分变化，小波分析则可以提取出故障信号的时间-频率特性。

四、实例分析

（一）案例介绍

本实例研究的是一台350MW火电厂中的发电机定子接地故障案例。在该火电厂的运行过程中，发电机定子接地故障引起了系统的频繁跳闸和设备的异常振动，严重影响了电力系统的稳定运行和设备的安全性。为了及时解决故障并恢复正常运行，本文采集了故障发生期间的录波数据，并进行了详细的数据分析与诊断。

(二) 数据分析与诊断结果

故障特征提取：从录波数据中提取了电流和电压的幅值、相位、频率等特征参数。发现在故障发生期间，电流波形出现了明显的畸变和高频噪声，电压波形出现了剧烈的波动，表明故障导致了定子绕组的相间和相地短路。数据分析：通过时域分析和频域分析，本文观察到了故障发生时的瞬态过程和频率成分变化。时域分析显示了故障瞬态过程中的振荡特点，频域分析揭示了故障产生的高频成分。本文还利用小波分析方法对录波数据进行了时间-频率特性提取，进一步确认了故障类型。故障类型诊断：根据特征提取和数据分析的结果，本文使用支持向量机（SVM）算法进行了故障类型的识别和分类。

(三) 结果验证与讨论

为了验证诊断结果的准确性，本文对实验数据进行了反复验证，并与实际现场情况进行了对比。基于故障录波数据的分析与诊断方法在本案例中取得了良好的效果。通过准确地识别了发电机定子接地故障，采取了相应的措施对故障进行修复和处理，成功恢复了电力系统的稳定运行。进一步分析故障的原因和影响，提出了防范措施和改进建议。

结论：本文针对发电机定子接地故障问题，基于故障录波数据进行了深入分析与诊断研究。通过数据采集装置的布置，获取了故障发生期间的录波数据。分析与诊断方法取得了良好的效果，准确诊断了发电机定子接地故障，并成功恢复了电力系统的稳定运行。本文的研究成果对于提高电力系统故障分析与诊断效率，保障电力设备的安全稳定运行具有重要意义。在今后的研究中，本文将进一步优化和改进数据处理方法，提高故障诊断的准确性和可靠性，为电力系统的安全运行和设备维护提供更加科学和有效的技术支持。

参考文献

[1] 李国正,吴长敏,陈坤,等.基于故障录波的发电机定子接地故障查找新方法[J].黑龙江电力, 2018, 40(3):4.DOI:CNKI:SUN:HEIL.0.2018-03-009.

[2] 李宗峰,郭祥富,徐铭铭,et al.基于现场录波数据分析的配电网单相接地故障检测方法:CN202111487709.5[P].CN202111487709.5[2023-08-02].

[3] 束成.基于故障录波数据的多端输电线路单相接地故障定位技术与应用研究[D].中国矿业大学;中国矿业大学(江苏),2019.