Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorNysveen, Arne
dc.contributor.authorGroth, Ingrid Linnea
dc.date.accessioned2019-10-24T14:01:13Z
dc.date.available2019-10-24T14:01:13Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2624266
dc.description.abstractDenne rapporten undersøker om kontinuerlig overvåkning av magnetfeltet i luftgapet kan bidra til å avdekke begynnende elektromagnetiske og mekaniske feil i vannkraftgeneratorer. Feiltypene som undersøkes i denne rapporten er dynamisk og statisk eksentrisitet, kortslutninger mellom vindingene i feltviklingen og feil i dempeviklingen. Numeriske 2D-beregninger ved bruk av Finite Element Method (FEM) og eksperimentelle tester med Hall-effekt sensorer limt på en statortann har blitt gjennomført på en 14-polt 100 kVA synkrongenerator med utpregede poler spesiallaget for å kunne driftes med ulike påførte feiltyper. Rapporten fremlegger også resultater fra numeriske beregninger gjennomført på en modell av en 8-polt 22 MVA vannkraftgenerator og målinger av magnetfeltet i luftgapet til en 16-polt 2.1 MVA vannkraftgenerator i drift. Resultatene fra FEM-analysen indikerte at spesifikke feilrelaterte harmoniske komponenter og mønstre oppstår i frekvensspekteret til flukstettheten i luftgapet som følge av hver enkelt feiltype, også for feil med veldig lav alvorlighetsgrad. Basert på simuleringsresultatene ble det foreslått en ny feildeteksjonsmetode som tilsynelatende kunne avdekke og overvåke statisk og dynamisk eksentrisitet i tillegg til kortslutninger i feltviklingen ved å analysere frekvensspekteret til flukstettheten i luftgapet. De eksperimentelle testene viste imidlertid at de naturlige ikke-ideelle uregelmessighetene i en ekte generator vil gjøre det utfordrende å detektere de marginale endringene påført av en begynnende feil med lav alvorlighetsgrad. Det argumenteres for at feil med lav alvorlighetsgrad er forventet å bare kunne avdekkes gjennom å identifisere små spesifikke endringer over tid etter at systemet for den magnetiske fluksmålingen er installert. I tilfeller der en begynnende feil har nådd et mer fremtredende nivå viste de eksperimentelle forsøkene på 100 kVA generatoren tydelige indikasjoner på at kortslutninger i feltviklingen samt statisk og dynamisk eksentrisitet kan oppdages direkte ved å analysere de harmoniske komponentene i hovedfeltet og/eller fordelingen i flukstetthet mellom polene. Rapporten fremlegger konservative estimater for den laveste alvorlighetsgraden som pålitelig og direkte kan detekteres i vannkraftgeneratorer gjennom overvåkning av det magnetiske feltet i luftgapet. Det konkluderes med at feil i dempeviklingen mest sannsynlig ikke kan avdekkes i vannkraftgeneratorer i synkron og stabil drift ved å analysere magnetfeltet i luftgapet. Det foreslås imidlertid at brukne dempestaver eller brudd på en endering muligens kan avdekkes i akselererende vannkraftgeneratorer i pumpekraftverk. Ytterligere eksperimentelle tester ble gjennomført der lekkfeltet fra statorkjernen og i endeviklingsområdet på 100 kVA generatoren ble målt. Målingene av lekkfeltet viste en respons som følge av kortslutning i feltviklingen med høy alvorlighetsgrad, men resultatene ble ansett som foreløpige siden lekkfeltmålingene krevde en annen type analyse og/eller en annen type sensor. Basert på resultatene foreslår rapporten at minst fire jevnt fordelte sensorer bør installeres i luftgapet på en vannkraftgenerator for å kunne analysere den komplekse fordelingen i flukstetthet som påvirkes av generatorens topologi, konstruksjonsmessige uregelmessigheter og driftsforhold. Fire sensorer bør til sammen kunne avdekke og overvåke statisk eksentrisitet, dynamisk eksentrisitet og kortslutninger mellom vindingene i feltviklingen. Hovedkonklusjonen til rapporten er at svært mye informasjon vedrørende den driftsmessige tilstanden til en vannkraftgenerator kan innhentes ved å analysere magnetfeltet i luftgapet.
dc.description.abstractThis report examines how on-line monitoring of the air gap magnetic field can help reveal incipient electromagnetic and mechanical faults in hydropower generators. The fault types investigated in this report are dynamic and static eccentricity, inter-turn short circuits in the field winding and damper winding faults. 2D numerical simulations by the Finite Element Method (FEM) and experimental tests using Hall-effect sensors mounted on a stator tooth has been performed on a 14-pole 100 kVA salient-pole synchronous generator purpose-made for testing under various faulty operating conditions. The report also presents the results from numerical analysis on a 8-pole 22 MVA hydropower generator model and air gap magnetic field measurements of a 16-pole 2.1 MVA hydropower generator in operation. The results from the finite element analysis indicated that distinctive fault-related harmonics and patterns appear in the frequency spectrum of the air gap flux density as a result of the each specific fault, also in the case of faults with very low severity. Based on the simulation results, a new fault detection method was proposed seemingly capable of detecting and monitoring static and dynamic eccentricity as well as short-circuited turns in the field winding by analyzing the frequency spectrum of the air gap flux density. The experimental test results however showed that the inherent non-ideal imperfections of a real generator will make it challenging to detect the marginal changes caused by low-severity incipient faults. It is argued that incipient faults of minor severity can expectedly only be detected by identifying small specific changes over time after the magnetic flux monitoring system has been implemented. In the case of a more progressed fault, the experimental tests performed on the 100 kVA generator strongly suggested that short-circuited turns in the field winding, static eccentricity and dynamic eccentricity can be detected directly by analyzing the harmonic content of the main magnetic field and/or the flux density distribution between the poles. The report proposes conservative estimates of the lowest fault severity that can be reliably and directly detected in hydropower generators by monitoring the air gap magnetic field. It is concluded that damper winding failure can most likely not be detected in hydropower generators at synchronous and steady operation by analyzing the air gap magnetic field. It is however proposed that a broken damper bar or fractured end ring may be detected in pumped-storage hydropower generators during acceleration. Additional experimental tests were performed by measuring the leakage field of the stator core and at the end winding region of the 100 kVA generator. The leakage field measurements did show a response to high-severity short circuits in the field winding, but the results were regarded as preliminary as the leakage field measurements required a different form of analysis and/or a different type of sensor. Based on the results, the report proposes that at least four evenly distributed sensors should be implemented in the air gap of a hydropower generator in order to analyze the complex flux density distribution which is affected by generator topology, structural imperfections and operating conditions. Four sensors combined should be able to detect and monitor static eccentricity, dynamic eccentricity and short-circuited turns in the field winding. The main conclusion of this report is that a great amount of information regarding the operational state of a hydropower generator can be extracted by analyzing the air gap magnetic field.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleOn-line Magnetic Flux Monitoring and Incipient Fault Detection in Hydropower Generators
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

FilerStørrelseFormatVis

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel