Detection and diagnosis of field-joint fault and static eccentricity in synchronous generators through analysis of the stray magnetic field.

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker feilsignaturene til deleskjøtfeil og statisk eksentrisitet i det ytre magnetfeltet til en synkrongenerator med utstikkende poler. Resultatene ble oppnådd ved finite element-modellering og simuleringer av to generatorer. De trukkede konklusjonene ble også testet på fluksdata fra det ytre magnetfeltet til ekte vannkraftgeneratorer.

Masterarbeidet ble initiert med et forprosjekt. Motivasjonen bak forprosjektet var å undersøke feilsignaturen til slitte deleskjøter i statorkjernen til synkrongeneratorer med utstikkende poler, i det ytre magnetfeltet. Gjennom simuleringer ble det oppdaget at slitte deleskjøter endrer de induserte spenningene i sensorene som måler ekstern magnetisk fluks. Videre ble det oppdaget at endringene har likheter til statisk eksentrisitet, ettersom ingen av feilene endrer magnetfeltets frekvensspektrum. Disse funnene underbygget argumentet for å utvide forprosjektet til en masteroppgave.

Forskningen til masteroppgaven har videreført arbeidet med deleskjøter, og innarbeidet en studie av statisk eksentrisitet. Egenskapene til statisk eksentrisitet i det ytre magnetfeltet har blitt undersøkt, med den hensikt å bestemme alvorlighetsgrad og posisjon til en statisk eksentrisitetsfeil. Metoden utviklet for ˚a bestemme alvorlighetsgraden i prosent, utnyttet forskjellene i RMS-spenninger i fire sensorer, med absoluttfeil fra 0 % til 35 %. Vinkelen ble beregnet ved tidsserie-datautvinning og gyradius, beregnet fra de samme sensorene, med absoluttfeil fra 0° til 50°. Resultatene ble hentet fra simulerte modeller laget med finite element-metoden. Det var tydelig at begge metoder hadde lavest og mest stabil feil i modellene uten deleskjøter. Konklusjonen var at deleskjøter har større p˚avirkning p˚a det ytre magnetfeltet enn hva statisk eksentrisitet har, særlig i umiddelbar nærhet av deleskjøtene. Videre ble det oppdaget at tilstedeværelse av statisk eksentrisitet hverken forverrer eller forstyrrer identifiseringen av feil p˚a deleskjøtene.

Til slutt ble en algoritme utviklet for å kunne skille deleskjøtfeil og statisk eksentrisitet fra andre synkrongeneratorfeil. Algoritmen kan potensielt ogs˚a brukes til å bestemme vinkelposisjon og alvorlighetsgrad til statisk eksentrisitet, selv om resultatene kan være tvetydige. Denne algoritmen bidrar til forenklet diagnostikk av synkrongeneratorhelse. Fremtidig forskning bør likevel fokusere p˚a ˚a etablere metoder med bedre presisjonsgrad, særlig for ˚a bestemme alvorlighetsgraden til en statisk eksentrisitetsfeil.

This Master’s thesis investigates the fault signatures of field-joint fault and static eccentricity in the external magnetic field of salient-pole synchronous generators. The results were obtained from finite element modelling and simulations of two generators. The findings were also tested and examined using stray flux data from real hydroelectric generators.

The Master’s work was initiated by a preproject. The motivation for the preproject was to investigate fault signatures from frayed field-joints in the stator core of salient-pole synchronous generators, in the stray magnetic field. Through simulations, it was discovered that faulty field-joints alter the voltages induced in stray flux sensors. Furthermore, the voltage alterations have similarities to static eccentricity, as neither of the faults change the magnetic field’s frequency spectrum. These findings substantiated an expansion into a Master’s thesis.

The Master’s work continued the research on field-joints and incorporated the study of static eccentricity. It also further investigated the properties of static eccentricity in the stray magnetic field, with the intent of determining the severity and position of a static eccentricity fault. The method developed to compute the severity percentage, exploited the RMS voltage difference in four sensors, with absolute errors ranging from 0 % to 35 %. The angle was computed using time-series data mining and the radius of gyration, computed from the same sensors, with absolute errors ranging from 0° to 50°. The results were collected from simulated models generated with the finite element method. It was evident that both methods had the lowest and most stable errors in the models without field-joint fault. It was concluded that field-joints have a larger impact on the stray magnetic field than static eccentricity, particularly near the field-joints. Additionally, it was discovered that the presence of static eccentricity does not aggravate or disturb the identification of faulty field-joints.

Finally, an algorithm was developed to distinguish field-joint fault and static eccentricity from other synchronous generator faults. The algorithm can also be used to determine the severity and angular position of the static eccentricity, although results may be ambiguous. This algorithm contributes to facilitating the health diagnosis of synchronous generators. Future research, however, should focus on establishing methods with higher precision, particularly for calculating the severity of a static eccentricity fault.