New developments in protections and diagnostics of synchronous machines

Tian, Pengfei (2021). New developments in protections and diagnostics of synchronous machines. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69123.

Description

Title: New developments in protections and diagnostics of synchronous machines
Author/s:
  • Tian, Pengfei
Contributor/s:
  • Platero Gaona, Carlos Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: July 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Synchronous generators (SG) are widely used in global power generation. SG play a very important role in power systems for frequency and voltage regulation. The frequency regulation is carried out by balancing the consumption and the generation. Therefore, the generators active power should be adapted to the consumers requirements. On the other hand, the voltage in the power system nodes should be close to the rated voltage, but a voltage range is admissible depending on the grid code. SG should operate uninterruptedly and in a reliable way. Despite that, the various stresses acting on the machine may lead to faults. Faults should always be detected at an incipient level in order to prevent evolution of their severity and a catastrophic machine breakdown. Among all faults, the electrical ones may take place in the stator or rotor windings and lead to high and hazardous currents, consequent overheating of the machine and degradation of the insulating materials. This will lead to even higher short current and thermal stress until the eventual machine breakdown. During this Ph.D thesis novel protection and diagnosis techniques for synchronous machines have been developed, thank to simulations and experimental tests. Most of the research works are related to the analysis stray flux of the machines. However other techniques are related on new logic combined to conventional protection functions or machine model based diagnostic methods. This document is organized as follows. Chapter 1 present the objectives of the Doctoral Thesis. In the Chapter 2 a novel specific protection method against faulty synchronizations protection is developed. Synchronous generator paralleling to the gird is a quite common operation. The probability of a faulty synchronization of a generator is very small, but not impossible. Faulty synchronizations of synchronous generators cause overcurrent and high electromagnetic torque values that can severely damage, not only the generators their selves, but also prime movers and step-up transformers. Moreover, they produce disturbances on the power system such as power oscillations and voltage sags that can end up collapsing the system if it is not cleared quickly. Despite that, conventional synchronous generator protection systems have not a specific function against faulty synchronizations. In Chapter 3 SM field winding inter-turn fault detection method based on a SM model is described. During operation the SM, some electrical faults that may not be reliably diagnosed online; rotor faults are among them, including the cases of ground faults or inter-turn faults in the field winding. The latter produce an unbalanced magnetic field, in which the level of unbalance is determined by the number of shorted turns as well as by the field current, which depends on the operation point. If the fault severity level is critical, it will lead to shaft oscillations and vibrations. In spite of that, typical diagnostic methods may fail to diagnose this fault at early stages. This Chapter provides some ideas, one of them is the comparison of the real-time excitation current measured and the theorical excitation current calculated. In this part of the Thesis, the three machine model excitation calculating methods are used; Behn Eschenburg, Potier and ASA. Afterward in Chapter 4 a new method for field winding turn-to-turn fault based on stray flux analysis is presented. This chapter proves the inefficacy of the machine current signature analysis to detect this fault, in the chapter investigates the application of the stray flux monitoring using finite element analysis and extensive experimental testing. The results clearly prove that the stray flux contains fault dependent harmonics, the amplitude of which increases monotonically with the fault severity level. The proposed approach has all the desired characteristics to be applied at site while being low cost, non-intrusive and fault severity sensitive to allow for appropriate remedy actions. Moreover, in Chapter 5 compares the analysis of different quantities under starting conditions for the detection of field winding faults in synchronous motors. More specifically, the analysis of stray fluxes under transient conditions is compared to stator and rotor currents. First, the time-frequency maps resulting from the analyses of stray fluxes under starting are much richer that those corresponding to stator or rotor currents, that is to say, the analyses of stray fluxes can provide much more information for the diagnosis of the fault, in comparison with other quantities. Secondly, it can be based on the detection of the evolutions of the multiple components amplified by the fault. Chapter 6, mainly discuss the type of the stray flux sensor and find the better type for metering the flux. The normal practice in electrical machine monitoring is the use of air core flux sensors. After being mounted outside of the monitored machine, the induced voltage is recorded and analyzed. In this way, the stray flux of the machine is not perturbed, and there are no problems due to saturation or nonlinear behavior of the iron. However, the induced voltage may be weak, mainly due to the high reluctance between the actual stator iron core and the sensors. Hence, some new sensors have been built with standard iron lamination used for small transformers. Although the magnetic circuit of the machine is slightly modified, as is the stray flux, the faults can be easily detected. The characteristic frequencies of the rotor and stator interturn fault can be clearly observed in the performed tests. On the other hand, the nonlinear behavior of the iron due to the permeability, saturation, hysteresis or eddy currents does not affect the fault detection. The analysis results suggest that the use of iron core flux sensors is advantageous. The main advantage is a significantly greater amplitude of the induced voltage for the same stray flux. This feature can be crucial for the case of large machines in noisy environments. In the Chapter 7, a method for rotating diodes of brushless synchronous machine supervision based on the stray flux of the exciter is described. Numerous tests in healthy conditions and in faulty conditions have been performed. The results show that the detection of one open diode is reliably accomplished by the harmonic analysis of the exciter’s stray flux. The reliability of the method is not affected by the flux vector component, axial or radial. Therefore no special relative spatial positioning between the sensor and the exciter is required. Finally in Chapter 8 the conclusions, main contributions and future works of the Doctoral Thesis are exposed. ----------RESUMEN---------- Los generadores síncronos (SG) se utilizan ampliamente en la generación de energía global. Los SG juegan un papel muy importante en los sistemas de potencia para la regulación de frecuencia y voltaje. La regulación de frecuencia se realiza equilibrando el consumo y la generación. Por tanto, la potencia activa de los generadores debe adaptarse a las necesidades de los consumidores. Por otro lado, la tensión en los nodos del sistema eléctrico debe estar cerca de la tensión nominal, pero es admisible un rango de tensión en función del código de la red. SG debería funcionar de forma ininterrumpida y fiable. A pesar de ello, las diversas tensiones que actúan sobre la máquina pueden provocar averías. Las fallas siempre deben detectarse en un nivel incipiente para evitar la evolución de su gravedad y una avería catastrófica de la máquina. Entre todas las averías, las eléctricas pueden producirse en los devanados del estator o del rotor y dar lugar a corrientes elevadas y peligrosas, consecuente sobrecalentamiento de la máquina y degradación de los materiales aislantes. Esto conducirá a una tensión de corriente corta y térmica aún mayor hasta la eventual avería de la máquina. En esta tesis doctoral, se discutió principalmente la falla entre espiras de bobinado presentada por SM. Durante el funcionamiento del SM, algunas fallas eléctricas que pueden no ser diagnosticadas de manera confiable en línea; Las fallas del rotor se encuentran entre ellas, incluidos los casos de fallas a tierra o fallas entre espiras en el devanado de campo. Estos últimos producen un campo magnético desequilibrado, en el que el nivel de desequilibrio está determinado por el número de vueltas en corto y por la corriente de campo, que depende del punto de operación. Si la gravedad de la falla es crítica, dará lugar a oscilaciones y vibraciones del eje. A pesar de eso, los métodos de diagnóstico típicos pueden fallar en diagnosticar esta falla en los primeros niveles. Por ejemplo, en los turbogeneradores, los devanados del rotor están completamente incrustados en el acero y el aislamiento giratorio no se carga físicamente hasta que se somete a las fuerzas centrífugas generadas por la alta velocidad del rotor. Esta tesis aporta algunas ideas, una de ellas es comparar la corriente de excitación en tiempo real y la corriente de excitación teórica, por lo tanto, realizar el monitor de condición SM. Durante esta parte, compare los tres métodos de cálculo de excitación y descubrió que potier y ASA son más precisos, lo que se indica en el capítulo 2. En segundo lugar, el capítulo 3 presenta un nuevo método para archivar fallas entre espiras de bobinados que se detectan mediante un flujo parásito. Este capítulo demuestra la ineficacia del análisis de firma de corriente de la máquina para detectar esta falla, el artículo investiga la aplicación del monitoreo de flujo parásito usando análisis de elementos finitos y pruebas experimentales extensivas. Los resultados demuestran claramente que el flujo parásito contiene armónicos dependientes de la falla, cuya amplitud aumenta monótonamente con el nivel de gravedad de la falla. El enfoque propuesto tiene todas las características deseadas para ser aplicado en el campo, al mismo tiempo que es de bajo costo, no intrusivo y sensible a la severidad de fallas para permitir las acciones de reparación adecuadas. Además, compara el análisis de diferentes magnitudes bajo arranque para la detección de fallas de bobinado de campo en máquina síncrona (SM). Más específicamente, el análisis de los flujos parásitos en condiciones transitorias se compara con el de las corrientes del estator y del rotor. En primer lugar, los mapas tiempo-frecuencia resultantes de los análisis de los flujos parásitos en el arranque son mucho más ricos que los correspondientes a las corrientes del estator o del rotor, es decir, los análisis de los flujos parásitos pueden aportar mucha más información para el diagnóstico de la falla, en comparación con otras cantidades. En segundo lugar, puede basarse en la detección de las evoluciones de los múltiples componentes amplificados por la falla. Finalmente, en el capítulo 5, analice principalmente el tipo de sensor de flujo parásito y encuentre el mejor tipo para detectar el flujo. La práctica normal en el monitoreo de máquinas eléctricas es el uso de sensores de flujo de núcleo de aire. Después de montarse fuera de la máquina monitoreada, el voltaje inducido se registra y analiza. De esta forma, no se perturba el flujo parásito de la máquina y no hay problemas por saturación o comportamiento no lineal del hierro. Sin embargo, el voltaje inducido puede ser débil, principalmente debido a la gran renuencia entre el núcleo de hierro del estator real y los sensores. Por lo tanto, se han construido algunos sensores nuevos con laminación de hierro estándar que se utiliza para pequeños transformadores. Aunque el circuito magnético de la máquina está ligeramente modificado, al igual que el flujo parásito, las fallas se pueden detectar fácilmente. Las frecuencias características de la falla entre vueltas del rotor y del estator se pueden observar claramente en las pruebas realizadas. Por otro lado, el comportamiento no lineal del hierro debido a la permeabilidad, saturación, histéresis o corrientes parásitas no afecta la detección de fallas. Los resultados del análisis sugieren que el uso de sensores de flujo de núcleo de hierro es ventajoso. La principal ventaja es una amplitud significativamente mayor del voltaje inducido para el mismo flujo parásito. Esta característica puede ser crucial para el caso de máquinas grandes en entornos ruidosos.

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Item ID: 69123
DC Identifier: https://oa.upm.es/69123/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69123
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69123
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 27 Jan 2022 08:08
Last Modified: 27 Jan 2022 08:08
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