專利名稱：基于機(jī)電量關(guān)聯(lián)分析的發(fā)電機(jī)定子端部繞組劣化診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子端部繞組劣化的在線診斷，屬于發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測、故障診斷和狀態(tài)檢修領(lǐng)域，以及發(fā)電廠主設(shè)備智能監(jiān)控管理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大型發(fā)電機(jī)組是電力系統(tǒng)最關(guān)鍵、最重要的設(shè)備，對電力系統(tǒng)的安全異常重要。發(fā)電機(jī)組的故障包括機(jī)械故障和電氣故障兩類，其中電氣故障不僅導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損壞，還可能威脅區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定，導(dǎo)致大停電；機(jī)械故障則可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組乃至發(fā)電廠被摧毀，帶來重大人員、設(shè)備及環(huán)境的損失。大型發(fā)電機(jī)組是典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)電設(shè)備。振動(dòng)監(jiān)測對發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。振動(dòng)監(jiān)測可分為對發(fā)電機(jī)組軸系扭振的監(jiān)測、對軸承、軸瓦的振動(dòng)監(jiān)測以及對發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)監(jiān)測等。嚴(yán)重的軸系扭振可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)械損傷，并且發(fā)電機(jī)組軸系扭振與電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過程密切相關(guān)，扭振監(jiān)測的目標(biāo)是識(shí)別軸系的安全以及對電網(wǎng)穩(wěn)定的威脅；對軸承、軸瓦的振動(dòng)監(jiān)測用于識(shí)別軸承、軸瓦的損傷、動(dòng)靜摩擦、支撐剛度弱化以及軸系不對中、轉(zhuǎn)子不平衡等；對發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)監(jiān)測，是對機(jī)械結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)的監(jiān)測，薄弱環(huán)節(jié)易于受損，直接反映定子端部的機(jī)械結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，以及設(shè)備內(nèi)部的電氣故障征兆。定子繞組運(yùn)行在高電壓、高溫和較大的機(jī)械應(yīng)力下，其制造過程考慮了大量的電磁、機(jī)械和熱穩(wěn)定問題，設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。定子繞組在發(fā)電機(jī)端部伸出鐵芯外相互連接，構(gòu)成定子繞組回路。繞組線棒在端部出口處被拉牢和封閉，在發(fā)電機(jī)的兩端形成籃狀。大型汽輪發(fā)電機(jī)組在長期運(yùn)行過程中，因定子繞組端部過大的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致繞組固定壓板、墊塊綁扎等的損壞、鼻端導(dǎo)體及引水導(dǎo)線振動(dòng)疲勞斷裂、引起線棒絕緣磨損或焊縫振裂，進(jìn)而發(fā)生發(fā)電機(jī)定子端部線棒的短路和燒毀等事故，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，損失嚴(yán)重。大型發(fā)電機(jī)組是非常昂貴的電力核心設(shè)備，研究定子繞組端部振動(dòng)機(jī)理、特征及在線故障診斷技術(shù)對延長機(jī)組的使用壽命、延長維修周期、對提高發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行安全、改進(jìn)機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都具有重要意義。由于電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組的相互影響，電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過程對發(fā)電機(jī)組振動(dòng)有很大影響，對發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的識(shí)別也間接體現(xiàn)了對電網(wǎng)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的辨識(shí)。電氣量的作用是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的直接原因。發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的電磁耦合中存在復(fù)雜的電磁場相互作用，電磁力導(dǎo)致鐵芯及定子繞組的振動(dòng)。其中定子端部繞組的支撐結(jié)構(gòu)是典型的懸臂梁，其振動(dòng)最為嚴(yán)重。機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部主要承受兩種穩(wěn)態(tài)交變荷載。最主要的交變荷載是繞組中的電流與漏磁通之間的相互作用力，它引起定子繞組端部以兩倍系統(tǒng)頻率振動(dòng)，其幅值沿圓周為橢圓型并以系統(tǒng)頻率旋轉(zhuǎn)。另外，定子鐵芯承受轉(zhuǎn)子磁拉力引起的兩倍系統(tǒng)頻率的振動(dòng)，而定子線棒固定在鐵芯槽內(nèi)，故定子繞組端部也承受該頻率下的振動(dòng)。雖然漏磁場復(fù)雜，但其中端部繞組主要受到的電磁力(除直流分量外)為二倍頻(對旋轉(zhuǎn)頻率為50Hz的發(fā)電機(jī)而言即100Hz)的電磁力而產(chǎn)生振動(dòng)，這一激振力沿圓周方向呈橢圓分布。如果端部繞組結(jié)構(gòu)的固有頻率與這種電磁振動(dòng)力的頻率相等或接近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，或較大的振動(dòng)力將會(huì)導(dǎo)致繞組松動(dòng)、導(dǎo)線斷裂，損壞絕緣，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端部繞組劣化，引發(fā)絕緣故障。大型發(fā)電機(jī)組定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測一直是機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測中的難點(diǎn)。發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的研究和監(jiān)測技術(shù)源自于北美和歐洲，早期的端部振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)受傳感器抗電磁干擾能力的約束，實(shí)用性很差。發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的研究停留在對定子端部結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)測試，以及臨時(shí)的振動(dòng)在線測量方法與技術(shù)層面。自90年代末基于光纖傳感技術(shù)的電磁干擾免疫的端部振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)被推廣使用，至今發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)監(jiān)測的實(shí)踐主要集中于研究適合測量端部繞組振動(dòng)的傳感器技術(shù)及測量系統(tǒng)，現(xiàn)有的定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)通常在定子繞組端部裝設(shè)振動(dòng)傳感器，定時(shí)測量繞組端部的振幅，現(xiàn)有文獻(xiàn)的采樣率為秒級或分鐘級，僅憑端部繞組振動(dòng)幅值的相對比較以及振幅限值推斷端部繞組的劣化情況，并形成歷史記錄，供維護(hù)人員日后分析。目前發(fā)電機(jī)定子端部繞組劣化的診斷技術(shù)僅參照端部振動(dòng)幅值，而定子繞組端部振動(dòng)與發(fā)電機(jī)定子繞組電流有關(guān)，發(fā)電機(jī)不同工況下的振動(dòng)不具有可比性，因此現(xiàn)有的振動(dòng)監(jiān)測方法過于簡單，實(shí)用性不強(qiáng)。另一方面，通常在發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中定子繞組端部的振動(dòng)差異性不大，只有在發(fā)電機(jī)中流過瞬時(shí)的故障電流才能引發(fā)定子繞組的嚴(yán)重振動(dòng)，而現(xiàn)有的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)采樣率很低，不能捕捉到電氣故障和擾動(dòng)沖擊下的定子繞組端部振動(dòng)，因此端部繞組劣化識(shí)別的靈敏度、可靠性都不能令人滿意。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了發(fā)電機(jī)定子繞組端部模態(tài)試驗(yàn)分析方法及評定準(zhǔn)則，對新交接發(fā)電機(jī)的振動(dòng)固有頻率及模態(tài)有明確的規(guī)定；規(guī)定了發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)測量方法及評定準(zhǔn)則，規(guī)定了發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的定子端部倍頻振動(dòng)的位移峰-峰值限值以及位移峰-峰值的變化區(qū)間限值。對于運(yùn)行多年的大型發(fā)電機(jī)組，通常通過改造裝設(shè)端部振動(dòng)監(jiān)測裝置；對于新制造的大型發(fā)電機(jī)組，端部振動(dòng)監(jiān)測逐步成為出廠標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著國內(nèi)大機(jī)組投運(yùn)的快速發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)組端部繞組的振動(dòng)問題受到高度重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及大型汽輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測，針對發(fā)電機(jī)定子繞組的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，公開了一種基于電氣量和機(jī)械量同步采集和關(guān)聯(lián)分析的識(shí)別發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的方法。該方法以高采樣率同步采集端部繞組振幅和繞組電流，關(guān)聯(lián)分析振幅相對于電流的變化趨勢，從而評估端部繞組的健康狀態(tài)，具有更高的可靠性；并且能夠捕捉記錄電氣擾動(dòng)沖擊及故障下的狀態(tài)量，由于電氣沖擊下的振動(dòng)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的振動(dòng)，因此電氣沖擊下的定子繞組端部振動(dòng)特征具有更高的靈敏度和檢測價(jià)值；該方法具有自適應(yīng)定子繞組電流變化的能力，具有高可靠性和靈敏度，能夠識(shí)別出定子繞組初期階段的輕度劣化。發(fā)電機(jī)定子繞組端部在漏磁場中受到較為復(fù)雜的電磁力，其中最主要的是基波漏磁場和導(dǎo)體中流過的基波主電流相互作用，會(huì)產(chǎn)生二倍頻的電磁振動(dòng)力，電磁力的表達(dá)式見下式:= BLI(I)式中B-漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度(wb/m2， 即T)；1-導(dǎo)體中的電流(A);
L-導(dǎo)體的長度(m)。
由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I成正比，所以電磁力正比于I2，因而繞組振幅A與繞組電流的平方I2成正比，即A C而流過發(fā)電機(jī)定子繞組的電流并不是恒定值，電氣擾動(dòng)或故障會(huì)導(dǎo)致電流的短時(shí)變化，不同工況下電流也是隨發(fā)電機(jī)的出力而變化。因此現(xiàn)有的只測量振動(dòng)幅值，而不考慮繞組電流，僅憑的振幅限值及振幅變化限值的經(jīng)驗(yàn)值對端部繞組的健康狀態(tài)作出診斷和報(bào)警的方法是不實(shí)用的，不能反映出端部繞組劣化的趨勢。電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)。電氣沖擊短時(shí)存在，包括發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)發(fā)生電氣故障、可感知的電網(wǎng)開關(guān)操作。大的電氣沖擊是電力設(shè)備或線路短路弓丨發(fā)的，繼電保護(hù)動(dòng)作切除故障后沖擊消失，對于主保護(hù)動(dòng)作切除故障的電氣沖擊持續(xù)時(shí)間通常為60 IOOms;小的電氣沖擊是電力系統(tǒng)運(yùn)行操作帶來的，例如投切變壓器、投切線路等，不存在電力系統(tǒng)的運(yùn)行恢復(fù)，直至建立新的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)。現(xiàn)有文獻(xiàn)中的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的采樣率低，僅針對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的工況下的發(fā)電機(jī)定子繞組的振動(dòng)狀態(tài)判別發(fā)電機(jī)定子繞組的健康狀態(tài)，不能捕捉到足夠的電氣沖擊下的振動(dòng)數(shù)值，由于沖擊電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流，故沖擊電流下的振動(dòng)響應(yīng)也更強(qiáng)。以高采樣率同步采集電氣沖擊下的端部繞組電流和繞組振動(dòng)，以電氣沖擊為激勵(lì)，具有更靈敏的對端部繞組劣化的識(shí)別能力。該方法同步測量發(fā)電機(jī)定子三相繞組端部勵(lì)磁側(cè)、汽機(jī)側(cè)振動(dòng)幅值與發(fā)電機(jī)定子三相電流，并形成歷史記錄。依據(jù)三相電流變化量區(qū)分穩(wěn)態(tài)工況和暫態(tài)工況。穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)形成歷史樣本記錄，以歷史樣本記錄為參考，電流為索引，判斷振幅的變化量，振幅的變化量的離散度、以及振幅變化量的趨勢，當(dāng)監(jiān)測的特征量超過設(shè)定值時(shí)認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化并告警。利用定子繞組電流突變量識(shí)別暫態(tài)工況，即電力系統(tǒng)故障和操作下的電氣沖擊，繞組振動(dòng)在電氣沖擊激勵(lì)下同時(shí)發(fā)生，記錄每次沖擊下的三相電流和繞組振動(dòng)，形成歷史記錄；以每次電氣沖擊的強(qiáng)度為索引，在歷史沖擊樣本中查找參考樣本，用來比較振動(dòng)特征。通過計(jì)算電氣沖擊下的正序電流、負(fù)序電流，區(qū)分對稱性沖擊和非對稱性沖擊。對非對稱性沖擊，包括單相接地、相間短路、兩相接地等，采用絕對檢測方法，即不按序分量，而是按三相電流的平方來度量沖擊強(qiáng)度，按A、B、C三相繞組分別計(jì)算電流的平方，以相電流的平方為索引，判斷繞組振幅的變化量，以及振幅變化量的趨勢，不處理三相離散度，不做三相振動(dòng)之間的比較。對稱性沖擊時(shí)，如三相短路、運(yùn)行中的操作等，可以相電流的平方為索引，需要比較三相之間的振幅變化的離散度；還可以正序電流的平方來度量沖擊強(qiáng)度，與歷史電氣沖擊的特征向量比較，識(shí)別電氣沖擊下的定子繞組端部振動(dòng)劣化情況。利用電氣量和機(jī)械量同步采集和關(guān)聯(lián)分析的識(shí)別發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的具體步驟和技術(shù)要點(diǎn)如下:I)在發(fā)電機(jī)定子繞組端部的勵(lì)磁側(cè)和汽機(jī)側(cè)的三相繞組引出線上分別裝設(shè)6支振動(dòng)傳感器，其中a、b、c每相各2支。利用發(fā)電機(jī)定子三相電流互感器測量定子三相電流。以不低于3.6KHz的采樣率對振動(dòng)信號(hào)和定子三相電流同步采樣。2)定時(shí)20ms對振動(dòng)和電流采樣信號(hào)做窄帶帶通數(shù)字濾波處理，提取電流的50Hz工頻分量I，去除直流分量，并計(jì)算電流的平方I2 ;提取振動(dòng)信號(hào)的IOOHz分量的振幅A ;生成特征向量W，W= {1、I2、A}。3)通過發(fā)電機(jī)定子三相電流相鄰一周波的突變量識(shí)別發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況，捕捉電氣擾動(dòng)沖擊。當(dāng)滿足式(2)時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了電氣沖擊，否則判別發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況。I Ia (k) -1a (k-1) I >Λ Izd 或 I Ib (k) -1b (k-1) | >Λ Izd 或 I Ic (k) -1c (k_l) | >Δ Izd
(2)式中|la(k) I和|la(k_l) I分別為a相繞組當(dāng)前第k個(gè)周波和上一周波的電流，Δ Izd為相鄰周波電流變化量的閾值。4)發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，對各振動(dòng)測點(diǎn)，以本次測量的相電流I為索引，在歷史樣本記錄W中查找對應(yīng)的基準(zhǔn)振幅As，計(jì)算等值電流下的實(shí)測振幅Ai相對于基準(zhǔn)振幅As的振幅變化量Λ Ai,當(dāng)Λ Ai超過振幅變化量限值Λ Aset且超過限值的時(shí)間超過時(shí)間定值Tsrt時(shí)，發(fā)出端部繞組劣化告警信號(hào)；計(jì)算各振動(dòng)測點(diǎn)的Λ Ai的離散度DAi，當(dāng)Dm超過振幅變化量的離散度限值Dsrt且超過限值的時(shí)間超過時(shí)間定值Tsrt時(shí)，發(fā)出第i個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)端部繞組劣化告警信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的在線診斷方法，該方法基于對繞組電流和繞組端部振動(dòng)量的同步測量和關(guān)聯(lián)分析診斷發(fā)電機(jī)定子端部繞組的劣化，具體包括步驟: 1)傳感器配置:在發(fā)電機(jī)定子繞組端部的勵(lì)磁側(cè)和汽機(jī)側(cè)的三相繞組上分別裝設(shè)6支光纖振動(dòng)傳感器，其中a、b、c相每相各2支；利用發(fā)電機(jī)定子三相電流互感器測量定子繞組二相電流； 2)信號(hào)測量:機(jī)電量測量裝置以高采樣率同步采集各測點(diǎn)的發(fā)電機(jī)定子繞組三相電流以及定子繞組端部的振動(dòng)；主機(jī)定時(shí)20ms，利用窄帶帶通數(shù)字濾波器提取電流的50Hz工頻分量I，提取振動(dòng)的IOOHz分量的振幅A ;計(jì)算相鄰周波電流的變化量Λ I ;計(jì)算正序電流I1和負(fù)序電流I2 ;存儲(chǔ)歷史樣本記錄W以及Z1, W= {I, I2，A}、Z1 = U1, I12, Α}； 3)運(yùn)行工況判別:通過發(fā)電機(jī)定子三相電流突變量識(shí)別是否發(fā)生電氣沖擊，當(dāng)步驟2)中計(jì)算的電流變化量Λ I小于相鄰周波電流變化量的限定值Λ Izd時(shí)，判定發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，否則判定發(fā)生了電氣沖擊；當(dāng)發(fā)生電氣沖擊時(shí)，利用正序電流I1和負(fù)序電流I2的比較，判別電氣沖擊的類型，當(dāng)I1 > 512時(shí)，判為對稱性電氣沖擊，否則為非對稱性電氣沖擊; 4)特征向量的計(jì)算:對各振動(dòng)測點(diǎn)定義特征向量Xi= Ui, AAi, DaJ , i = l,2,...,12 ;可以本次測量的相電流I為索弓丨，即Ii = I，與歷史樣本記錄W比較；或以正序電流I1為索引，即Ii = I1，與歷史樣本記錄Z1比較；通過檢索和插值得到等值電流下的歷史樣本記錄中的參考振幅K,計(jì)算實(shí)測振幅Ai相對于基準(zhǔn)振幅As的振幅變化量AAi,以及各個(gè)測點(diǎn)的振幅變化量的離散度Dm ;當(dāng)發(fā)電 機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況或?qū)ΨQ性電氣沖擊時(shí)，可以相電流I為索引，也可以正序電流I1為索引，計(jì)算AAi和Dm ;當(dāng)發(fā)電機(jī)處于非對稱性電氣沖擊時(shí)，只能以相電流I為索引，且不計(jì)算Dm ； 5)診斷方法及判據(jù):定義穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況以及發(fā)生電氣沖擊時(shí)的振幅變化量AAi的限定值分別為AAsrt和Λ Asrt。，振幅變化量Λ A超過限定值的時(shí)間定值分別為Tsrt和Tsrt。；當(dāng)?shù)趇個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)的振幅變化量大于振幅變化量的限定值且超過限定值的時(shí)間超過時(shí)間定值時(shí)，或振幅變化量的離散度Dm超過振幅變化量的離散度的限定值且超過限定值的時(shí)間超過時(shí)間定值時(shí)，對第i個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)發(fā)出端部繞組劣化報(bào)警信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的在線診斷方法，其中信號(hào)測量的特征在于各振動(dòng)信號(hào)和各電流信號(hào)的采樣率不低于3.6kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的在線診斷方法，其中特征向量的計(jì)算方法的特征為:其中AA1、DAi，i = 1,2,…，12的計(jì)算公式如下:
全文摘要
本發(fā)明涉及大型汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子繞組運(yùn)行安全監(jiān)測，公開了一種基于電氣量和機(jī)械量同步測量和關(guān)聯(lián)分析的具有高靈敏度和高可靠性的在線診斷發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的方法。該方法以高采樣率測量發(fā)電機(jī)定子三相繞組端部勵(lì)磁側(cè)及汽機(jī)側(cè)振動(dòng)量，同時(shí)測量發(fā)電機(jī)定子繞組三相電流，利用定子三相電流突變量識(shí)別電力系統(tǒng)故障和操作下的電氣沖擊，計(jì)算定子繞組機(jī)電特征分量并做歷史記錄，累計(jì)繞組振幅隨繞組電流大小變化的樣本數(shù)據(jù)。通過實(shí)測振動(dòng)與歷史樣本記錄中等值電流的振動(dòng)數(shù)據(jù)的比較，識(shí)別發(fā)電機(jī)定子端部繞組劣化。該方法具有自適應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組電流大小變化的能力，且利用電力系統(tǒng)的電氣沖擊診斷定子繞組端部劣化具有更好的靈敏度。
文檔編號(hào)G01H9/00GK103148928SQ20131003305
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者李娟 申請人:北京信息科技大學(xué)