專利名稱：利用變壓器繞組振動(dòng)識(shí)別發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的方法
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)定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，屬于發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷領(lǐng)域和發(fā)電廠主設(shè)備全壽命周期監(jiān)控管理領(lǐng)域。本發(fā)明適用于火力發(fā)電廠、燃?xì)獍l(fā)電廠及工廠自備電廠的發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子端部繞組松動(dòng)及絕緣損壞的預(yù)防性識(shí)別和安全預(yù)警，有助于實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)和全壽命周期管理。
背景技術(shù)：
大型發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與運(yùn)行安全對(duì)發(fā)電廠及電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和全壽命周期管理已成為智能電網(wǎng)的發(fā)電領(lǐng)域重要內(nèi)容，這方面的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行控制和預(yù)防性保護(hù)的關(guān)鍵。發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)軸系振動(dòng)與扭振監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)功角監(jiān)測(cè)、發(fā)電機(jī)繞組絕緣及過熱監(jiān)測(cè)等。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(cè)和保護(hù)是保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行安全的關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致惡性事故。本發(fā)明針對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)給出一種識(shí)別端部繞組劣化的技術(shù)及方法。發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)是近年來在國(guó)內(nèi)受到運(yùn)行單位高度重視的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)新增熱點(diǎn)。在發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行中，大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部由于振動(dòng)而導(dǎo)致線棒磨損、絕緣損壞甚至造成相間短路、燒毀繞組等故障或事故時(shí)有發(fā)生，很多起發(fā)電機(jī)短路故障是由于機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致絕緣材料損壞引發(fā)的。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(chǎng)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，定子繞組線棒在端部伸出線槽，采用墊塊、綁繩等方法固定，經(jīng)引出線構(gòu)成定子回路，這種結(jié)構(gòu)使得定子端部振動(dòng)最為嚴(yán)重。通過振動(dòng)信號(hào)可以診斷發(fā)電機(jī)端部繞組的絕緣磨損、結(jié)構(gòu)缺陷等。對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部的振動(dòng)監(jiān)測(cè)是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，薄弱環(huán)節(jié)易于受損，直接反映設(shè)備局部的健康狀態(tài)。研究定子繞組端部振動(dòng)機(jī)理、特征及具有量化指導(dǎo)意義的監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行安全具有重要意義。發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的產(chǎn)生是由于發(fā)電機(jī)定子線圈端部與端部的漏磁通相互作用，使得定子繞組端部受到與轉(zhuǎn)速相同的旋轉(zhuǎn)電磁力作用。電磁力的徑向分量是引起繞組端部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要激勵(lì)力，它具有橢圓分布模式，其頻率等于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的2倍，對(duì)轉(zhuǎn)速為3000r/min的汽輪發(fā)電機(jī)來說，電磁力頻率為100Hz。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組端部?jī)啥?勵(lì)端、汽端)橢園型振型模態(tài)頻率接近或等于IOOHz時(shí)，定子繞組端部將產(chǎn)生較大振動(dòng)或共振。這將導(dǎo)致定子繞組端部絕緣磨損、冷卻水管接頭處泄漏等破壞事故，直接影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。由于大型發(fā)電機(jī)組定子端部的高壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，發(fā)電機(jī)定子繞組端部的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)一直是難點(diǎn)問題，對(duì)于發(fā)電機(jī)定子端部繞組振動(dòng)的研究和監(jiān)測(cè)技術(shù)源自于北美和歐洲，早期的端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)受傳感器抗電磁干擾能力的約束，實(shí)用性很差。1996年加拿大VibroSystM公司推出首套電磁干擾免疫的基于光纖傳感技術(shù)的端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以來，發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)踐主要集中于端部振動(dòng)的傳感及測(cè)量技術(shù)、故障診斷判據(jù)僅依賴于端部振動(dòng)幅值與統(tǒng)一的端部振動(dòng)幅值限值的比較，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的徑向振幅報(bào)警值為250 μ m?，F(xiàn)有的定子端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)利用在定子端部裝設(shè)振動(dòng)傳感器，定時(shí)(秒級(jí))測(cè)量端部的振動(dòng)強(qiáng)度，形成歷史記錄供維護(hù)人員日后分析。由于定子振動(dòng)與發(fā)電機(jī)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(cè)方法過于簡(jiǎn)單，實(shí)用性不強(qiáng)，識(shí)別的可靠性不能令人滿意。中國(guó)從2000年前后開始發(fā)電機(jī)組定子繞組端部振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)研究，先后推出兩個(gè)國(guó)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(píng)定準(zhǔn)則和發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)測(cè)量方法及評(píng)定準(zhǔn)則，通過科研與實(shí)踐相結(jié)合的形式在多種機(jī)型進(jìn)行了端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)。近年來隨著國(guó)內(nèi)大機(jī)組投運(yùn)的快速發(fā)展，該問題受到高度重視，在新建的火電、水電大機(jī)組上普遍裝設(shè)端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備?；痣姲l(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)源自西方發(fā)達(dá)國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)調(diào)整，發(fā)電機(jī)組制造和設(shè)計(jì)逐步從西方發(fā)展到中國(guó)。研究大型發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)端部繞組振動(dòng)故障診斷技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)端部繞組的故障預(yù)警，對(duì)于大型發(fā)電機(jī)組的定子繞組端部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
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，針對(duì)定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，公開了一種以變壓器振動(dòng)為參考的自適應(yīng)、高可靠性、物理概念明確的相對(duì)振動(dòng)檢測(cè)方法。發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的現(xiàn)有檢測(cè)方法是直接測(cè)量端部繞組的振動(dòng)幅度大小，并判斷是否超過振幅報(bào)警限來診斷發(fā)電機(jī)定子繞組端部的健康狀態(tài)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行中由于發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的需求，自動(dòng)發(fā)電控制會(huì)連續(xù)調(diào)度發(fā)電機(jī)的有功出力，自動(dòng)電壓控制會(huì)快速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功輸出，這些都將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)運(yùn)行中定子電流幅值不斷變化，在電磁力作用下，定子繞組端部振動(dòng)同樣在較大范圍內(nèi)波動(dòng)。因此采用絕對(duì)的端部振動(dòng)幅值判別方法，不具有自適應(yīng)能力，識(shí)別的可靠性不高。由于發(fā)電機(jī)定子電流與升壓變壓器原邊電流大小相同，在電路中是閉合回路，因此變壓器繞組的電磁振動(dòng)與發(fā)電機(jī)定子端部繞組的電磁振動(dòng)具有可比性，去除結(jié)構(gòu)上固有頻率的差異，兩者具有較好的線性量值關(guān)系。同時(shí)由于變壓器繞組采用鐵芯壓接工藝，繞組具有機(jī)械結(jié)構(gòu)的一致性，變壓器繞組結(jié)構(gòu)不同于發(fā)電機(jī)定子繞組端部的懸臂梁結(jié)構(gòu)，變壓器繞組相比發(fā)電機(jī)定子繞組端部具有更好的振動(dòng)穩(wěn)定性，變壓器繞組劣化相對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化很少出現(xiàn)，因此變壓器繞組振動(dòng)可做為良好的參照物來檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子繞組端部的健康狀況。變壓器繞組振動(dòng)是變壓器鐵芯振動(dòng)和附著在鐵芯上的原邊、副邊繞組振動(dòng)的綜合振動(dòng)。變壓器的鐵芯振動(dòng)與勵(lì)磁電壓相關(guān)，不受變壓器傳變電流和功率變化的影響；變壓器原邊、副邊繞組的電流大小同比變化，因此變壓器繞組的綜合振動(dòng)與變壓器的原邊電動(dòng)力成線性關(guān)系，與發(fā)電機(jī)定子端部振動(dòng)成線性關(guān)系。本發(fā)明采用變壓器繞組振動(dòng)與發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)的相對(duì)比較，識(shí)別發(fā)電機(jī)定子繞組端部的劣化。該方法的最大優(yōu)勢(shì)是不受運(yùn)行工況的影響，具有發(fā)電機(jī)定子電流自適應(yīng)能力，其診斷效果更準(zhǔn)確、更可靠，且采用同一物理量的相對(duì)值識(shí)別發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)劣化，易于整定，物理概念明確。本發(fā)明提出建立發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)與變壓器繞組振動(dòng)的關(guān)聯(lián)分析，同步測(cè)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)與變壓器三相繞組振動(dòng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)及變壓器運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)時(shí)，定時(shí)計(jì)算發(fā)電機(jī)繞組端部振動(dòng)參考變壓器繞組振動(dòng)的的三相絕對(duì)離散度和標(biāo)么離散度，并形成歷史記錄，當(dāng)監(jiān)測(cè)的特征量超過設(shè)定值時(shí)認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)劣化并告警。利用發(fā)電機(jī)與變壓器繞組振動(dòng)的關(guān)聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)故障診斷的具體步驟和技術(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)的三相繞組上分別裝設(shè)6支振動(dòng)傳感器，其中a、b、c每相各2支，采用光纖加速度傳感器。在升壓變壓器的原邊繞組裝設(shè)6支振動(dòng)傳感器，其中ab、be、ca相繞組各2支，每個(gè)繞組在其鐵芯的上端和下端的器殼支撐處各裝I支，采用壓電式傳感器。2)發(fā)電機(jī)、變壓器的振動(dòng)測(cè)量單元采集各傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)，以不低于2KHz的采樣率對(duì)振動(dòng)信號(hào)連續(xù)采樣。其中發(fā)電機(jī)的各光纖傳感器通過傳輸光纖將測(cè)量信息匯聚到振動(dòng)測(cè)量單元；變壓器的振動(dòng)測(cè)量單元在傳感器安裝位置就地布置，并配置光纖接口 ；通過光纜將計(jì)算信息匯聚到發(fā)電機(jī)振動(dòng)測(cè)量單元；兩測(cè)量單元通過啟動(dòng)脈沖及定時(shí)器實(shí)現(xiàn)各振動(dòng)信號(hào)的同步采樣。3)各振動(dòng)測(cè)量單元利用窄帶帶通數(shù)字濾波器提取其中的頻率為發(fā)電機(jī)工頻2倍的特征頻率分量，對(duì)于50Hz電網(wǎng)為IOOHz ;以20ms為一個(gè)計(jì)算周期，定時(shí)計(jì)算各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)特征頻率分量的振幅，記作A (k)。當(dāng)發(fā)電機(jī)及變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)特征頻率振幅分量與特征電流的平方成正t匕，即A(k) -12f2(k)，由于發(fā)電機(jī)定子電流與流入升壓變壓器原邊的電流一致，則發(fā)電機(jī)定子端部勵(lì)磁側(cè)和汽機(jī)側(cè)的振幅與變壓器原邊、副邊繞組的振幅成正比，進(jìn)而與變壓器繞組綜合振動(dòng)振幅成正比，即:
權(quán)利要求
1.一種識(shí)別大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的在線診斷方法，該方法關(guān)聯(lián)分析發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)與升壓變壓器繞組振動(dòng)特征，利用穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的振動(dòng)標(biāo)么離散度識(shí)別發(fā)電機(jī)定子端部繞組劣化，具體包括步驟: 1)傳感器配置:在發(fā)電機(jī)定子繞組的勵(lì)磁側(cè)和汽機(jī)側(cè)的三相繞組端部分別裝設(shè)6支振動(dòng)傳感器，其中a、b、c相繞組各2支；升壓變壓器的原邊繞組共配置6支振動(dòng)傳感器，其中ab.bc, ca相繞組各2支，分別裝設(shè)在其鐵芯上端和下端的器殼支撐處； 2)特征頻率分量的振幅測(cè)量:發(fā)電機(jī)、變壓器的振動(dòng)測(cè)量單元分別對(duì)各自傳感器輸出信號(hào)做連續(xù)測(cè)量，各振動(dòng)測(cè)量單元通過光纜匯聚信息，并實(shí)現(xiàn)各振動(dòng)信號(hào)的同步采樣；利用窄帶帶通數(shù)字濾波器提取其中的頻率為發(fā)電機(jī)工頻2倍的特征頻率分量，對(duì)于50Hz電網(wǎng)為IOOHz ;定時(shí)20ms為一個(gè)計(jì)算周期，計(jì)算各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的特征頻率分量的振幅； 3)特征信號(hào)的計(jì)算:按步驟2)所述的計(jì)算周期，定時(shí)計(jì)算變壓器振動(dòng)特征頻率分量的振幅相對(duì)離散度Dt(k)，并與相對(duì)離散度定值SETdt比較，以此判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)Dt(k) < SETdt時(shí)，判定變壓器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)計(jì)算發(fā)電機(jī)定子端部三相繞組的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特征頻率分量的振幅相對(duì)于變壓器繞組的特征頻率分量振幅的絕對(duì)離散度AAN(k)和標(biāo)幺離散度En (k)，，N= 1,2,…，12;當(dāng)叫(10彡SETdt時(shí)，閉鎖與變壓器振動(dòng)的關(guān)聯(lián)分析和判別； 4)利用特征信號(hào)判別發(fā)電機(jī)定子端部繞組劣化:定時(shí)I秒比較發(fā)電機(jī)定子端部三相繞組各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)么離散度EnGO是否超過標(biāo)么離散度定值SETea且超過定值的持續(xù)時(shí)間超過時(shí)間定值SETt,從而判定定子繞組端部振動(dòng)是否劣化并告警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種識(shí)別大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化的在線診斷方法，其中特征信號(hào)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)定子端部繞組在線安全監(jiān)測(cè)，公開了一種利用相對(duì)振動(dòng)特征的具有自適應(yīng)、高可靠性的定子端部繞組劣化的檢測(cè)方法。該方法利用大型汽輪發(fā)電機(jī)組的定子電流與升壓變壓器原邊電流一致的特點(diǎn)，同步測(cè)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)與變壓器三相繞組振動(dòng)，關(guān)聯(lián)分析定子繞組端部振動(dòng)與變壓器繞組振動(dòng)。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，定時(shí)計(jì)算發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)幅值相對(duì)變壓器繞組振幅的標(biāo)幺離散度，并形成歷史記錄，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特征值超過設(shè)定值且超過設(shè)定值的時(shí)間超過時(shí)間設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子繞組端部劣化并告警。該方法能夠自適應(yīng)發(fā)電機(jī)定子穩(wěn)態(tài)電流的變化，且易于整定。
文檔編號(hào)G01H11/08GK103090962SQ20131000254
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者李娟 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)