發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障診斷和在線監(jiān)測作者：匿名2008/1/16 12:0633626

摘要：基于設(shè)備故障診斷，從發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)入手，分析了轉(zhuǎn)子電路故障的表現(xiàn)形式和故障機理。結(jié)合伊敏電廠發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測裝置的實際應(yīng)用，闡述了發(fā)電機轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測的重要性。關(guān)鍵詞：故障診斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測1引言設(shè)備故障在線診斷技術(shù)是20世紀(jì)70年代興起的一項新技術(shù)，它可以利用先進(jìn)的技術(shù)手段監(jiān)測和分析設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，判斷設(shè)備是否異?；蛴泄收?，故障的位置和原因以及故障的惡化趨勢，從而確定合理的維修時間和方案。這項技術(shù)包括檢查和發(fā)現(xiàn)異常、診斷故障狀態(tài)和位置、分析故障類型三個基本環(huán)節(jié)，還包括四項基本技術(shù)：檢測技術(shù)、信號處理技術(shù)、識別技術(shù)和預(yù)測技術(shù)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備越來越先進(jìn)和現(xiàn)代化，設(shè)備越來越復(fù)雜，設(shè)備故障造成的經(jīng)濟損失和影響也越來越大。設(shè)備維護方法和監(jiān)控方法越來越受到重視，其發(fā)展經(jīng)歷了從事后維護到定期維護，再到視情維護的變化。其中，基于狀態(tài)的維修是較先進(jìn)、較合理的維修方式，它是以監(jiān)測診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的。通過對運行狀態(tài)的監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)和消除可能出現(xiàn)的故障，避免事故的發(fā)生。同樣，設(shè)備檢測(監(jiān)控)方法也在不斷發(fā)生適應(yīng)性變化，經(jīng)歷了五次發(fā)展：1)依靠人的五官和簡單的工具進(jìn)行檢查和監(jiān)控；2)使用簡單的檢測器進(jìn)行檢查和監(jiān)控；3)離線監(jiān)控；4)連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測；5)在線狀態(tài)監(jiān)測：在線監(jiān)測可隨時獲得機器運行的各種狀態(tài)信號，并可對機器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。其特點是能早期發(fā)現(xiàn)故障，密切監(jiān)視其發(fā)展，提前實現(xiàn)預(yù)測，使在較合適的閾值下選擇準(zhǔn)備好的停機檢修設(shè)備成為可能，可以節(jié)省時間，減少損失。在線連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測可以提供設(shè)備運行和維護的信息，它提供的趨勢分析信息可以進(jìn)一步完善設(shè)備維護計劃，使設(shè)備維護更加準(zhǔn)確有效，節(jié)約成本。操作員可以使用它顯示的狀態(tài)信息；及時不斷改進(jìn)運行方式，進(jìn)一步提高設(shè)備運行的可靠性和效率。雙方的經(jīng)驗和積累的數(shù)據(jù)為設(shè)備設(shè)計者和制造商提高設(shè)備的性能和可靠性提供了重要的信息。設(shè)備運行中在線連續(xù)監(jiān)測的狀態(tài)如圖1-1所示。圖1-1發(fā)電機是電力系統(tǒng)的核心。隨著工業(yè)電力的發(fā)展和單機容量的增加，提高發(fā)電機的產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)對發(fā)電機的在線監(jiān)測和診斷，對發(fā)電機的可靠運行至關(guān)重要。發(fā)電機在線監(jiān)測的主要目的是早期發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的缺陷，有計劃地安排維修，從而避免事故發(fā)生，減少事故造成的財產(chǎn)損失，減少強制停機次數(shù)，降低發(fā)電機的維修成本，提高發(fā)電機的可用性。長期以來，電廠中用于發(fā)電機運行的監(jiān)測和控制方法大多是針對機組運行工況的調(diào)整和異常或事故狀態(tài)的控制，很少或沒有對潛在故障進(jìn)行早期檢測或診斷。發(fā)電機交接和檢修所用的試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)也是診斷方法，大多只適用于停機狀態(tài)，不能滿足防止運行中突發(fā)事故的要求。發(fā)電機在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)需要觀察和采集發(fā)電機運行狀態(tài)下的許多電氣、機械，理化數(shù)據(jù)和特性，并建立正確的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，較終給出發(fā)電機運行異?；虼嬖谌毕莸男畔ⅰＤ壳?，發(fā)電機在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)得到了廣泛的開發(fā)和采用， #p#分頁標(biāo)題#e#

同時，隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷完善，它們與監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，功能完善的新型綜合在線監(jiān)控系統(tǒng)不斷問世。除在線監(jiān)測外，它們還具有趨勢分析和故障診斷功能，為實現(xiàn)預(yù)測性維護提供了有效的技術(shù)手段，顯著提高了發(fā)電機運行的安全性和經(jīng)濟性。發(fā)電機轉(zhuǎn)子通常有多個勵磁線圈、線圈引線和阻尼繞組。這些部件在設(shè)備運行過程中承受較大的電流和離心力，當(dāng)超過部件的極限強度時會導(dǎo)致較大的事故。例如，某水電站75MW水輪發(fā)電機在運行中因轉(zhuǎn)子引線斷裂而失磁，導(dǎo)致阻尼條失步和過熱。斷裂的阻尼條撞擊定子端部，造成定子相間短路，導(dǎo)致三相短路，導(dǎo)致發(fā)電機組和干式變壓器側(cè)繞組燒毀，損失慘重。巧合的是，另一家工廠的一臺機組因轉(zhuǎn)子兩點間隙接地，造成了一系列嚴(yán)重后果，較終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報廢。這些事故令人震驚。目前，轉(zhuǎn)子繞組斷線通常在停機條件下測量，轉(zhuǎn)子匝間短路的測量是在發(fā)電機空載和三相穩(wěn)定短路條件下進(jìn)行的。這些情況表明，有必要對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行在線監(jiān)測，目的是在故障或缺陷的初始階段給出預(yù)警，較終避免事故。3故障分析作為發(fā)電機組的重要組成部分之一，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子也是容易發(fā)生故障的地方。轉(zhuǎn)子一般由磁極、勵磁繞組、轉(zhuǎn)子軛和阻尼繞組、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子風(fēng)扇等輔助部件組成。大多數(shù)勵磁繞組用扁平銅線纏繞形成同心線圈，纏繞在磁極的磁極上。線圈的匝由絕緣材料絕緣和隔離。通過對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析，可以確定轉(zhuǎn)子的故障表現(xiàn)形式，分為三個方面。一方面是轉(zhuǎn)子本體故障，另一方面是轉(zhuǎn)子繞組故障。轉(zhuǎn)子軸承軸系的故障主要是轉(zhuǎn)子軸承和電機軸瓦的故障，故障診斷是基于振動特性的分析，理論上已經(jīng)比較成熟。一方面，轉(zhuǎn)子本體故障是純機械故障，另一方面，電源負(fù)序電壓引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗會導(dǎo)致過熱引起的疲勞裂紋。轉(zhuǎn)子繞組故障可分為斷線、接地故障和匝間短路。以下是主要故障

理作一番分析和說明。轉(zhuǎn)子引線的斷裂是一個漸變過程。在機組大小修時處于靜態(tài)常溫下，通過對轉(zhuǎn)子繞組直流電阻的測量，稍有裂紋，從直流電阻上很難反映出來，只有在運行當(dāng)中，繞組處于高速離心力和高溫環(huán)境下，才能反映出來。當(dāng)出現(xiàn)裂痕時，使其通流密度增大，局部溫度升高，引起導(dǎo)體局部膨脹變形，機械強度低，加之高速向外的離心力，使其斷裂在欲斷不斷之時，伴有電弧使之燒毀，由此推斷，有裂紋到斷裂是隨時間發(fā)展的，再則通流面積減小，局部溫度升高，在此過程中，都表現(xiàn)為回路電阻增大。大多數(shù)發(fā)電機都發(fā)生過或存在轉(zhuǎn)子繞圈匝間短路的故障，由于其對機組正常運行影響不大或故障特征不明顯，許多匝間短路故障都被忽略，但長期運行下去，匝間短路故障會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈一點甚至多點接地。匝間短路發(fā)生的主要原因是線匝絕緣的移動，轉(zhuǎn)子端部的熱變形，線圈端部墊塊的松動或護環(huán)絕緣襯墊的老化，小的導(dǎo)電粒子或碎渣進(jìn)入線圈端部及通風(fēng)溝。匝間短路能引起轉(zhuǎn)子熱不平衡，轉(zhuǎn)子漏磁場發(fā)生變化，定子繞組并聯(lián)支路的環(huán)流及主軸軸承座的磁化，其影響程度多少取決于短路的程度及部位。當(dāng)線圈發(fā)生匝間短路時，不同的接觸電阻將使熱損耗發(fā)生變化，接觸電阻越小，短路損耗越大，當(dāng)繞組有一半電流被旁路時，短路損耗將達(dá)線圈總損耗的四分之一，短路會導(dǎo)致繞組總損耗減小，轉(zhuǎn)子平均溫度降低，而故障點短路損耗增加導(dǎo)致局部溫度升高、熱膨脹在很小范圍內(nèi)發(fā)生.因而轉(zhuǎn)子發(fā)生不同程度的彎曲，振動增加。隨著勵磁電流的增加，振動也隨著增加。轉(zhuǎn)子線圈發(fā)生匝間短路故障時，會出現(xiàn)這樣幾個征兆:1)振動增大;2)勵磁電流增大，振動幅值增大;3)在勵磁電壓不變的情況下，勵磁電流增大。因此及早發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路對發(fā)電機安全運行有著重要意義。3.1 匝間短路在線檢測裝置應(yīng)用實例伊敏發(fā)電廠2004年5月＃2發(fā)電機檢修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子汽、勵兩側(cè)軸頸和連軸器位置存在不同程度的剩磁，在電氣試驗報告發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子靜態(tài)交流阻抗基本正常，額定轉(zhuǎn)速下交流阻抗電流較大,在3000r/min時，#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的阻抗電流明顯的高于#1發(fā)電機，電流增量達(dá)到7.59，嚴(yán)重超標(biāo)。這是發(fā)生匝間短路故障的重要判據(jù)之一；另外伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的阻抗電流已經(jīng)與盤山發(fā)電廠#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的阻抗電流相等，而盤山電廠#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子已經(jīng)被證實：在3000r/min時，轉(zhuǎn)子繞組是存在穩(wěn)定的、金屬性的匝間絕緣短路故障；從損耗功率曲線看，伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子的損耗功率為6240W，比伊敏發(fā)電廠#1發(fā)電機的損耗功率高出10.9，這也可以得到同樣的結(jié)果：伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的匝間絕緣在動態(tài)工況（3000r/min）時有問題；由于在靜態(tài)下匝間絕緣短路故障不出現(xiàn)，為了準(zhǔn)確判定在動態(tài)時伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣的狀態(tài)、同時確定可能的故障點的大致位置，決定安裝一套轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測裝置－轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線圈，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子動態(tài)槽漏磁感應(yīng)電勢進(jìn)行測定。在發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子氣隙中安裝測試用轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線圈，并將信號引至發(fā)電機外部，通過計算發(fā)電機動態(tài)下轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)電勢波形的畸變程度，可以準(zhǔn)確判定轉(zhuǎn)子繞組匝間是否存在短路現(xiàn)象。并且通過參照軸系測振系統(tǒng)中的“鍵相器”信號準(zhǔn)確判斷故障點的極號和槽號。2004年7月9日分別在#2機啟機前的空載試驗和短路試驗中對轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)電勢進(jìn)行了測試，根據(jù)實際測試的波形，依照J(rèn)B/T8446-1996標(biāo)準(zhǔn)給定的方法計算分析發(fā)現(xiàn)：我廠#2發(fā)電機正極（外環(huán)）轉(zhuǎn)子繞組#8線圈、正極（外環(huán)））轉(zhuǎn)子繞組#7線圈的感應(yīng)電勢較小，判定為匝間短路。（測試波形及結(jié)果見圖2－1和表2－1）圖2－1伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機短路試驗額定電流狀態(tài)下轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線圈的感應(yīng)電勢波根據(jù)波形計算結(jié)果見下表表2－1伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機短路（試驗）狀態(tài)下轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線圈的感應(yīng)電勢統(tǒng)計表另外，轉(zhuǎn)子的故障形式在某種程度上可以通過影響轉(zhuǎn)子回路電阻的阻值大小顯現(xiàn)出來，故對于轉(zhuǎn)子回路的在線監(jiān)測還可以通過回路電阻變化的監(jiān)測來實施。對各個方面因素的綜合考慮和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的情況下，可以采用建立模型和利用數(shù)理統(tǒng)計的方法，提出一種在線監(jiān)測實施的新思路，目前在這方面內(nèi)已經(jīng)有比較專業(yè)的研究。從回路電阻的角度來看，整個回路電阻有減小的趨勢。不論是轉(zhuǎn)子引線的斷裂還是轉(zhuǎn)子匝間短路的故障，都可在轉(zhuǎn)子回路電阻大小變化之間體現(xiàn)出來。對于轉(zhuǎn)子回路實施監(jiān)測，也就是對回路整體電阻變化的監(jiān)測.它是以溫度的形式來反映，一般通過對回路電阻的測量經(jīng)換算得到，它是一種平均溫度的表現(xiàn)。由于光憑測量的結(jié)果并不能說明問題的實質(zhì)，因為測量電阻的同時可能已存在故障現(xiàn)象，而對于故障的出現(xiàn)并未有評判的依據(jù)，只能根據(jù)測量前后所得的值加以比較得出較為模糊的結(jié)論。為了獲得這種判別標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)深入分析故障發(fā)生時發(fā)電機所處的各種工況因素，選擇用逐步回歸分析法建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以期獲得在一定工況條件下，轉(zhuǎn)子回路溫度變化的模型，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方面的內(nèi)容，求出在一定置信水平下，轉(zhuǎn)子回路電阻(溫度)波動的大致范圍。并以此為上下限的標(biāo)準(zhǔn)去評判實際測量的結(jié)果，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。這種方法是針對回路的平均溫度而言，也是對測量轉(zhuǎn)子平均溫度提出一種新的思路。在轉(zhuǎn)子回路局部溫度測量方面，采取對應(yīng)布點測量，數(shù)據(jù)通過紅外光形式進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?，這主要綜合考慮現(xiàn)場測量所處的工作環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸追N方式而提出的，在實際中有很強的針對性和適用性。綜合上述兩個方面形成對轉(zhuǎn)子回路整體和局部的監(jiān)測。4 結(jié)束語發(fā)電機運行在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是較近十幾年發(fā)展起來的，它能及時監(jiān)測出發(fā)電機內(nèi)部的隱患，避免意外災(zāi)難性事故的發(fā)生，減少強迫停機次數(shù)和延長電機大修間隔，從而顯著提高發(fā)電機運行的安全性和經(jīng)濟性.發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的在線監(jiān)測主要是針對發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一個方面而言。由于轉(zhuǎn)子回路這一部分所發(fā)生的故障可能在發(fā)電機當(dāng)時運行時所引起的后果并不一定較為嚴(yán)重，只有當(dāng)故障現(xiàn)象積累到一定程度，才會引發(fā)質(zhì)的突變，產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。本文通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障分析，說明發(fā)電機轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測的重要意義。#p#分頁標(biāo)題#e#