發(fā)電機轉子故障診斷和在線(xiàn)監測作者：匿名2008/1/16 12:0633626

摘要：基于設備故障診斷，從發(fā)電機轉子結構入手，分析了轉子電路故障的表現形式和故障機理。結合伊敏電廠(chǎng)發(fā)電機轉子匝間短路在線(xiàn)監測裝置的實(shí)際應用，闡述了發(fā)電機轉子在線(xiàn)監測的重要性。關(guān)鍵詞：故障診斷發(fā)電機轉子匝間短路在線(xiàn)監測1引言設備故障在線(xiàn)診斷技術(shù)是20世紀70年代興起的一項新技術(shù)，它可以利用先進(jìn)的技術(shù)手段監測和分析設備狀態(tài)參數，判斷設備是否異?；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(shí)間和方案。這項技術(shù)包括檢查和發(fā)現異常、診斷故障狀態(tài)和位置、分析故障類(lèi)型三個(gè)基本環(huán)節，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)和預測技術(shù)。隨著(zhù)生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)設備越來(lái)越先進(jìn)和現代化，設備越來(lái)越復雜，設備故障造成的經(jīng)濟損失和影響也越來(lái)越大。設備維護方法和監控方法越來(lái)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，它是以監測診斷技術(shù)為基礎的。通過(guò)對運行狀態(tài)的監控，可以發(fā)現和消除可能出現的故障，避免事故的發(fā)生。同樣，設備檢測(監控)方法也在不斷發(fā)生適應性變化，經(jīng)歷了五次發(fā)展：1)依靠人的五官和簡(jiǎn)單的工具進(jìn)行檢查和監控；2)使用簡(jiǎn)單的檢測器進(jìn)行檢查和監控；3)離線(xiàn)監控；4)連續狀態(tài)監測；5)在線(xiàn)狀態(tài)監測：在線(xiàn)監測可隨時(shí)獲得機器運行的各種狀態(tài)信號，并可對機器進(jìn)行連續監測。其特點(diǎn)是能早期發(fā)現故障，密切監視其發(fā)展，提前實(shí)現預測，使在較合適的閾值下選擇準備好的停機檢修設備成為可能，可以節省時(shí)間，減少損失。在線(xiàn)連續狀態(tài)監測可以提供設備運行和維護的信息，它提供的趨勢分析信息可以進(jìn)一步完善設備維護計劃，使設備維護更加準確有效，節約成本。操作員可以使用它顯示的狀態(tài)信息；及時(shí)不斷改進(jìn)運行方式，進(jìn)一步提高設備運行的可靠性和效率。雙方的經(jīng)驗和積累的數據為設備設計者和制造商提高設備的性能和可靠性提供了重要的信息。設備運行中在線(xiàn)連續監測的狀態(tài)如圖1-1所示。圖1-1發(fā)電機是電力系統的核心。隨著(zhù)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(shí)現對發(fā)電機的在線(xiàn)監測和診斷，對發(fā)電機的可靠運行至關(guān)重要。發(fā)電機在線(xiàn)監測的主要目的是早期發(fā)現發(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，降低發(fā)電機的維修成本，提高發(fā)電機的可用性。長(cháng)期以來(lái)，電廠(chǎng)中用于發(fā)電機運行的監測和控制方法大多是針對機組運行工況的調整和異?；蚴鹿薁顟B(tài)的控制，很少或沒(méi)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準也是診斷方法，大多只適用于停機狀態(tài)，不能滿(mǎn)足防止運行中突發(fā)事故的要求。發(fā)電機在線(xiàn)監測診斷系統需要觀(guān)察和采集發(fā)電機運行狀態(tài)下的許多電氣、機械，理化數據和特性，并建立正確的數據處理系統，較終給出發(fā)電機運行異?；虼嬖谌毕莸男畔?。目前，發(fā)電機在線(xiàn)監測診斷系統得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和采用， #p#分頁(yè)標題#e#

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

理作一番分析和說(shuō)明。轉子引線(xiàn)的斷裂是一個(gè)漸變過(guò)程。在機組大小修時(shí)處于靜態(tài)常溫下，通過(guò)對轉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(lái)，只有在運行當中，繞組處于高速離心力和高溫環(huán)境下，才能反映出來(lái)。當出現裂痕時(shí)，使其通流密度增大，局部溫度升高，引起導體局部膨脹變形，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(shí)，伴有電弧使之燒毀，由此推斷，有裂紋到斷裂是隨時(shí)間發(fā)展的，再則通流面積減小，局部溫度升高，在此過(guò)程中，都表現為回路電阻增大。大多數發(fā)電機都發(fā)生過(guò)或存在轉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(cháng)期運行下去，匝間短路故障會(huì )導致轉子線(xiàn)圈一點(diǎn)甚至多點(diǎn)接地。匝間短路發(fā)生的主要原因是線(xiàn)匝絕緣的移動(dòng)，轉子端部的熱變形，線(xiàn)圈端部墊塊的松動(dòng)或護環(huán)絕緣襯墊的老化，小的導電粒子或碎渣進(jìn)入線(xiàn)圈端部及通風(fēng)溝。匝間短路能引起轉子熱不平衡，轉子漏磁場(chǎng)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。當線(xiàn)圈發(fā)生匝間短路時(shí)，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，當繞組有一半電流被旁路時(shí)，短路損耗將達線(xiàn)圈總損耗的四分之一，短路會(huì )導致繞組總損耗減小，轉子平均溫度降低，而故障點(diǎn)短路損耗增加導致局部溫度升高、熱膨脹在很小范圍內發(fā)生.因而轉子發(fā)生不同程度的彎曲，振動(dòng)增加。隨著(zhù)勵磁電流的增加，振動(dòng)也隨著(zhù)增加。轉子線(xiàn)圈發(fā)生匝間短路故障時(shí)，會(huì )出現這樣幾個(gè)征兆:1)振動(dòng)增大;2)勵磁電流增大，振動(dòng)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)現發(fā)電機轉子匝間短路對發(fā)電機安全運行有著(zhù)重要意義。3.1 匝間短路在線(xiàn)檢測裝置應用實(shí)例伊敏發(fā)電廠(chǎng)2004年5月＃2發(fā)電機檢修中發(fā)現轉子汽、勵兩側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：轉子靜態(tài)交流阻抗基本正常，額定轉速下交流阻抗電流較大,在3000r/min時(shí)，#2發(fā)電機轉子繞組的阻抗電流明顯的高于#1發(fā)電機，電流增量達到7.59，嚴重超標。這是發(fā)生匝間短路故障的重要判據之一；另外伊敏發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機轉子繞組的阻抗電流已經(jīng)與盤(pán)山發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機轉子繞組的阻抗電流相等，而盤(pán)山電廠(chǎng)#2發(fā)電機轉子已經(jīng)被證實(shí)：在3000r/min時(shí)，轉子繞組是存在穩定的、金屬性的匝間絕緣短路故障；從損耗功率曲線(xiàn)看，伊敏發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機轉子的損耗功率為6240W，比伊敏發(fā)電廠(chǎng)#1發(fā)電機的損耗功率高出10.9，這也可以得到同樣的結果：伊敏發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機轉子繞組的匝間絕緣在動(dòng)態(tài)工況（3000r/min）時(shí)有問(wèn)題；由于在靜態(tài)下匝間絕緣短路故障不出現，為了準確判定在動(dòng)態(tài)時(shí)伊敏發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機轉子繞組匝間絕緣的狀態(tài)、同時(shí)確定可能的故障點(diǎn)的大致位置，決定安裝一套轉子在線(xiàn)監測裝置－轉子槽漏磁感應線(xiàn)圈，對發(fā)電機轉子動(dòng)態(tài)槽漏磁感應電勢進(jìn)行測定。在發(fā)電機定、轉子氣隙中安裝測試用轉子槽漏磁感應線(xiàn)圈，并將信號引至發(fā)電機外部，通過(guò)計算發(fā)電機動(dòng)態(tài)下轉子槽漏磁感應電勢波形的畸變程度，可以準確判定轉子繞組匝間是否存在短路現象。并且通過(guò)參照軸系測振系統中的“鍵相器”信號準確判斷故障點(diǎn)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子槽漏磁感應電勢進(jìn)行了測試，根據實(shí)際測試的波形，依照JB/T8446-1996標準給定的方法計算分析發(fā)現：我廠(chǎng)#2發(fā)電機正極（外環(huán)）轉子繞組#8線(xiàn)圈、正極（外環(huán)））轉子繞組#7線(xiàn)圈的感應電勢較小，判定為匝間短路。（測試波形及結果見(jiàn)圖2－1和表2－1）圖2－1伊敏發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機短路試驗額定電流狀態(tài)下轉子槽漏磁感應線(xiàn)圈的感應電勢波根據波形計算結果見(jiàn)下表表2－1伊敏發(fā)電廠(chǎng)#2發(fā)電機短路（試驗）狀態(tài)下轉子槽漏磁感應線(xiàn)圈的感應電勢統計表另外，轉子的故障形式在某種程度上可以通過(guò)影響轉子回路電阻的阻值大小顯現出來(lái)，故對于轉子回路的在線(xiàn)監測還可以通過(guò)回路電阻變化的監測來(lái)實(shí)施。對各個(gè)方面因素的綜合考慮和現有數據的情況下，可以采用建立模型和利用數理統計的方法，提出一種在線(xiàn)監測實(shí)施的新思路，目前在這方面內已經(jīng)有比較專(zhuān)業(yè)的研究。從回路電阻的角度來(lái)看，整個(gè)回路電阻有減小的趨勢。不論是轉子引線(xiàn)的斷裂還是轉子匝間短路的故障，都可在轉子回路電阻大小變化之間體現出來(lái)。對于轉子回路實(shí)施監測，也就是對回路整體電阻變化的監測.它是以溫度的形式來(lái)反映，一般通過(guò)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。由于光憑測量的結果并不能說(shuō)明問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，因為測量電阻的同時(shí)可能已存在故障現象，而對于故障的出現并未有評判的依據，只能根據測量前后所得的值加以比較得出較為模糊的結論。為了獲得這種判別標準，主要是通過(guò)實(shí)驗數據為基礎深入分析故障發(fā)生時(shí)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態(tài)數學(xué)模型，以期獲得在一定工況條件下，轉子回路溫度變化的模型，以此為基礎，結合數理統計方面的內容，求出在一定置信水平下，轉子回路電阻(溫度)波動(dòng)的大致范圍。并以此為上下限的標準去評判實(shí)際測量的結果，從而得出相應的結論。這種方法是針對回路的平均溫度而言，也是對測量轉子平均溫度提出一種新的思路。在轉子回路局部溫度測量方面，采取對應布點(diǎn)測量，數據通過(guò)紅外光形式進(jìn)行傳輸的方式，這主要綜合考慮現場(chǎng)測量所處的工作環(huán)境和數據傳輸的幾種方式而提出的，在實(shí)際中有很強的針對性和適用性。綜合上述兩個(gè)方面形成對轉子回路整體和局部的監測。4 結束語(yǔ)發(fā)電機運行在線(xiàn)監測與故障診斷技術(shù)是較近十幾年發(fā)展起來(lái)的，它能及時(shí)監測出發(fā)電機內部的隱患，避免意外災難性事故的發(fā)生，減少強迫停機次數和延長(cháng)電機大修間隔，從而顯著(zhù)提高發(fā)電機運行的安全性和經(jīng)濟性.發(fā)電機轉子回路的在線(xiàn)監測主要是針對發(fā)電機的轉子一個(gè)方面而言。由于轉子回路這一部分所發(fā)生的故障可能在發(fā)電機當時(shí)運行時(shí)所引起的后果并不一定較為嚴重，只有當故障現象積累到一定程度，才會(huì )引發(fā)質(zhì)的突變，產(chǎn)生嚴重的事故。本文通過(guò)對發(fā)電機轉子故障分析，說(shuō)明發(fā)電機轉子在線(xiàn)監測的重要意義。#p#分頁(yè)標題#e#