發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(jī)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(jī)理。結(jié)合伊敏電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)際應(yīng)用，闡述了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的重要性。關(guān)鍵詞：故障診斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)1引言設(shè)備故障在線(xiàn)診斷技術(shù)是20世紀(jì)70年代興起的一項(xiàng)新技術(shù)，它可以利用先進(jìn)的技術(shù)手段監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，判斷設(shè)備是否異常或有故障，故障的位置和原因以及故障的惡化趨勢(shì)，從而確定合理的維修時(shí)間和方案。這項(xiàng)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(lèi)型三個(gè)基本環(huán)節(jié)，還包括四項(xiàng)基本技術(shù)：檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、識(shí)別技術(shù)和預(yù)測(cè)技術(shù)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)和現(xiàn)代化，設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)備故障造成的經(jīng)濟(jì)損失和影響也越來(lái)越大。設(shè)備維護(hù)方法和監(jiān)控方法越來(lái)越受到重視，其發(fā)展經(jīng)歷了從事后維護(hù)到定期維護(hù)，再到視情維護(hù)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(cè)診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的。通過(guò)對(duì)運(yùn)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(cè)(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(jiǎn)單的工具進(jìn)行檢查和監(jiān)控；2)使用簡(jiǎn)單的檢測(cè)器進(jìn)行檢查和監(jiān)控；3)離線(xiàn)監(jiān)控；4)連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；5)在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)：在線(xiàn)監(jiān)測(cè)可隨時(shí)獲得機(jī)器運(yùn)行的各種狀態(tài)信號(hào)，并可對(duì)機(jī)器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。其特點(diǎn)是能早期發(fā)現(xiàn)故障，密切監(jiān)視其發(fā)展，提前實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，使在較合適的閾值下選擇準(zhǔn)備好的停機(jī)檢修設(shè)備成為可能，可以節(jié)省時(shí)間，減少損失。在線(xiàn)連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以提供設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)的信息，它提供的趨勢(shì)分析信息可以進(jìn)一步完善設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，使設(shè)備維護(hù)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(shí)不斷改進(jìn)運(yùn)行方式，進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和效率。雙方的經(jīng)驗(yàn)和積累的數(shù)據(jù)為設(shè)備設(shè)計(jì)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(yùn)行中在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)如圖1-1所示。圖1-1發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的核心。隨著工業(yè)電力的發(fā)展和單機(jī)容量的增加，提高發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和診斷，對(duì)發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。發(fā)電機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的主要目的是早期發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的缺陷，有計(jì)劃地安排維修，從而避免事故發(fā)生，減少事故造成的財(cái)產(chǎn)損失，減少?gòu)?qiáng)制停機(jī)次數(shù)，降低發(fā)電機(jī)的維修成本，提高發(fā)電機(jī)的可用性。長(zhǎng)期以來(lái)，電廠中用于發(fā)電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)和控制方法大多是針對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的調(diào)整和異常或事故狀態(tài)的控制，很少或沒(méi)有對(duì)潛在故障進(jìn)行早期檢測(cè)或診斷。發(fā)電機(jī)交接和檢修所用的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也是診斷方法，大多只適用于停機(jī)狀態(tài)，不能滿(mǎn)足防止運(yùn)行中突發(fā)事故的要求。發(fā)電機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)需要觀察和采集發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的許多電氣、機(jī)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(jī)運(yùn)行異常或存在缺陷的信息。目前，發(fā)電機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和采用， #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)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(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)不斷問(wèn)世。除在線(xiàn)監(jiān)測(cè)外，它們還具有趨勢(shì)分析和故障診斷功能，為實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)提供了有效的技術(shù)手段，顯著提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通常有多個(gè)勵(lì)磁線(xiàn)圈、線(xiàn)圈引線(xiàn)和阻尼繞組。這些部件在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中承受較大的電流和離心力，當(dāng)超過(guò)部件的極限強(qiáng)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大的事故。例如，某水電站75MW水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中因轉(zhuǎn)子引線(xiàn)斷裂而失磁，導(dǎo)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(dǎo)致三相短路，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(tái)機(jī)組因轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)間隙接地，造成了一系列嚴(yán)重后果，較終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報(bào)廢。這些事故令人震驚。目前，轉(zhuǎn)子繞組斷線(xiàn)通常在停機(jī)條件下測(cè)量，轉(zhuǎn)子匝間短路的測(cè)量是在發(fā)電機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，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(jī)組的重要組成部分之一，發(fā)電機(jī)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(lì)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(lì)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(duì)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(gè)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(jī)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(zhuǎn)子本體故障是純機(jī)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(huì)導(dǎo)致過(guò)熱引起的疲勞裂紋。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子引線(xiàn)的斷裂是一個(gè)漸變過(guò)程。在機(jī)組大小修時(shí)處于靜態(tài)常溫下，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組直流電阻的測(cè)量，稍有裂紋，從直流電阻上很難反映出來(lái)，只有在運(yùn)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(lái)。當(dāng)出現(xiàn)裂痕時(shí)，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(jī)械強(qiáng)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(xiàn)為回路電阻增大。大多數(shù)發(fā)電機(jī)都發(fā)生過(guò)或存在轉(zhuǎn)子繞圈匝間短路的故障，由于其對(duì)機(jī)組正常運(yùn)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(zhǎng)期運(yùn)行下去，匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子端部的熱變形，線(xiàn)圈端部墊塊的松動(dòng)或護(hù)環(huán)絕緣襯墊的老化，小的導(dǎo)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(zhuǎn)子熱不平衡，轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)繞組有一半電流被旁路時(shí)，短路損耗將達(dá)線(xiàn)圈總損耗的四分之一，短路會(huì)導(dǎo)致繞組總損耗減小，轉(zhuǎn)子平均溫度降低，而故障點(diǎn)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(dòng)增加。隨著勵(lì)磁電流的增加，振動(dòng)也隨著增加。轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈發(fā)生匝間短路故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這樣幾個(gè)征兆:1)振動(dòng)增大;2)勵(lì)磁電流增大，振動(dòng)幅值增大;3)在勵(lì)磁電壓不變的情況下，勵(lì)磁電流增大。因此及早發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行有著重要意義。3.1 匝間短路在線(xiàn)檢測(cè)裝置應(yīng)用實(shí)例伊敏發(fā)電廠2004年5月＃2發(fā)電機(jī)檢修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子汽、勵(lì)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(yàn)報(bào)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(shí)，#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的阻抗電流明顯的高于#1發(fā)電機(jī)，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(jī)轉(zhuǎn)子繞組的阻抗電流已經(jīng)與盤(pán)山發(fā)電廠#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的阻抗電流相等，而盤(pán)山電廠#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)被證實(shí)：在3000r/min時(shí)，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(xiàn)看，伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗功率為6240W，比伊敏發(fā)電廠#1發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)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(xiàn)，為了準(zhǔn)確判定在動(dòng)態(tài)時(shí)伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置－轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線(xiàn)圈，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)槽漏磁感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行測(cè)定。在發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子氣隙中安裝測(cè)試用轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線(xiàn)圈，并將信號(hào)引至發(fā)電機(jī)外部，通過(guò)計(jì)算發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)下轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)電勢(shì)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(guò)參照軸系測(cè)振系統(tǒng)中的“鍵相器”信號(hào)準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)的極號(hào)和槽號(hào)。2004年7月9日分別在#2機(jī)啟機(jī)前的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)中對(duì)轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)實(shí)際測(cè)試的波形，依照J(rèn)B/T8446-1996標(biāo)準(zhǔn)給定的方法計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：我廠#2發(fā)電機(jī)正極（外環(huán)）轉(zhuǎn)子繞組#8線(xiàn)圈、正極（外環(huán)））轉(zhuǎn)子繞組#7線(xiàn)圈的感應(yīng)電勢(shì)較小，判定為匝間短路。（測(cè)試波形及結(jié)果見(jiàn)圖2－1和表2－1）圖2－1伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)額定電流狀態(tài)下轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)電勢(shì)波根據(jù)波形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表表2－1伊敏發(fā)電廠#2發(fā)電機(jī)短路（試驗(yàn)）狀態(tài)下轉(zhuǎn)子槽漏磁感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)電勢(shì)統(tǒng)計(jì)表另外，轉(zhuǎn)子的故障形式在某種程度上可以通過(guò)影響轉(zhuǎn)子回路電阻的阻值大小顯現(xiàn)出來(lái)，故對(duì)于轉(zhuǎn)子回路的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)還可以通過(guò)回路電阻變化的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)施。對(duì)各個(gè)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(jì)的方法，提出一種在線(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)施的新思路，目前在這方面內(nèi)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(shì)。不論是轉(zhuǎn)子引線(xiàn)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(lái)。對(duì)于轉(zhuǎn)子回路實(shí)施監(jiān)測(cè)，也就是對(duì)回路整體電阻變化的監(jiān)測(cè).它是以溫度的形式來(lái)反映，一般通過(guò)對(duì)回路電阻的測(cè)量經(jīng)換算得到，它是一種平均溫度的表現(xiàn)。由于光憑測(cè)量的結(jié)果并不能說(shuō)明問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，因?yàn)闇y(cè)量電阻的同時(shí)可能已存在故障現(xiàn)象，而對(duì)于故障的出現(xiàn)并未有評(píng)判的依據(jù)，只能根據(jù)測(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)深入分析故障發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)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(jì)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(dòng)的大致范圍。并以此為上下限的標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)判實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。這種方法是針對(duì)回路的平均溫度而言，也是對(duì)測(cè)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(cè)量方面，采取對(duì)應(yīng)布點(diǎn)測(cè)量，數(shù)據(jù)通過(guò)紅外光形式進(jìn)行傳輸?shù)姆绞剑@主要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shí)際中有很強(qiáng)的針對(duì)性和適用性。綜合上述兩個(gè)方面形成對(duì)轉(zhuǎn)子回路整體和局部的監(jiān)測(cè)。4 結(jié)束語(yǔ)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)出發(fā)電機(jī)內(nèi)部的隱患，避免意外災(zāi)難性事故的發(fā)生，減少?gòu)?qiáng)迫停機(jī)次數(shù)和延長(zhǎng)電機(jī)大修間隔，從而顯著提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一個(gè)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(jī)當(dāng)時(shí)運(yùn)行時(shí)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(huì)引發(fā)質(zhì)的突變，產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。本文通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析，說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的重要意義。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#