CN103090962A - 利用变压器绕组振动识别发电机定子绕组端部劣化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型汽轮发电机组的发电机定子端部绕组在线安全监测，公开了一种利用相对振动特征的具有自适应、高可靠性的定子端部绕组劣化的检测方法。该方法利用大型汽轮发电机组的定子电流与升压变压器原边电流一致的特点，同步测量发电机定子三相绕组端部励磁侧、汽机侧振动与变压器三相绕组振动，关联分析定子绕组端部振动与变压器绕组振动。在稳态运行状态下，定时计算发电机定子绕组端部振动幅值相对变压器绕组振幅的标幺离散度，并形成历史记录，当监测点的振动特征值超过设定值且超过设定值的时间超过时间设定值时，认为发电机定子绕组端部劣化并告警。该方法能够自适应发电机定子稳态电流的变化，且易于整定。

Description

利用变压器绕组振动识别发电机定子绕组端部劣化的方法

技术领域

本发明涉及大型汽轮发电机组的发电机定子绕组端部振动在线监测，属于发电机组状态监测及故障诊断领域和发电厂主设备全寿命周期监控管理领域。本发明适用于火力发电厂、燃气发电厂及工厂自备电厂的发电机状态监测，可以实现对发电机定子端部绕组松动及绝缘损坏的预防性识别和安全预警，有助于实现发电机组运行维护和全寿命周期管理。

背景技术

大型发电机组的状态监测与运行安全对发电厂及电网的安全运行至关重要。发电机组状态监测和全寿命周期管理已成为智能电网的发电领域重要内容，这方面的技术是实现发电机组安全运行控制和预防性保护的关键。发电机组的状态监测包括发电机与汽轮机轴系振动与扭振监测、发电机定子绕组端部振动监测、发电机局部放电监测、发电机功角监测、发电机绕组绝缘及过热监测等。大型发电机组是典型的旋转机电设备，振动监测和保护是保证旋转机械设备运行安全的关键技术，机械振动会导致恶性事故。本发明针对发电机定子绕组端部振动监测给出一种识别端部绕组劣化的技术及方法。

发电机定子绕组端部振动是近年来在国内受到运行单位高度重视的机组状态监测新增热点。在发电厂生产运行中，大型汽轮发电机定子绕组端部由于振动而导致线棒磨损、绝缘损坏甚至造成相间短路、烧毁绕组等故障或事故时有发生，很多起发电机短路故障是由于机械振动导致绝缘材料损坏引发的。发电机定子、转子的电磁耦合中存在复杂的电磁场相互作用，电磁力导致铁芯及定子绕组的振动。其中定子端部绕组的支撑结构是典型的悬臂梁，定子绕组线棒在端部伸出线槽，采用垫块、绑绳等方法固定，经引出线构成定子回路，这种结构使得定子端部振动最为严重。通过振动信号可以诊断发电机端部绕组的绝缘磨损、结构缺陷等。对发电机定子绕组端部的振动监测是对机械结构的薄弱环节的振动监测，薄弱环节易于受损，直接反映设备局部的健康状态。研究定子绕组端部振动机理、特征及具有量化指导意义的监测诊断技术对实现故障早期预警、延长设备使用寿命，提高发电机组和电网运行安全具有重要意义。

发电机定子绕组端部振动的产生是由于发电机定子线圈端部与端部的漏磁通相互作用，使得定子绕组端部受到与转速相同的旋转电磁力作用。电磁力的径向分量是引起绕组端部结构振动的主要激励力，它具有椭圆分布模式，其频率等于汽轮发电机转速频率的2倍，对转速为3000r/min的汽轮发电机来说，电磁力频率为100Hz。当发电机定子绕组端部两端(励端、汽端)椭园型振型模态频率接近或等于100Hz时，定子绕组端部将产生较大振动或共振。这将导致定子绕组端部绝缘磨损、冷却水管接头处泄漏等破坏事故，直接影响发电机组的正常运行，造成重大的经济损失。

由于大型发电机组定子端部的高压、强电磁场环境，发电机定子绕组端部的在线监测技术一直是难点问题，对于发电机定子端部绕组振动的研究和监测技术源自于北美和欧洲，早期的端部振动监测技术受传感器抗电磁干扰能力的约束，实用性很差。1996年加拿大VibroSystM公司推出首套电磁干扰免疫的基于光纤传感技术的端部振动监测系统以来，发电机端部振动监测的实践主要集中于端部振动的传感及测量技术、故障诊断判据仅依赖于端部振动幅值与统一的端部振动幅值限值的比较，我国国家标准规定的径向振幅报警值为250μm。现有的定子端部振动监测技术利用在定子端部装设振动传感器，定时(秒级)测量端部的振动强度，形成历史记录供维护人员日后分析。由于定子振动与发电机电流有关，发电机不同工况下的振动不具有可比性。因此现有的振动监测方法过于简单，实用性不强，识别的可靠性不能令人满意。

中国从2000年前后开始发电机组定子绕组端部振动的标准研究，先后推出两个国家标准，规定了发电机定子绕组端部模态试验分析方法及评定准则和发电机定子绕组端部振动测量方法及评定准则，通过科研与实践相结合的形式在多种机型进行了端部振动监测。近年来随着国内大机组投运的快速发展，该问题受到高度重视，在新建的火电、水电大机组上普遍装设端部振动监测设备。火电发电机组的设计和制造技术源自西方发达国家，由于经济发展和产业调整，发电机组制造和设计逐步从西方发展到中国。研究大型发电机组的发电机端部绕组振动故障诊断技术不仅能够实现对端部绕组的故障预警，对于大型发电机组的定子绕组端部的结构设计也具有指导意义。

发明内容

本发明涉及大型汽轮发电机组的发电机定子绕组运行安全，针对定子绕组端部振动在线监测技术，公开了一种以变压器振动为参考的自适应、高可靠性、物理概念明确的相对振动检测方法。发电机定子绕组端部振动的现有检测方法是直接测量端部绕组的振动幅度大小，并判断是否超过振幅报警限来诊断发电机定子绕组端部的健康状态。发电机运行中由于发电机和电网协调控制的需求，自动发电控制会连续调度发电机的有功出力，自动电压控制会快速调节发电机无功输出，这些都将导致发电机运行中定子电流幅值不断变化，在电磁力作用下，定子绕组端部振动同样在较大范围内波动。因此采用绝对的端部振动幅值判别方法，不具有自适应能力，识别的可靠性不高。

由于发电机定子电流与升压变压器原边电流大小相同，在电路中是闭合回路，因此变压器绕组的电磁振动与发电机定子端部绕组的电磁振动具有可比性，去除结构上固有频率的差异，两者具有较好的线性量值关系。同时由于变压器绕组采用铁芯压接工艺，绕组具有机械结构的一致性，变压器绕组结构不同于发电机定子绕组端部的悬臂梁结构，变压器绕组相比发电机定子绕组端部具有更好的振动稳定性，变压器绕组劣化相对发电机定子绕组端部劣化很少出现，因此变压器绕组振动可做为良好的参照物来检测发电机定子绕组端部的健康状况。变压器绕组振动是变压器铁芯振动和附着在铁芯上的原边、副边绕组振动的综合振动。变压器的铁芯振动与励磁电压相关，不受变压器传变电流和功率变化的影响；变压器原边、副边绕组的电流大小同比变化，因此变压器绕组的综合振动与变压器的原边电动力成线性关系，与发电机定子端部振动成线性关系。本发明采用变压器绕组振动与发电机定子绕组端部振动的相对比较，识别发电机定子绕组端部的劣化。该方法的最大优势是不受运行工况的影响，具有发电机定子电流自适应能力，其诊断效果更准确、更可靠，且采用同一物理量的相对值识别发电机定子绕组端部振动劣化，易于整定，物理概念明确。

本发明提出建立发电机定子绕组端部振动与变压器绕组振动的关联分析，同步测量发电机定子三相绕组端部励磁侧、汽机侧振动与变压器三相绕组振动；当发电机及变压器运行在稳态时，定时计算发电机绕组端部振动参考变压器绕组振动的的三相绝对离散度和标幺离散度，并形成历史记录，当监测的特征量超过设定值时认为发电机定子绕组端部振动劣化并告警。利用发电机与变压器绕组振动的关联分析实现对发电机定子绕组端部振动故障诊断的具体步骤和技术要点如下：

1)在发电机定子绕组端部的励磁侧和汽机侧的三相绕组上分别装设6支振动传感器，其中a、b、c每相各2支，采用光纤加速度传感器。在升压变压器的原边绕组装设6支振动传感器，其中ab、bc、ca相绕组各2支，每个绕组在其铁芯的上端和下端的器壳支撑处各装1支，采用压电式传感器。

2)发电机、变压器的振动测量单元采集各传感器输出的振动信号，以不低于2KHz的采样率对振动信号连续采样。其中发电机的各光纤传感器通过传输光纤将测量信息汇聚到振动测量单元；变压器的振动测量单元在传感器安装位置就地布置，并配置光纤接口；通过光缆将计算信息汇聚到发电机振动测量单元；两测量单元通过启动脉冲及定时器实现各振动信号的同步采样。

3)各振动测量单元利用窄带带通数字滤波器提取其中的频率为发电机工频2倍的特征频率分量，对于50Hz电网为100Hz；以20ms为一个计算周期，定时计算各振动测点特征频率分量的振幅，记作A(k)。

当发电机及变压器稳态运行时，振动特征频率振幅分量与特征电流的平方成正比，即A(k)∝I_2f ²(k)，由于发电机定子电流与流入升压变压器原边的电流一致，则发电机定子端部励磁侧和汽机侧的振幅与变压器原边、副边绕组的振幅成正比，进而与变压器绕组综合振动振幅成正比，即：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{GLa}}\∝A_{\mathrm{GRa}}\∝A_{\mathrm{Tab}}\\ A_{\mathrm{GLb}}\∝A_{\mathrm{GRb}}\∝A_{\mathrm{Tbc}}\\ A_{\mathrm{GLc}}\∝A_{\mathrm{GRc}}\∝A_{\mathrm{Tca}}\end{array}\right.$

其中GL表示发电机汽机侧、GR表示发电机励磁侧，T表示变压器。

4)由于变压器与电网连接，运行中可能受到输电线路及电网扰动的影响，其中典型的是电网发生电压扰动导致的励磁涌流以及长距离输电线路受直流输电及地磁电流影响的变压器短时偏磁。因此需要识别变压器的稳态工况和异常工况。

按计算周期定时计算变压器绕组振动的相对离散度D_T(k)，并与设定值SET_DT比较，判断变压器的运行状态，当D_T(k)＜SET_DT时，认为变压器处于稳态运行工况，并启动定子端部绕组与变压器绕组振动关联分析算法。

定义变压器绕组振幅的绝对离散度

的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δ}}_T\left(k\right)}=\frac{\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}|A_{\mathrm{Ti}}\left(k\right)-\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}|}{6}---\left(1\right)$

式中：

为第k个计算周期内变压器所有6个测点特征频率振幅分量的均值；

A_Ti(k)为变压器第i个测点在第k个计算周期内的特征频率振幅分量。

发电机定子端部绕组与变压器绕组振动关联分析的启动量，即变压器绕组振幅的相对离散度D_T(k)的计算公式为：

$D_T\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\Δ}}_T\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}}---\left(2\right)$

5)当变压器处于稳态运行时，计算发电机定子绕组端部励磁侧和汽机侧的三相振动特征频率振幅分量相对于变压器绕组振动特征频率振幅分量的绝对离散度ΔA_N(k)和标幺离散度E_N(k)。定时1秒比较发电机定子绕组励磁侧和汽机侧三相各测点的标幺离散度是否超过标幺离散度定值SET_EA且超过定值的持续时间超过时间定值SET_T，从而判定定子绕组端部是否劣化并告警。

用于相对振动分析的特征量，即绝对离散度ΔA_N(k)和标幺离散度E_N(k)的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{A}_N\left(k\right)=|A_N\left(k\right)-K_T\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}|---\left(3\right)$

$E_N\left(k\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_N\left(k\right)}{K_T\·\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}}\×100\%---\left(4\right)$

式中：

的定义同(1)式；

K_T是变压器绕组振动折算到发电机定子绕组端部振动的比例系数；

A_N(k)为发电机定子绕组端部第N个测点第k个计算周期内的振幅分量，N＝1，2，…，12，即发电机定子端部励磁侧和汽机侧共安装12支振动传感器。

6)当D_T(k)≥SET_DT时，即变压器处于非稳态运行工况时，闭锁发电机定子端部绕组与变压器绕组振动的关联分析。此时计算发电机定子绕组端部三相绕组振幅的绝对离散度

和相对离散度D_F(k)。当D_F(k)超过相对离散度定值SET_DF或某个测点的振幅A_N(k)超过振动幅值设定值SET_A时，判定定子绕组端部劣化。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{A}_F\left(k\right)}=\frac{\underset{N=1}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}|A_N\left(k\right)-\stackrel{\‾}{A_F\left(k\right)}|}{12}---\left(5\right)$

$D_F\left(k\right)=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ΔA}}_F\left(k\right)}}{\stackrel{\‾}{A_F\left(k\right)}}\×100\%---\left(6\right)$

式中：A_N(k)的定义同(3)式；

为一个计算周期内发电机定子绕组端部所有12个振动测量点的振幅均值。

附图说明

图1为发电机定子三相绕组与升压变压器原边接线绕组的连接示意图。发电机定子三相绕组La、Lb、Lc与升压变压器原边三角形接线绕组Lab、Lbc、Lca相连，与发电机电势Ea、Eb、Ec构成电流回路。流过变压器原边绕组Lab、Lbc、Lca的线电流是流过发电机定子三相绕组La、Lb、Lc相电流的倍，流过副边绕组的电流等于原边绕组电流乘以变压器变比。因此定子绕组的电磁振动与变压器原边、副边绕组的电磁振动具有相似性。在定子绕组端部的励磁侧和汽机侧装设振动传感器，每相绕组各两支；在变压器原边绕组的器壳支撑处装设振动传感器，每相绕组各两支。测量发电机定子端部励磁侧和汽机侧振动，与变压器绕组振动做关联分析。

图2为发电机定子绕组端部的悬臂梁结构，图中的一组向下的箭头表示端部绕组所受的径向电磁力。

图3为发电机定子端部绕组振动与变压器绕组振动关联分析及定子绕组端部劣化诊断流程图。连续同步采集发电机定子绕组端部振动和变压器绕组振动信号；利用窄带带通数字滤波器对各振动信号滤波，提取其中的频率为发电机工频2倍的特征频率分量，计算特征频率分量的振幅值；定时20ms计算变压器绕组振动关联分析的启动量，即变压器绕组振动的相对离散度D_T(k)，当D_T(k)超过变压器绕组振动的相对离散度限值时，闭锁变压器绕组振动关联分析，通过判别发电机定子绕组端部振动的离散度及振幅是否超过限值，诊断发电机定子绕组端部的健康状态；当D_T(k)小于变压器绕组振动的相对离散度限值时，说明变压器处于稳态，此时启动变压器绕组振动关联分析，计算发电机定子绕组端部振动与变压器绕组振动关联分析的特征量，即标么离散度E_N(k)，根据E_N(k)与标么离散度定值的比较，以及超过定值的时间与时间定值的比较，判断发电机定子绕组端部的劣化程度；并定时将各特征分量存入历史记录。

具体实施方式

利用变压器绕组振动识别发电机定子端部绕组劣化的方法的实现是通过振动传感器及嵌入式装置实现信号的采集、特征量计算与判别，通过监测主站计算机实现数据管理、历史存储和历史特征量检索、趋势判别及报警。

振动传感器装设在发电机定子绕组端部的励磁侧和汽机侧以及升压变压器原边绕组的上端、下端支撑处，每相绕组装设2支传感器。发电机定子的振动传感器采用光纤加速度传感器，变压器绕组的振动传感器采用压电式传感器。发电机和变压器的物理位置较远，采用两个独立的振动测量单元分别测量发电机定子绕组端部振动和变压器原边绕组振动，两个振动测量装置经同步脉冲进行同步测量，变压器的振动测量单元就地连接振动传感器，并通过光纤接口将变压器振动信息汇聚到发电机定子绕组端部振动测量单元，发电机定子绕组端部振动测量单元通过以太网向监测主站计算机上传历史数据、特征值以及诊断结果。

振动信号的采集采用5KHz采样率，对18支振动传感器做同步连续采样。定时20ms计算各振动测点的100Hz特征频率分量的振幅，包括定子绕组端部各测点的振幅A_N(k)(N＝1，2，…，12)，以及变压器绕组各测点的振幅A_Ti(k)(i＝1，2，…，6)；计算定子绕组端部三相特征频率振幅分量的相对离散度D_F(k)、变压器绕组特征频率振幅分量的相对离散度D_T(k)、以及定子绕组端部振动相对于变压器绕组振动的标幺离散度E_N(k)。依据图3流程诊断发电机定子绕组端部的劣化情况。

Claims (2)

1.一种识别大型汽轮发电机定子绕组端部劣化的在线诊断方法，该方法关联分析发电机定子绕组端部振动与升压变压器绕组振动特征，利用稳态运行下的振动标幺离散度识别发电机定子端部绕组劣化，具体包括步骤：

1)传感器配置：在发电机定子绕组的励磁侧和汽机侧的三相绕组端部分别装设6支振动传感器，其中a、b、c相绕组各2支；升压变压器的原边绕组共配置6支振动传感器，其中ab、bc、ca相绕组各2支，分别装设在其铁芯上端和下端的器壳支撑处；

2)特征频率分量的振幅测量：发电机、变压器的振动测量单元分别对各自传感器输出信号做连续测量，各振动测量单元通过光缆汇聚信息，并实现各振动信号的同步采样；利用窄带带通数字滤波器提取其中的频率为发电机工频2倍的特征频率分量，对于50Hz电网为100Hz；定时20ms为一个计算周期，计算各振动测点的特征频率分量的振幅；

3)特征信号的计算：按步骤2)所述的计算周期，定时计算变压器振动特征频率分量的振幅相对离散度D_T(k)，并与相对离散度定值SET_DT比较，以此判断变压器运行状态；当D_T(k)＜SET_DT时，判定变压器处于稳态运行，此时计算发电机定子端部三相绕组的各个测点的振动特征频率分量的振幅相对于变压器绕组的特征频率分量振幅的绝对离散度ΔA_N(k)和标幺离散度E_N(k)，，N＝1，2，…，12；当D_T(k)≥SET_DT时，闭锁与变压器振动的关联分析和判别；

4)利用特征信号判别发电机定子端部绕组劣化：定时1秒比较发电机定子端部三相绕组各测点的标幺离散度E_N(k)是否超过标幺离散度定值SET_EA且超过定值的持续时间超过时间定值SET_T，从而判定定子绕组端部振动是否劣化并告警。

2.根据权利要求1所述的一种识别大型汽轮发电机定子绕组端部劣化的在线诊断方法，其中特征信号的计算公式如下：

$D_T\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}|A_{\mathrm{Ti}}\left(k\right)-\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}|}{6\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}}$

$\mathrm{\Δ}{A}_N\left(k\right)=|A_N\left(k\right)-K_T\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}|$

$E_N\left(k\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_N\left(k\right)}{K_T\·\stackrel{\‾}{A_T\left(k\right)}}\×100\%$

式中：为第k个计算周期内变压器所有6个测点的特征频率分量的振幅均值；

A_Ti(k)为变压器绕组第i个测点在第k个计算周期的特征频率分量的振幅；

A_N(k)为发电机定子绕组端部第N个测点在第k个计算周期的特征频率分量的振幅；

K_T是变压器绕组振动折算到发电机定子绕组端部振动的比例系数。

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