CN106705873B - 发电机气隙监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电机气隙监测系统及监测方法，涉及电力系统领域。该发电机气隙监测系统包括：设置在定子和转子之间的光传导器件；与光传导器件连接的光源，光源向光传导器件输入光信号；与光传导器件连接的光检测装置，光检测装置接收并检测光传导器件输出的光信号；与光检测装置连接的处理器，处理器基于光传导器件输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。解决了气隙事故引起的对风力发电机的损坏的问题。

Description

发电机气隙监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种发电机气隙监测系统及监测方法。

背景技术

气隙结构是大型发电机中的重要构造，气隙的宽度、气隙中的形变或者温度的变化都会对发电机的性能造成严重影响。

例如，风力发电机是将风能转化为电能的设备，发电机包括定子和转子。发电机通常为外转子内定子结构，或者内转子外定子结构。图1为现有技术中的发电机的定子、转子以及气隙的结构示意图，如图1所示，为了保证转子11能够围绕定子10自由转动，防止定子和转子之间摩擦，损坏风力发电机，转子和定子之间保持有一定距离的气隙12。

在发电机工作运行时，由于发电机内部部件脱落、发热或载荷过大，导致定子或转子发生形变，定子和转子的相对位置会发生变化，使得定子和转子之间的气隙减小，甚至可能使定子和转子之间产生摩擦，从而产生定转子吸合故障，损坏定子和转子的表面，导致风力发电机损坏。

发明内容

本发明实施例提供了一种发电机气隙监测系统及监测方法，能够监测到发电机的气隙的状态参数情况，使得操作人员能够及时采取相应措施，避免对发电机的损坏。

第一方面，本发明实施例提供了一种发电机气隙监测系统，包括：设置在定子和转子之间的光传导器件；与光传导器件连接的光源，光源向光传导器件输入光信号；与光传导器件连接的光检测装置，光检测装置接收并检测光传导器件输出的光信号；与光检测装置连接的处理器，处理器基于光传导器件输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。

在第一方面的一些实施例中，光传导器件包括光纤光栅组件，光纤光栅组件包括串联设置的一组或多组光栅；光检测装置检测光纤光栅组件中各组光栅反射输出的光信号；处理器根据光纤光栅组件的输入光信号与各组光栅反射输出的光信号的差别计算发电机气隙的状态参数。

在第一方面的一些实施例中，光源包括主光源和备光源，主光源和备光源分别连接至光纤光栅组件的两端；光检测装置连接至光纤光栅组件的两端；系统还包括与处理器连接的切换控制装置；其中，光检测装置检测光纤光栅组件反射输出的主光信号，在处理器根据主光信号确定光纤光栅组件出现断点的情况下，切换控制器控制主光源和/或备光源切换工作状态。

在第一方面的一些实施例中，在光检测装置检测到部分光栅反射输出的主光信号的情况下，切换控制器控制备光源切换为工作状态；主光源和备光源分别从光纤光栅组件的两端输入光信号；光检测装置从光纤光栅组件的两端分别接收断点两侧的光栅反射输出的主光信号和备光信号。

在第一方面的一些实施例中，光传导器件包括光纤；光检测装置检测光纤输出的光信号的强度；处理器基于光纤输出的光信号的强度判断发电机气隙的当前宽度。

在第一方面的一些实施例中，发电机气隙的状态参数包括下列各项中的至少一项：气隙温度、气隙宽度、定子受到的应力、转子受到的应力、定子形变量、转子形变量。

在第一方面的一些实施例中，系统还包括设置在转子或定子外表面上的一个或一个以上的凸起，凸起上设置有凹槽，其中，凸起的高度小于气隙的标准宽度；光传导器件设置在凹槽中。

在第一方面的一些实施例中，光传导器件的直径大于凹槽的深度。

在第一方面的一些实施例中，凸起沿转子或定子的圆周周向设置，或者凸起沿转子或定子转动轴延伸方向设置。

第二方面，本发明实施例提供一种发电机气隙监测方法，包括：将光传导器件设置在定子和转子之间；利用光源向光传导器件输入光信号；

利用光检测装置接收并检测光传导器件输出的光信号；处理器基于光传导器件输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。

在第二方面的一些实施例中，光传导器件包括光纤光栅组件，光纤光栅组件包括串联设置的一组或多组光栅；利用光检测装置检测光纤光栅组件中各组光栅反射输出的光信号；处理器根据光纤光栅组件的输入光信号与各组光栅反射输出的光信号的差别计算发电机气隙的状态参数。

在第二方面的一些实施例中，将光源设置为包括主光源和备光源，主光源和备光源分别连接至光纤光栅组件的两端；将光检测装置连接至光纤光栅组件的两端；利用光检测装置检测光纤光栅组件反射输出的主光信号；在处理器根据主光信号确定光纤光栅组件出现断点的情况下，利用切换控制器控制主光源和/或备光源切换工作状态。

在第二方面的一些实施例中，切换控制器控制主光源和/或备光源切换工作状态的步骤包括：在光检测装置检测到部分光栅反射输出的主光信号的情况下，切换控制器控制备光源切换为工作状态；主光源和备光源分别从光纤光栅组件的两端输入光信号；光检测装置从光纤光栅组件的两端分别接收断点两侧的光栅反射输出的主光信号和备光信号。

本发明实施例提供了一种发电机气隙监测系统及监测方法，在发电机的定子和转子之间设置光传导器件，该光传导器件连接有光源和光检测装置，光源向光传导器件输入光信号，光检测装置接收并检测光传导器件输出的光信号，光检测装置连接有处理器，处理器根据光传导器件输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。从而能够根据状态参数来确定发电机气隙的实际状态，使得操作人员能够根据发电机气隙的实际状态及时采取相应措施，避免因发电机气隙出现问题引起的对发电机的损坏。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为现有技术中的发电机的定子、转子以及气隙的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的发电机气隙监测系统的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的发电机气隙监测系统的结构示意图；

图4为本发明又一实施例中的发电机的定子、转子、气隙以及发电机气隙监测系统中的凸起的位置示意图；

图5为本发明又一实施例中的发电机的定子、转子、气隙以及发电机气隙监测系统中的凸起的A-A方向的截面图；

图6为本发明又一实施例提供的定子、凸起、凹槽和光传导器件的位置示意图；

图7为本发明再一实施例提供的发电机气隙监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图2为本发明一实施例提供的发电机气隙监测系统的结构示意图。该系统包括设置在定子和转子之间的光传导器件15、与光传导器件15连接的光源161、与光传导器件15连接的光检测装置162，以及与光检测装置162连接的处理器163。其中，光源161向光传导器件15输入光信号。光检测装置162接收并检测光传导器件15输出的光信号。处理器163基于光传导器件15输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。具体的，发电机气隙的状态参数为可以检测发电机是否因气隙可能发生故障的参数。

在本发明实施例中，能够通过发电机气隙监测系统得到气隙的状态参数，从而根据状态参数来确定发电机气隙的实际状态，使得操作人员能够根据发电机气隙的实际状态及时采取相应措施，避免因发电机气隙出现问题引起的对发电机的损坏。

图3为本发明另一实施例提供的发电机气隙监测系统的结构示意图。在图3的示例中，光传导器件15包括光纤光栅组件。该光纤光栅组件包括串联设置的一组或多组光栅，每组光栅可具有不同的反射波长。

在一种实施方式中，主光源1611连接至光纤光栅组件的一端，向光纤光栅组件提供宽光谱光源。例如，主光源1611可以为掺铒光纤光源，其具有高输出功率、宽光谱以及良好的平坦度。

光检测装置162连接至光纤光栅组件的光信号输入端和光信号输出端，接收并检测光纤光栅组件反射输出的光信号。各组光栅可反射不同波长的光信号。处理器163根据光纤光栅组件的输入光信号与各组光栅反射输出的光信号的差别计算发电机气隙的状态参数。

其中，设置不同类型的光纤光栅组件，可以监测各种不同的气隙状态参数。发电机气隙的状态参数包括下列各项中的至少一项：气隙温度、气隙宽度、定子受到的应力、转子受到的应力、定子形变量、转子形变量。

例如，当光纤光栅组件为测温组件时，热光效应会使得光栅的反射率发生变化，从而改变各组光栅反射的光信号的波长，处理器能够根据输入光纤光栅组件的光信号与光纤光栅组件反射输出的光信号的波长的变化，计算得到气隙12中的温度。

又例如，当光纤光栅组件为测应力组件时，光栅受到力的作用，使其反射波长发生改变。处理器能够根据输入光纤光栅组件的光信号与光纤光栅组件反射输出的光信号的波长的变化，计算得到定子或转子受到的应力，进而得到定子或转子发生的形变。

在一种优选的实施方式中，主光源1611和光检测装置162可以设置为一体式装置，仅需要一根光纤连接至光纤光栅组件的一端。

由于大型发电机在安装运行之后不便于随时拆卸，考虑到光纤光栅组件受到振动或摩擦容易发生断裂，本发明的实施例还提供备光源1612，在光纤光栅组件出现断点时，启动备光源1612仍可监控发电机气隙状态。

如图3所示，主光源1611与备光源1612分别连接至光纤光栅组件的两端，光检测装置162连接至光纤光栅组件的两端。该系统还包括与处理器163连接的切换控制装置164。切换控制装置164分别连接主光源1611和备光源1612，控制主光源1611和备光源1612切换工作状态。

如图3所示，在正常情况下，主光源1611提供输入光信号，光检测装置162能够接收到四个光栅反射的主光信号。如果光检测装置162不能接收到任何反射光，则处理器163判断光纤光栅组件中的断点出现在A处，处理器163触发切换控制装置164，启动备光源1612，关闭主光源1611。这样备光源1612提供输入光信号，光检测装置162仍可接收到各组光栅反射的备光信号。

如果光检测装置162只能接收到部分光栅反射输出的主光信号，例如，只接收到波长1、波长2和波长3的主光信号，则处理器163判断光纤光栅组件中的断点出现在B处。处理器163触发切换控制装置164，启动备光源1612，并保持主光源1611处于工作状态。这样，主光源1611和备光源1612分别从光纤光栅组件的两端输入光信号，光检测装置162从光纤光栅组件的两端分别接收断点B两侧的光栅反射输出的主光信号和备光信号。处理器163根据主光信号、备光信号和各光纤光栅组件输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。

在另一示例中，光传导器件15包括光纤，光检测装置162检测光纤输出的光信号的强度，处理器163基于光纤输出的光信号的强度判断发电机气隙的当前宽度。

当发电机的定子10和转子11之间的气隙12的宽度还在正常工作范围内时，光源161发出的光信号通过光纤，通过光纤后的光信号被光检测装置162接收并检测。由于光纤质地比较脆弱，易折断，当发电机的气隙12减小至会引起定子10和转子11发生摩擦时，光纤会被刮蹭、影响光传输效果，导致光检测装置162检测到的光强度变弱。甚至光纤会发生断裂，光纤15无法再传输光信号，导致光检测装置162不能检测到通过光纤后的光信号。也就是说，处理器163基于光纤输出的光信号的强度判断发电机气隙的当前宽度，判定发电机的气隙12是否减小至引起定子10和转子11发生摩擦的地步。

本发明实施例提供的发电机气隙监测系统，若发电机的定子10和转子11之间的气隙12的宽度小于气隙事故阈值，表示发电机的定子10和转子11发生摩擦，则发电机气隙监测系统中的光纤会发生断裂，导致无法传输光信号。因此，当光检测装置162未检测到通过光纤后的光信号时，可以判定发电机的定子10和转子11发生摩擦，也就是说，发电机的定子10和转子11之间的气隙12减小至会对发电机造成损坏的地步。维护人员可以对发电机采取相应的措施，从而尽量减轻对发电机的损坏。

需要说明的是，由于光纤为绝缘体，因此光纤安装在发电机的内部也不会对发电机内部的电磁场产生影响。当气隙12减小至定子10和转子11发生摩擦的地步时，光纤被刮蹭而断裂，断裂的光纤部分即使掉落在发电机内部，也不会对发电机内部的电磁场产生影响。

在本发明又一实施例中，发电机气隙监测系统还可以包括设置在转子或定子外表面上的一个或一个以上的凸起13，凸起13上设置有凹槽14，其中，凸起13的高度小于气隙12的标准宽度，光传导器件15可以设置在凹槽14中。图4为本发明又一实施例中的发电机的定子、转子、气隙以及发电机气隙监测系统中的凸起的位置示意图，图5为本发明又一实施例中的发电机的定子、转子、气隙以及发电机气隙监测系统中的凸起的A-A方向的截面图，图6为本发明又一实施例提供的定子、凸起、凹槽和光传导器件的位置示意图。在图4、图5和图6的示例中，凸起13设置在定子10外表面上，位于定子10和转子11之间的气隙12中，凸起13的高度小于气隙12的标准宽度。

此处标准宽度是指发电机定转子之间的设计气隙宽度，该标准宽度能保证定子和转子之间不会发生摩擦或者吸合，同时保证定子和转子之间的磁场强度以及发电功率。例如，某型号的风力发电机，转子的直径为4.9米，气隙标准宽度约4mm左右。

在图4和图5的示例中，凸起13沿定子10的转动轴的延伸方向设置。为了监测定子10圆周周向的气隙参数分布，可沿定子10的圆周均匀设置四个凸起13。不限于此，凸起13还可以沿定子10或转子11的圆周周向延伸设置。

如图6所示，凹槽14中设置的光传导器件15的直径大于凹槽14的深度，比如光传导器件15的半径与凹槽14深度相等，光传导器件15的部分表面凸出凹槽14的上表面。不限于此，凹槽14中设置的光传导器件15的直径小于或等于凹槽14的深度，也可以实现气隙参数监测。

比如，在一个示例中，光传导器件15为光纤，用于传输光信号。上述的光源161被配置为向光纤输入光信号，光检测装置162检测通过光纤后的光信号强度。其中，光源161和光检测装置162可以集成为一体化装置。此处光源161可以为半导体激光器LD、发光二级管LED、固体激光器和气体激光器等。对光源161的光谱宽度没有要求，只要能发出光波即可。光检测装置162用于把光功率转换为电信号。光检测装置162可以为PN光电二极管、PIN光电二极管或者雪崩光电二极管APD等。

图7为本发明的再一实施例提供的发电机气隙监测系统的结构示意图。与图3中所示的发电机气隙监测系统的不同之处在于，如图7所示，该系统还包括与光检测装置162连接的第一报警装置17，第一报警装置17被配置为在光检测装置162未检测到光传导器件15输出的的光信号时，发出气隙事故报警警报。气隙事故报警警报具体可以为声音警报或图像警报，在此并不限定。也就是说，在判定发电机的气隙12减小至引发定子10和转子11发生摩擦的地步时，第一报警装置17可以发出气隙事故报警警报，提示维护人员发电机的气隙12的宽度小于气隙事故阈值，发电机的定子10和转子11发生摩擦，从而及时提醒维护人员需要采取相应措施，能够及时减轻或停止对发电机的损坏。

如图7所示，该系统还包括与光检测装置162连接的第二报警装置22。第二报警装置22被配置为在处理器163计算得到气隙12的温度不在预设的温度阈值范围内时，发出气隙事故预警警报；和/或被配置为在处理器163计算得到发电机的定子10受到的应力不在预设的应力阈值范围内时，发出气隙事故预警警报。为了便于维护人员分辨气隙事故报警警报和气隙事故预警警报，可以将气隙事故报警警报和气隙事故预警警报设置为不同的警报，比如，声音不同的警报，或者画面不同的警报。

在发电机的运转过程中，可以监测气隙12中的温度，以及发电机转子11或者定子10受到的应力，计算转子11或者定子10发生的形变量。并在监测得知发电机的定子10和转子11之间的气隙12发生事故或即将发生事故时，能够发出警报，提醒操作人员及时作出相应措施，减小或避免气隙事故对发电机的损伤。

本发明的实施例还提供一种发电机气隙监测方法，该方法包括以下步骤：

S101，将光传导器件15设置在定子10和转子11之间；

S102，利用光源161向光传导器件15输入光信号；

S103，利用光检测装置162接收并检测光传导器件15输出的光信号；

S104，处理器163基于光传导器件15输出的光信号确定发电机气隙的状态参数。

其中，在一个优选示例中，光传导器件15包括光纤光栅组件，光纤光栅组件包括串联设置的一组或多组光栅。这样以来，可以利用光检测装置162检测光纤光栅组件中各组光栅反射输出的光信号。处理器163根据光纤光栅组件的输入光信号与各组光栅反射输出的光信号的差别计算发电机气隙的状态参数。

具体地，该方法包括以下步骤：

S201，将光源设置为包括主光源1611和备光源1612，主光源1611和备光源1612分别连接至光纤光栅组件的两端；

S202，将光检测装置162连接至光纤光栅组件的两端；

S203，利用光检测装置162检测光纤光栅组件反射输出的主光信号；

S204，在处理器163根据主光信号确定光纤光栅组件出现断点的情况下，切换控制器164控制主光源1611和/或备光源1612切换工作状态。

其中，在步骤S204中，切换控制器164控制主光源和/或备光源切换工作状态的步骤为：

在光检测装置162检测到部分光栅反射输出的主光信号的情况下，切换控制器164控制备光源1612切换为工作状态；主光源1611和备光源1612分别从光纤光栅组件的两端输入光信号；光检测装置162从光纤光栅组件的两端分别接收断点两侧的光栅反射输出的主光信号和备光信号。

在光检测装置162未检测到任何光栅反射输出的主光信号的情况下，切换控制器164控制备光源1612切换为工作状态，主光源1611停止工作；备光源1612从光纤光栅组件的一端输入光信号，光检测装置162从光纤光栅组件的该端接收并检测反射输出的备光信号。

需要说明的是，上述各个实施例中的发电机可以应用于各种领域，比如风力发电领域的风力发电机，在此并不限定本发明实施例中的发电机的应用领域。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (9)

1.一种发电机气隙监测系统，其特征在于，包括：

设置在定子和转子之间的光传导器件；

与所述光传导器件连接的光源，所述光源向所述光传导器件输入光信号；

与所述光传导器件连接的光检测装置，所述光检测装置接收并检测所述光传导器件输出的光信号；

与所述光检测装置连接的处理器，所述处理器基于所述光传导器件输出的光信号确定所述发电机气隙的状态参数；

所述光传导器件包括光纤光栅组件，所述光源包括主光源和备光源，所述主光源和备光源分别连接至所述光纤光栅组件的两端；所述光检测装置连接至所述光纤光栅组件的两端；

所述系统还包括与所述处理器连接的切换控制装置；

其中，所述光检测装置检测所述光纤光栅组件反射输出的主光信号，在所述处理器根据所述主光信号确定所述光纤光栅组件出现断点的情况下，所述切换控制装置控制所述主光源和/或所述备光源切换工作状态；

在所述光检测装置检测到部分光栅反射输出的主光信号的情况下，所述切换控制装置控制所述备光源切换为工作状态，并保持所述主光源处于工作状态；所述主光源和所述备光源分别从所述光纤光栅组件的两端输入光信号；所述光检测装置从所述光纤光栅组件的两端分别接收断点两侧的光栅反射输出的主光信号和备光信号；

在所述光检测装置未检测到任何光栅反射输出的主光信号的情况下，所述切换控制装置控制所述备光源切换为工作状态，并关闭所述主光源；所述备光源从所述光纤光栅组件的一端输入光信号；所述光检测装置从所述光纤光栅组件的一端接收光栅反射输出的主光信号和备光信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅组件包括串联设置的一组或多组光栅；

所述光检测装置检测所述光纤光栅组件中各组光栅反射输出的光信号；

所述处理器根据所述光纤光栅组件的输入光信号与各组光栅反射输出的光信号的差别计算所述发电机气隙的状态参数。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光传导器件包括光纤；

所述光检测装置检测所述光纤输出的光信号的强度；

所述处理器基于所述光纤输出的光信号的强度判断所述发电机气隙的当前宽度。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述发电机气隙的状态参数包括下列各项中的至少一项：

气隙温度、气隙宽度、定子受到的应力、转子受到的应力、定子形变量、转子形变量。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括设置在转子或定子外表面上的一个或一个以上的凸起，所述凸起上设置有凹槽，其中，所述凸起的高度小于所述气隙的标准宽度；

所述光传导器件设置在所述凹槽中。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光传导器件的直径大于所述凹槽的深度。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述凸起沿所述转子或定子的圆周周向设置，或者所述凸起沿所述转子或定子转动轴延伸方向设置。

8.一种发电机气隙监测方法，其特征在于，包括：

将光传导器件设置在定子和转子之间；

利用光源向所述光传导器件输入光信号；

利用光检测装置接收并检测所述光传导器件输出的光信号；

处理器基于所述光传导器件输出的光信号确定所述发电机气隙的状态参数；

将所述光源设置为包括主光源和备光源，所述主光源和备光源分别连接至所述光纤光栅组件的两端，所述光传导器件包括光纤光栅组件；

将所述光检测装置连接至所述光纤光栅组件的两端；

利用所述光检测装置检测所述光纤光栅组件反射输出的主光信号；

在所述处理器根据所述主光信号确定所述光纤光栅组件出现断点的情况下，利用切换控制器控制所述主光源和/或所述备光源切换工作状态；

其中，所述切换控制器控制所述主光源和/或所述备光源切换工作状态的步骤包括：

在所述光检测装置检测到部分光栅反射输出的主光信号的情况下，所述切换控制器控制所述备光源切换为工作状态，并保持所述主光源处于工作状态；所述主光源和所述备光源分别从所述光纤光栅组件的两端输入光信号；所述光检测装置从所述光纤光栅组件的两端分别接收断点两侧的光栅反射输出的主光信号和备光信号；

在所述光检测装置未检测到任何光栅反射输出的主光信号的情况下，所述切换控制装置控制所述备光源切换为工作状态，并关闭所述主光源；所述备光源从所述光纤光栅组件的一端输入光信号；所述光检测装置从所述光纤光栅组件的一端接收光栅反射输出的主光信号和备光信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光纤光栅组件包括串联设置的一组或多组光栅；

利用所述光检测装置检测所述光纤光栅组件中各组光栅反射输出的光信号；

所述处理器根据所述光纤光栅组件的输入光信号与各组光栅反射输出的光信号的差别计算所述发电机气隙的状态参数。