CN201035110Y - 分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置。它包括至少一台连接发电机的前置机和后置机，前置机包括电源单元、信号单元、线圈信号单元、DSP单元和处理器ARM单元，信号单元连接发电机定子，线圈信号单元连接设置在发电机上的探测线圈，信号单元和线圈信号单元连接DSP单元，DSP单元连接处理器ARM单元，处理器ARM单元通过TCP/IP协议连接后置机。本实用新型是一种在线监测装置，可以在不同工况下判断出发电机转子是否存在匝间短路，同时可以定量的计算出发电机转子发生匝间短路时，短路转子绕组的具体匝数；将磁同密度曲线作为辅助判断一种重要的方式，防止误报警的发生。

Description

分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置

(一)技术领域

本实用新型涉及发电机技术领域，具体涉及一种发电机转子的故障检测装置。

(二)背景技术

在已运行的汽轮发电机中，转子绕组匝间短路故障占转子绝缘故障的比重较大，由于设计、制造的缺陷或运行、检修工艺不当，都是发生转子绕组匝间短路的原因。转子绕组存在匝间短路常常导致发电机无功功率下降，轴承振动增加，甚至导致接地故障发生，使转子磁化，严重者还将烧伤轴颈和轴瓦，对机组本身的安全稳定运行构成很大的威胁。因此进行匝间短路故障的早期预报是十分必要的。

国家机械部在2005年颁布了JB/T8446-2005标准，代替JB/T8446-1996标准。在标准中分别提出了两种诊断方法：一种是静止状态下的交流阻抗法，另一种是实际运行工况下的探测线圈波形法。

静止状态下交流阻抗法不能在实际运行工况下进行检测，其检测的条件与实际运行工况的等价性也较差，并且实际运行中的动态匝间短路往往随转子的静止而消失或减轻，无法捕捉动态匝间短路故障。另外，这些方法也不能测得故障槽位，仅能作为分析短路故障及其发展趋势的参考。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于电厂发电机转子绕组匝间短路在线监测与故障诊断的操作简单、安全准确的在线监测装置。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括至少一台连接发电机的前置机和后置机，前置机包括电源单元、信号单元、线圈信号单元、DSP单元和处理器ARM单元，信号单元连接发电机定子，线圈信号单元连接设置在发电机上的探测线圈，信号单元和线圈信号单元连接DSP单元，DSP单元连接处理器ARM单元，处理器ARM单元通过TCP/IP协议连接后置机。

本实用新型还有这样一些结构特征：

1、所述的信号单元包括电压互感器、电流互感器、放大器电路和滤波电路，电压互感器、电流互感器、放大器电路和滤波电路依次电信号连接，滤波电路电信号连接DSP单元；

2、所述的线圈信号单元包括放大电路、隔离运放和输出电路，放大电路、隔离运放和输出电路依次电信号连接，输出电路电信号连接DSP单元；

3、所述的DSP单元包括电信号连接的信号采集单元与处理单元，信号采集单元包括至少一片A/D转换芯片，信号采集单元连接信号单元和线圈信号单元，处理单元连接处理器ARM单元；

4、所述的信号采集单元包括连接A/D转换芯片的FPGA现场可编程门阵列芯片，FPGA现场可编程门阵列芯片连接处理单元。

在发电机正常运行时，本实用新型中前置机连续采集发电机气隙磁场在微分探测线圈中所感应的波形信号、发电机的定子电压、电流，转子电压、电流。通过对信号的处理，前置机及后置机软件对波形数据加以计算、对比，最后确认转子槽中绕组是否有匝间短路发生，并通过键相信号及机组轴承振动的情况来确定匝间短路发生的位置(槽位)及故障的严重程度。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

前置机：采用ARM+DSP平台搭建而成，由信号单元、线圈信号单元、DSP单元、处理器ARM单元构成。

1).信号单元：用于接入发电机的电压和电流等信号，并转换为A/D信号输入到DSP板。

2).线圈信号单元：用于采集微分探测线圈信号并转换为A/D信号到DSP板。

3).DSP单元：采集电压、电流信号，采集探测线圈信号；波形及计算结果送入ARM管理板。

4).处理器ARM单元：用于管理前置机系统、显示波形、诊断故障、数据存储及与台置机通讯。

前置机的工作步骤如下：

1).发电机电气信号转换

发电机的定子电压、定子电流接入到信号单元经放大、滤波后转换为A/D可接收的电压信号，到DSP单元信号采集单元A/D。

2).微分探测线圈信号转换

线圈测量的感应电压信号输入到线圈信号单元后的端子，信号经过放大电路、隔离运放和输出电路，经背板输入到DSP单元信号采集单元A/D。

3).DSP单元信号采集与处理

发电机电气信号及微分探测线圈测量的信号输入到DSP单元上的信号采集单元A/D进行模数变换。DSP单元对多个电气信号同时采样，其中发电机电气量的采集频率为5k，微分探测线圈信号的采集频率为50k，采样同时对电压、电流、有功、无功等进行计算。采集数据及计算结果定时传送到处理器ARM单元。

4).处理器ARM单元数据采集、显示

处理器ARM单元每1ms读取一次DSP单元保存的波形数据和计算数据，每秒抽取时间长度为100ms的一段波形与数据，显示出发电机电气参量、键相信号和探测线圈的波形；显示电压、电流、有功、无功等计算后的数值；

5).处理器ARM单元检测转子探测线圈信号进行故障诊断

根据键相信号判断发电机转子N，S极，并确定发电机大齿的位置。将监测到的发电机组的微型探测线圈感应电势波形数据，对各槽的峰值进行计算，计算出每个周期的各槽波峰和波谷位置，并进行根据  JB/T8446-2005标准提供的公式：

如果按上式算得比值大于所算得数据时，判定被测转子存在匝间短路：

6).故障检测处理

无故障发生时，处理器ARM单元记录下不同工况下的数据，作为模板使用。

在发电机空载时，计算出磁通密度曲线的特征数据。如果计算有故障发生时，对感应电势进行积分得到磁通密度曲线，调整发电机的有功、无功，移动磁通密度曲线同时调用此时工况下的模板，对故障进行精确定位，根据键相信号，可判断出发生故障的具体槽位。同时自动保存故障数据，并通过继电器发出报警信号。

7).后置机数据处理

若前置机与后置机间TCP/IP连接建立，前置机每秒传送一次波形数据(电气量、转速及探测线圈)和计算结果到后置机中。后置机监测与显示前置机的各种状态，显示各发电机电气量波形和转子探测线圈波形，并可按原计5)步骤对故障进行再次精确诊断。后置机可按设定的时间间隔定时记录各电气量波形及探测线圈波形到硬盘中。

后置机软件包括：

1.在发电机空载时，计算磁通密度曲线的特征常数。

2.根据键相信号判断发电机转子N，S极，同时判断发电机大齿的位置，将检测到的各发电机组的微型探测线圈感应电势波形数据，对各槽的峰值进行计算，计算出每个周期的各槽波峰和波谷位置，根据JB/T8446-2005标准提供的公式判定被测转子是否存在匝间短路：

3.如果计算有故障发生时，对感应电势进行积分得到磁通密度曲线，调整发电机的有功、无功，移动磁通密度曲线，对故障进行精确定位，根据键相信号，可判断出发生故障的具体槽位。同时自动保存故障数据。

本实用新型的有益效果有：

1.本装置是一种在线监测装置，可以在不同工况下判断出发电机转子是否存在匝间短路。

2.可以定量的计算出发电机转子发生匝间短路时，短路转子绕组的具体匝数；

3.键相信号的引入，可以判断出发电机的N、S极，进而的指出发生短路具体槽位。

4.磁同密度曲线作为辅助判断一种重要的方式，防止误报警的发生。

(四)附图说明

图1为本实用新型前置机结构示意图；

图2为本实用新型前置机前面图；

图3为本实用新型前置机DSP单元框图；

图4为本实用新型前置机处理器ARM单元框图；

图5为本实用新型程序流程图；

图6-图7是有24个槽的2磁极转子的截面图以及感应电势的波形；

图8是发电机空载时的波形；

图9是发电机的负荷为满负荷的53％时的波形；

图10是发电机满负荷时的波形；

图11-12图是满负荷时的峰值对比曲线；

图13是实施例交流通道板原理图；

图14是实施例直流通道板原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明：

本实施例由一台前置机和一台后置机构成。前置机连接发电机组构成分布的测量单元，后置机和前置机通过TCP/IP协议链接。

本实施例的具体包括以下步骤：

1.将制好的微型线圈装设在发电机中部气隙中，实时采集微分线圈的数据。

探测线圈是用0.03～0.1mm高强度漆包线，密绕在有机玻璃框架上的小线圈，其匝数可在100～300匝范围内，探测线圈直径以5～10mm较为适宜。绕好的探测线圈固定于空心铜管、或不锈钢管的顶端，整根管从定子铁芯轭部沿径向通风沟垂直插入，使顶端探测线圈深入气隙，并在定子铁芯轭部处将空心铜管可靠固定。探测线圈距转子表面的距离可取1/4～3/4气隙长，并用屏蔽线引出机外。氢冷发电机则可将线圈引线至机内测温端子板的备用端子上。

2.前置机

测量原理：

结合图1，前置机的工作原理分为以下几个部分：

发电机电气信号转换：

发电机的定子电压、定子电流接入到信号单元后的端子，经过电压互感器和电流互感器隔离转换为mV级信号，信号经过放大器电路、滤波电路后转换为A/D可接收的电压信号，电压信号经背板输入到DSP单元A/D。

微分探测线圈信号转换：

线圈测量的感应电压信号输入到线圈信号单元后的端子，信号经过放大电路、隔离运放和输出电路，经背板输入到DSP单元A/D。

DSP单元信号采集与处理：

发电机电气信号及微分探测线圈测量的信号输入到DSP板上的A/D进行模数变换，A/D芯片采用TI公司的ADS8364。ADS8364为6通道同步采样，16位精度，250K最大采集频率的A/D转换器。对于发电机电气量的采集，用一片或两片ADS8364以5K的采样频率进行采样。对于转子探测线圈信号的采集，使用一片ADS8364可接入发电机转子匝间短路径向与切向两个线圈的信号及发电机转速信号，以100K的采样频率对其进行采样，以便能较好的识别、探测线圈的波形。ADS8364最多可用6片，可采集多达两个发电机的电气参量和发电机转子探测线圈的信号。

发电机电气信号与探测线圈信号的采样同时进行，在采样频率较高的情况下，DSP若用中断方式采集模拟量会造成DSP的中断频率过高，DSP的负荷过大，影响计算及其它工作的进行，因此这里采用了单独一片FPGA芯片来控制A/D采集及进行数据缓存。FPGA即现场可编程门阵列，是一种新型的大规模可编程芯片。本装置在FPGA内设计了一个高速FIFO及A/D时序控制逻辑。A/D时序控制逻辑控制A/D的采样启动、检测A/D采样结束、读取A/D采样数据到FIFO中。FPGA每100uS传送一次FIFO数据到DSP，这样大减轻的DSP的工作负荷，提高数据的传送效率。

微分探测线圈法在很大程度上弥补了静态方法的不足，近十多年来在国内外得到了广泛的采用。其基本原理是用探测线圈对发电机转子绕组进行在线检测，将运行中的同步发电机气隙中旋转磁场进行微分，根据微分后的波形分析、诊断转子绕组是否存在匝间短路故障，并准确显示故障槽的位置，结合图6-7，国家机械部新颁布的标准也指出：如阻抗法与波形法测量结果有矛盾时，以波形法为准。

DSP采用TI公司的TMS320C6713b浮点数字信号处理器。6713的运行速度快，浮点计算能力强，可对采集信号进行实时滤波及运算。对于发电机电气信号，DSP实时计算出电压、电流、有功、无功及功率因数，计算结果连同信号波形放入到共享RAM中。对于探测线圈信号，DSP单元对其滤波后放入到共享RAM中。共享RAM采用IDT70，它有两套相互独立的数据线、地址线、控制线及中断逻辑，共享RAM中的数据可被DSP和ARM双方访问，DSP每1ms设置一次共享RAM的特定单元触发一次到ARM的DMA中断，ARM利用一次DMA完成一次波形和计算数据的读取。

处理器ARM单元数据处理、通信与存储：

DSP单元的采集数据与计算结果通过背板上的总线由ARM板上的ARM处理器读取，ARM处理器采用Samsung公司生产的S3C2410Arm9处理器，处理器的时钟可达203MHz并集成了多种外设控制接口，适用于工业控制领域的嵌入式系统。在Arm板上可运行WindowsCE嵌入式实时操作系统，Windows CE操作系统实时性好、可靠性高、支持用户图形界面、TCP/IP通信、IDE电子盘存储等功能。

ARM板上带有多种外设接口，包括以下各部分：

●Flash Nand类型的大容量flash用于保存arm的运行。

●SDRAM ARM启动后将程序读到SDRAM中运行。

●RTL8019以太网通信芯片，ARM通过RTL8019及RJ45接口与以太网连接，实现TCP/IP协议。

●LCD接口连接液晶屏，ARM9通过内置的LCD控制器控制液晶显示和触摸屏输入，液晶屏采用拓普微黑白显示屏LM2028，尺寸5.7寸，显示分辨率为320×240。

●IDE接口连接支持IDE接口的电子盘或笔记本硬盘，用于保存程序配置数据及采集波形和计算数据。

●键盘接口支持键盘输入，按键接入到Arm处理器I/O端。

ARM板运行Windows CE应用软件，软件运行后完成以下功能：

●ARM板硬件及软件初始化，启动运行Windows CE操作系统，如后置机在线与后置机建立TCP/IP连接。

●DSP板管理(包括参数配置，通道调试，数据交换等)。

●每1ms读取一次DSP板保存的波形数据和计算数据。

●每秒计算和显示一次，数据取时间长度为100ms的一段波形与数据，显示出发电机电气参量、发电机转速和探测线圈的波形；显示电压、电流、有功、无功等计算后的数值；识别转子各槽位置。

●对探测线圈的波形进行诊断，根据键相信号数据，判断大齿的位置和转子的NS极，选取100ms数据(5个周波)；计算每个周期的各槽波峰和波谷位置，根据

JB/T8446-2005标准公式判断是否有匝间短路故障发生，有则记录一段时间的波形并通过开出信号板发出故障报警信号。

●若TCP/IP连接建立，每秒传送一次波形数据(电气量、转速及探测线圈)和计算结果到后置机中。

结合图5，其故障诊断流程为：高速采集通道和低速采集通道实时采集数据，每次当采集到有键相信号时，截取100ms(5个周期)的数据流进行计算；根据采集到键相信号判断出转子的N、S极；计算每个周期的各槽波峰和波谷位置，并对感应电势进行积分得到磁通密度曲线；根据国家标准提供的公式，进行判断，对5个周波的数据进行分析、比较，防止误报警，同时保存为历史数据；如果计算结果有短路故障发生时，可以定量计算出故障发生时的短路匝数，为了防止误报警的发生，通过调整发电机的负荷，改变磁通密度曲线，精确的判断出故障槽位以及短路的匝数。同时自动保存故障数据，启动继电器，发出报警信号；如果发现有价值的波形便于日后研究，还可以手动保存波形数据。程序循环执行上述过程，实现不同工况下，在线监测发电机转子是否有短路故障的发生。

3.后置机

后置机实现前置机的管理，可对采集的波形进行再次诊断具体包括以下步骤：

1).后置机通过设备管理模块，对连接到后置机的测量单元进行编号、端口设置等设置。

2).后置机轮询每台前置机，索取各前置机采集和计算数据，并显示波形和计算数据。

4).根据键相信号数据，判断大齿的位置和转子的NS极，选取100ms数据(5个周波)。

5).计算每个周期的各槽波峰和波谷位置，根据JB/T8446-2005标准提供的公式：

如果按上式算得比值大于所算得数据时，判定被测转子存在匝间短路：

6).如果无故障发生时，记录下不同工况下的数据，作为模板使用，图8、9、10是在不同工况下的波形。如果计算有故障发生时，对感应电势进行积分得到磁通密度曲线，调整发电机的有功、无功，移动磁通密度曲线同时调用此时工况下的模板，对故障进行精确定位，根据键相信号，可判断出发生故障的具体槽位。同时自动保存故障数据。

7).软件的分析功能，对波形和峰值进行对比，可以直观的判断出故障的位置，结合图11-图12，打开波形对比图，如图11，将一个周波的曲线在发电机直轴的位置进行对折，在槽位3的位置，磁极A的波形于磁极B的波形；打开峰值对比图如图12，将各槽的峰值连成曲线，在槽位3，磁极A的峰值低于磁极B的峰值。通过对比波形、峰值可以较直观的判断出发电机转子发生匝间短路具体的槽位。

4.后置机PC软件采用Visual Studio 2005编写，后置机软件负责完成人机交互功能，其中包括测量单元管理、历史数据管理，同时在后台进行模板自动存储、故障计算、故障数据自动保存、历史数据自动保存等功能。

结合图13和图14，交流通道采用高精度测量互感器作为隔离，信号的输入回路由电阻R4和变压器PT2的原边组成，电阻R4的取值标准为R4＝Ui(MAX)/0.002，至少2W的精密电阻；

变压器PT2付边和IC1构成信号输出到AD采集的输出回路，电阻R11、R12、运放IC1构成反相比例放大电路，电阻R11、R12的阻值由R12/R11＝4.5/0.002确定，选用精密金属膜电阻，电阻R13、R14、运放IC2A构成单位增益倒相器，完成输出信号的相位与输入一致，电阻R13、R14选用10K精密金属膜电阻。

高频通道采用光电耦合隔离放大器进行隔离，输入回路由电阻构成对信号的分压采集，选用精密金属膜电阻，电阻的选用保证在其上的高频信号的幅值最高为4.5V；采用典型的二阶有源滤波电路对信号进行滤波，截至频率设为10KHz；信号输出经隔离放大器隔离后再经二阶有源滤波电路，截至频率同样为10KHz；输出到AD采集系统。本实施例中其它部分均可由现有技术直接实现，这里就不一一说明。

Claims (7)

1.一种分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，它包括至少一台连接发电机的前置机和后置机，其特征在于前置机包括电源单元、信号单元、线圈信号单元、DSP单元和处理器ARM单元，信号单元连接发电机定子，线圈信号单元连接设置在发电机上的探测线圈，信号单元和线圈信号单元连接DSP单元，DSP单元连接处理器ARM单元，处理器ARM单元通过TCP/IP协议连接后置机。

2.根据权利要求1所述的分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，其特征在于所述的信号单元包括电压互感器、电流互感器、放大器电路和滤波电路，电压互感器、电流互感器、放大器电路和滤波电路依次电信号连接，滤波电路电信号连接DSP单元。

3.根据权利要求1或2所述的分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，其特征在于所述的线圈信号单元包括放大电路、隔离运放和输出电路，放大电路、隔离运放和输出电路依次电信号连接，输出电路电信号连接DSP单元。

4.根据权利要求1或2所述的分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，其特征在于所述的DSP单元包括电信号连接的信号采集单元与处理单元，信号采集单元包括至少一片A/D转换芯片，信号采集单元连接信号单元和线圈信号单元，处理单元连接处理器ARM单元。

5.根据权利要求3所述的分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，其特征在于所述的DSP单元包括电信号连接的信号采集单元与处理单元，信号采集单元包括至少一片A/D转换芯片，信号采集单元连接信号单元和线圈信号单元，处理单元连接处理器ARM单元。

6.根据权利要求4所述的分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，其特征在于所述的信号采集单元包括连接A/D转换芯片的FPGA现场可编程门阵列芯片，FPGA现场可编程门阵列芯片连接处理单元。

7.根据权利要求5所述的分布式发电机转子绕组匝间短路故障在线监测装置，其特征在于所述的信号采集单元包括连接A/D转换芯片的FPGA现场可编程门阵列芯片，FPGA现场可编程门阵列芯片连接处理单元。

Images