[发明专利]基于机电量关联分析的发电机定子端部绕组劣化诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及大型汽轮发电机组的发电机定子端部绕组劣化的在线诊断，属于发电机组在线监测、故障诊断和状态检修领域，以及发电厂主设备智能监控管理领域。

背景技术

大型发电机组是电力系统最关键、最重要的设备，对电力系统的安全异常重要。发电机组的故障包括机械故障和电气故障两类，其中电气故障不仅导致发电机损坏，还可能威胁区域电网的稳定，导致大停电；机械故障则可能导致发电机组乃至发电厂被摧毁，带来重大人员、设备及环境的损失。

大型发电机组是典型的旋转机电设备。振动监测对发电机组的安全运行是至关重要的。振动监测可分为对发电机组轴系扭振的监测、对轴承、轴瓦的振动监测以及对发电机定子绕组端部的振动监测等。严重的轴系扭振可能导致发电机组轴系的机械损伤，并且发电机组轴系扭振与电网的动态过程密切相关，扭振监测的目标是识别轴系的安全以及对电网稳定的威胁；对轴承、轴瓦的振动监测用于识别轴承、轴瓦的损伤、动静摩擦、支撑刚度弱化以及轴系不对中、转子不平衡等；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监测，薄弱环节易于受损，直接反映定子端部的机械结构健康状态，以及设备内部的电气故障征兆。

定子绕组运行在高电压、高温和较大的机械应力下，其制造过程考虑了大量的电磁、机械和热稳定问题，设计十分复杂。定子绕组在发电机端部伸出铁芯外相互连接，构成定子绕组回路。绕组线棒在端部出口处被拉牢和封闭，在发电机的两端形成篮状。大型汽轮发电机组在长期运行过程中，因定子绕组端部过大的振动会导致绕组固定压板、垫块绑扎等的损坏、鼻端导体及引水导线振动疲劳断裂、引起线棒绝缘磨损或焊缝振裂，进而发生发电机定子端部线棒的短路和烧毁等事故，甚至导致灾难性的事故，损失严重。大型发电机组是非常昂贵的电力核心设备，研究定子绕组端部振动机理、特征及在线故障诊断技术对延长机组的使用寿命、延长维修周期、对提高发电机组和电网运行安全、改进机组的结构设计等方面都具有重要意义。由于电网与发电机组的相互影响，电网的动态过程对发电机组振动有很大影响，对发电机组振动的识别也间接体现了对电网动态扰动的辨识。

电气量的作用是导致发电机定子绕组端部振动的直接原因。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，其振动最为严重。机组在稳态运行时，定子绕组端部主要承受两种稳态交变荷载。最主要的交变荷载是绕组中的电流与漏磁通之间的相互作用力，它引起定子绕组端部以两倍系统频率振动，其幅值沿圆周为椭圆型并以系统频率旋转。另外，定子铁芯承受转子磁拉力引起的两倍系统频率的振动，而定子线棒固定在铁芯槽内，故定子绕组端部也承受该频率下的振动。虽然漏磁场复杂，但其中端部绕组主要受到的电磁力(除直流分量外)为二倍频(对旋转频率为50Hz的发电机而言即100Hz)的电磁力而产生振动，这一激振力沿圆周方向呈椭圆分布。如果端部绕组结构的固有频率与这种电磁振动力的频率相等或接近时就会产生共振，或较大的振动力将会导致绕组松动、导线断裂，损坏绝缘，最终导致发电机端部绕组劣化，引发绝缘故障。

大型发电机组定子绕组端部振动在线监测一直是机组状态监测中的难点。发电机定子绕组端部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。发电机定子绕组端部振动的研究停留在对定子端部结构的模态试验测试，以及临时的振动在线测量方法与技术层面。自90年代末基于光纤传感技术的电磁干扰免疫的端部振动监测系统被推广使用，至今发电机端部振动监测的实践主要集中于研究适合测量端部绕组振动的传感器技术及测量系统，现有的定子绕组端部振动在线监测系统通常在定子绕组端部装设振动传感器，定时测量绕组端部的振幅，现有文献的采样率为秒级或分钟级，仅凭端部绕组振动幅值的相对比较以及振幅限值推断端部绕组的劣化情况，并形成历史记录，供维护人员日后分析。

目前发电机定子端部绕组劣化的诊断技术仅参照端部振动幅值，而定子绕组端部振动与发电机定子绕组电流有关，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。另一方面，通常在发电机稳态运行中定子绕组端部的振动差异性不大，只有在发电机中流过瞬时的故障电流才能引发定子绕组的严重振动，而现有的振动监测系统采样率很低，不能捕捉到电气故障和扰动冲击下的定子绕组端部振动，因此端部绕组劣化识别的灵敏度、可靠性都不能令人满意。