基于聲檢測法的大型發(fā)電機定子槽楔松動判據(jù)分析

易浩波，任章鰲

(湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙 410007）

基于聲檢測法的大型發(fā)電機定子槽楔松動判據(jù)分析

易浩波，任章鰲

(湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙 410007）

對大型發(fā)電機采用聲檢測法得到的定子槽楔松動測量結(jié)果進行詳細的研究分析。以聲信號第一峰值點幅值作為表征槽楔松動程度的標準，提出一種縱、橫比較結(jié)合的槽楔松動判據(jù)方法。實用結(jié)果表明:該方法測量精確，符合現(xiàn)場實際情況。

大型發(fā)電機;聲檢測;定子槽楔松動;判據(jù)分析;發(fā)電機

大型發(fā)電機的安全、穩(wěn)定運行對電網(wǎng)正常運行至關(guān)重要。定子線棒是大型發(fā)電機的重要組成部分，在運行過程中，定子線棒受到電磁力作用產(chǎn)生振動〔1〕，導致絕緣層磨損甚至擊穿，引發(fā)停機〔2-4〕成為大型發(fā)電機故障的主要原因。通常利用槽楔將線棒固定，以抑制定子線棒在槽內(nèi)振動，但長期電磁力作用下的線棒振動會使緊固的槽楔逐漸松動，必須定期進行槽楔松動檢測與重打緊。機組容量越大，定子線棒所承受的電磁力也越大，而隨著絕緣材料的電、熱性能不斷改良，線棒機械強度成了最薄弱的環(huán)節(jié)。槽楔松動特性及其檢測方法的研究對大型發(fā)電機安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

目前國內(nèi)外對定子槽楔松動的傳統(tǒng)檢測方法主要有人工敲擊檢測法、卡尺測量法和聲檢測法〔5-8〕。人工敲擊法靠人力敲擊槽楔，敲擊力度無法精確控制，人為因素大;卡尺測量法只針對少數(shù)帶孔槽楔測量，局限性較大;聲檢測法采用微型電機驅(qū)動敲擊，敲擊力度精確控制，經(jīng)聲傳感器接收的信號輸入計算機經(jīng)過軟件處理，而且采樣過程屏蔽外界噪音干擾，利用該方法可以反復(fù)查詢數(shù)據(jù)記錄，隨時跟蹤各槽楔的松動規(guī)律，是目前檢測定子槽楔松動的有效方法〔9〕。

基于聲信號檢測數(shù)據(jù)提出的定子槽楔松動判斷方法是聲檢測法的關(guān)鍵。

1 槽楔松動的聲檢測原理及系統(tǒng)

1.1 聲檢測原理

槽楔在激振力作用下發(fā)出的聲波頻率和幅值與型變量密切相關(guān)，即與槽楔的緊固狀態(tài)緊密相關(guān)，因此可以通過檢測槽楔在激振力作用下的聲音波形幅值和頻率大小來定量分析槽楔的型變量，從而進一步判斷槽楔的松動狀態(tài)。波紋板槽楔振動特征是:隨著松動程度的增大，槽楔振動頻率變小，而振幅變大;隨著槽楔緊固程度的加大，其振動頻率變大，而振幅變小〔9〕。

在實際運用過程中，由于每臺發(fā)電機波紋板材質(zhì)和槽楔裝配工藝不同，不同發(fā)電機槽楔聲波頻率與幅值差異性較大，利用聲波頻率和幅值對槽楔松動進行判斷應(yīng)根據(jù)具體的發(fā)電機來進行。

1.2 聲檢測系統(tǒng)

試驗中應(yīng)用自主開發(fā)的槽楔松動聲檢測法測量儀器，如圖1所示。該儀器包括:激振器、聲傳感器、聲處理器、功率放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡等元件，并應(yīng)用基于Labview的系統(tǒng)編寫人機交互的軟件系統(tǒng)。

圖1 槽楔松動聲檢測法儀器

圖1中，檢測儀器由功率放大器、聲轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡等組成。槽楔發(fā)出的聲音被固定在槽楔上的聲傳感器采集并轉(zhuǎn)化為電信號后再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到軟件系統(tǒng)中進行分析。采集系統(tǒng)將保持數(shù)字信號的頻率與實際聲波頻率不變，聲波幅值量 (前端傳感器輸出模擬信號)用毫伏電平信號表征。測量時將激振器放置在跨越槽楔的2個鐵芯齒部頂端，安裝磁力座進行固定。在PC機上發(fā)送檢測信號，激振器進行敲擊，聲傳感器采集測量到的聲音信號并傳回PC機。通過對聲音信號的濾波、FFT變換等處理得到聲音波形，并提取表征槽楔松動程度的特征量。

2 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

利用該系統(tǒng)對600 MW大型發(fā)電機定子槽楔松動狀態(tài)進行了現(xiàn)場檢測。

2.1 槽楔抽樣測試方法

抽樣方法如圖2所示。定子槽沿圓周均勻分布，共有42槽，每個槽裝有60塊槽楔 (不同發(fā)電機槽楔個數(shù)不同)。對發(fā)電機沿圓周方向的位于0°，45°，90°，135°，180°的槽進行抽樣，對每個槽汽端、勵端和中部的部分槽 (6個)楔塊采用聲檢測法進行抽樣測量。該抽樣方法涉及整個電機不同角度的槽及槽內(nèi)中部和端部的槽楔，對整個電機的槽楔松動情況具有較好的代表性。

圖2 定子槽楔的選取抽樣方法

2.2 發(fā)電機測試結(jié)果

圖3為發(fā)電機槽楔聲檢測法得到的典型波形。激振器設(shè)定為敲擊3次間隔為0.1 s。圖3上半部分中自0.2 s起的3個大的脈沖為檢測到的聲信號，該信號在達到最大值后漸漸衰減到0。從0至0.05 s前的波形為數(shù)據(jù)采集卡啟動時的波形，沒有作用，其余較小的脈沖信號為環(huán)境中的干擾信號。圖3下半部分為聲信號的頻譜圖。

圖3 600 MW發(fā)電機典型檢測聲波圖

圖4為600 MW發(fā)電機0°槽各部分槽楔的檢測結(jié)果。由各檢測結(jié)果可以看出，各個槽楔的聲信號波形的形狀都是比較相近的，但是最大幅值 (第一峰值點幅值)不同，這和槽楔的實際狀態(tài)相關(guān):槽楔較松時聲音發(fā)空，振動幅值較大，使聲信號的幅值也較大，即第一峰值點的幅值隨槽楔松動程度的增加而增加。

圖4 勵端6塊槽楔檢測聲波圖

檢測時發(fā)電機內(nèi)部冷卻水不流通，現(xiàn)場無其他雜音，聲信號的頻率特性較為清晰。通常松緊程度相差不大的槽楔的振動引起的聲音頻率范圍在900～1 100 Hz之內(nèi)，其頻率范圍較窄，且容易受到現(xiàn)場干擾，所以頻率檢測不如聲信號的第一峰值點幅值作為判斷標準更加準確。

圖5-9為各個角度下槽楔聲波最大幅值檢測結(jié)果。橫坐標為槽楔的位置，槽楔1-6為靠近勵端的6塊槽楔，7-12為槽中部的6塊槽楔，13-18為靠近汽端的6塊槽楔;縱坐標為聲信號的第一峰值點的相對幅值 (單位為mV)。由測量結(jié)果可以看出:大部分槽楔的振動相對幅值在6 mV附近，若出現(xiàn)比一般測量結(jié)果小的，則為非常緊固，如圖9中的#16槽楔;若出現(xiàn)比一般測量結(jié)果大且振動幅值超過7 mV的則為稍微松動，圖8中的#5槽楔及#14槽楔;如振動幅值接近或超過8 mV時，則判斷為槽楔松動，如圖6的#13槽楔。

圖5 發(fā)電機0°軸向各槽楔聲波幅值

圖6 發(fā)電機45°軸向各槽楔聲波幅值

圖7 發(fā)電機90°軸向各槽楔聲波幅值

圖8 發(fā)電機135°軸向各槽楔聲波幅值

圖9 發(fā)電機180°軸向各槽楔聲波幅值

3 定子槽楔松動判據(jù)分析

一般地，判斷槽楔是否松動的方法有2種，分別為縱向比較法及橫向比較法?？v向比較法是槽楔打完合格后的測量數(shù)據(jù)與下次檢測數(shù)據(jù)對比，根據(jù)前后數(shù)據(jù)對比判斷整槽楔松動情況。目前對于不同發(fā)電機波紋板材質(zhì)情況很難對縱向比較形成統(tǒng)一的判斷標準，根據(jù)槽楔松動模擬試驗的結(jié)果〔9〕，一般本次測量的槽平均值超過上次槽楔打完合格后該槽平均值40%及以上可以判斷為該槽整體松動;橫向比較法是用同一次測量到的單個槽楔松動數(shù)據(jù)與該槽平均值對比來判定單個槽楔的狀態(tài)。通過現(xiàn)場試驗總結(jié)，得出的經(jīng)驗為:若單塊槽楔數(shù)值超過該槽平均值的15%及以上即判定為松動，超過30%以上應(yīng)進行處理。橫向比較法不需要歷史數(shù)據(jù)，但是無法觀察槽楔松動程度的變化情況〔9〕。

由各檢測結(jié)果可以看出各個槽楔的聲信號波形的形狀都是比較相近的，但是其最大的幅值 (第一峰值點幅值)不同，且有較為明顯的差別，槽楔較松時聲音會比較空，聲信號的幅值也較大，即第一峰值點的幅值隨槽楔松動程度的增加而增加。不同槽楔的頻譜較為相近，對于緊固情況差不多的槽楔，頻率變化范圍通常在900～1 100 Hz，范圍較小，容易受到干擾產(chǎn)生誤判，不如采用聲信號的第一峰值點的幅值作為判斷標準更加準確。

應(yīng)用該判據(jù)，對被試電機檢修時，應(yīng)用人工敲擊法獲得的該發(fā)電機有關(guān)槽楔松動位置和劣化情況的評估結(jié)果與聲檢測法得到的結(jié)論非常吻合。

4 結(jié)論

聲檢測法非常適合于大型發(fā)電機定子槽楔松動的檢測，具有操作簡單，客觀性強等優(yōu)點。文中提出了一種以聲檢測結(jié)果中聲信號的第一峰值點相對幅值作為槽楔松動程度的判斷方法，結(jié)合縱、橫向數(shù)據(jù)比較相結(jié)合判斷定子槽楔松動的方法，該方法通過在發(fā)電機上進行檢測應(yīng)用的現(xiàn)場驗證，可用于生產(chǎn)檢修工作。

〔1〕王紹禹，周德貴.大型發(fā)電機絕緣的運行特性與試驗〔M〕.北京:水利電力出版社，1992.

〔2〕Stone G C，Boulter E A，Culbert I，et al.Electrical insulation for rotating machines〔M〕.New York:IEEE Press，2004:18-27.

〔3〕Vakser B D，Nindra B S.Insulation problems in high voltage machines〔J〕.IEEE Transaction on Energy Conversion，1994，9(1):143-151.

〔4〕Stone G C，Wu R.Examples of stator winding insulation deterioration in new generators〔C〕.IEEE 9th International Conference on Properties and Application of Dielectric Materials.Harbin，China;IEEE，2009:180-185.

〔5〕Locke D H，Williams A.Stator slot wedge testing of large pumped storage generator motors〔C〕.First IEE/I MechE International Conference on Power Station Maintenance-Profitability Through Reliability，Edinburgh，1998.

〔6〕馬小芹，盧偉勝.電動機定子槽楔松動的聲檢測研究〔J〕.中國電機工程學報，2001，22(2):11-15.

〔7〕彭翔，賈志東，王黎明，等.大型發(fā)電機定子槽楔松動研究及檢測〔J〕.中國電機工程學報，2007，(30):9-14.

〔8〕賈志東，夏英來，鄧禹，等.大型發(fā)電機定子槽楔松動的動力學分析與檢測〔J〕.中國電機工程學報，2011，31(15):107-113.

〔9〕彭翔.大型發(fā)電機定子槽楔松動特性及檢測的研究〔D〕.北京:清華大學，2009.

Estimation analysis on acoustic detection of the stator wedges'looseness for large generators

YI Hao-bo，REN Zhang-ao
(Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The detail measurement results of the stator wedges'looseness in large generator by acoustic detection are analysed and studied.A wedges looseness estimation method of vertical and horizontal combination is proposed，and the first peak point amplitude of the acoustic signal is set in test results as the standard of wedges looseness level.The comparison of the experimental and manual detect results indicates that this proposed method is accurate and consistent with the field actual situation.

large generator;acoustic detection;looseness of the stator wedges;estimation analysis;generator

TM311

A

1008-0198(2013)02-0020-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2013.02.006

2012-08-22