發(fā)電機絕緣損傷監(jiān)測診斷方法研究

王秋

(福建鴻山熱電有限責任公司，福建 石獅 362712)

發(fā)電機絕緣損傷監(jiān)測診斷方法研究

王秋

(福建鴻山熱電有限責任公司，福建 石獅 362712)

發(fā)電機絕緣損傷是威脅發(fā)電機安全運行的主要原因，在發(fā)電機結構層次分析的基礎上，重點對發(fā)電機絕緣振動損傷和發(fā)電機絕緣熱損傷的機理、監(jiān)測方法、分析診斷方法進行了探討，最后闡明使用多特征屬性距離診斷法對發(fā)電機絕緣狀況進行綜合診斷。

發(fā)電機；絕緣；振動損傷；熱損傷；多特征數(shù)據(jù)診斷

1 引言

近年來，發(fā)電機事故率有上升趨勢，200MW及以上發(fā)電機事故占事故總臺次的比例不段上升。由于發(fā)電機的絕緣性能將影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，并會帶來直接和間接的社會經(jīng)濟損失。因此研究發(fā)電機的絕緣故障原因，對其故障狀態(tài)進行評估，對電機的連續(xù)安全穩(wěn)定運行，減少絕緣事故造成的停機是非常重要的[1-2]。

發(fā)電機運行安全的主要威脅之一來自其絕緣體系，這是由發(fā)電機的絕緣結構，絕緣的運行環(huán)境和運行條件決定的。發(fā)電機的絕緣結構是由不同耐熱等級的絕緣材料組合而成的固體(槽部)和固一氣(端部)結構，其絕緣強度沒有自恢復性。雖然在設計時要求它具有相當?shù)哪蜔岬燃?、足夠的電氣強度、?yōu)良的機械性能和良好的工藝性，但制造過程中的偶然因素可能給它留下先天的缺陷，而運行過程中的放電、電磁力、熱應力、濕熱環(huán)境、有害的活性氣體、油污、粉塵更會造成其性能的逐漸劣化，并且這種劣化過程是不可逆和不斷加速的。一旦由于某種原因造成絕緣缺陷點，它就很可能發(fā)展成擊穿短路事故[3-4]。

2 發(fā)電機結構層次分析

層次分析方法(Analytical Hierarchy Process， AHP)是一種定性的多準則決策方法，把系統(tǒng)復雜問題的本質(zhì)、影響因素以及內(nèi)在聯(lián)系進行深入分析后，構建一個有序?qū)哟谓Y構模型，使專家經(jīng)驗知識層次化，為求解多目標、多準則復雜系統(tǒng)故障診斷問題提供一種簡便的分析診斷方法。發(fā)電機是機電的耦合系統(tǒng)，按其結構劃分可以把發(fā)電機系統(tǒng)分為定子系統(tǒng)和轉子系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)層下又可以劃分為部件層。發(fā)電機系統(tǒng)的結構層次分析可以用圖1 表示。

3 絕緣振動損傷監(jiān)測診斷方法

振動作為每個機械都不可避免，可以作為反映設備健康狀況的一個特征量，可以通過研究振動確定設備的狀態(tài)。發(fā)電設備狀態(tài)正常時，其表現(xiàn)出來的振動特征量如頻率、振幅等變化不太明顯。如果發(fā)現(xiàn)設備的特征量的數(shù)值變化比較大時，表明設備可能沒有運行在正常的工作狀態(tài)，可以通過分析這些振動特征量來判斷設備的運行狀態(tài)。發(fā)電機組振動特征主要有以下幾點：

圖1 發(fā)電機結構層次分析

(1)振動故障的漸變性

與其他的旋轉機械相比，發(fā)電機組的轉速比較低，一般每秒鐘只有幾轉相對一些發(fā)電機的每秒鐘幾十轉小很多。因此大部分故障特征不明顯，是漸進性的，突發(fā)故障比較少，只是表現(xiàn)出一些磨損和疲勞特性，是一種量的積累過程。這些漸進性的故障特性，使得可以在早期發(fā)現(xiàn)一些故障的特征信號，進行相關趨勢分析，從而做到早發(fā)現(xiàn)早治療,提高設備的維護效率。

(2)振動信號的復雜多樣性

發(fā)電機組動水壓力形成的振動；設備內(nèi)部機構各部分相互作用形成的機械振動；設備內(nèi)部電磁作用力不平衡形成的電磁振動，這些因素是發(fā)電機組振動的重要原因，加上發(fā)電組的組成比較復雜、體積比較大，同時這些因素都是相互耦合的，可能是某一方面或者幾個方面同時作用在機組上，導致振動組成復雜，表現(xiàn)出很強的非線性，很難用單一模型去描述。

(3)振動信號的因果非對稱性

振動信號一個特征可能有多個因素導致的，同時單個振動因素可以在振動信號的多個方面反應。故障特征之間的交叉比較明顯，故障和特性之間不存在明顯的對應的因果關系。

(4)振動信號的不規(guī)則性

電廠的選址、設計、施工受地理位置和技術條件的限制，同時不同地區(qū)的電站的電網(wǎng)、水文、氣候和安裝調(diào)試環(huán)境不相同，使得不同電廠之間、不同機組之間的振動情況有很大的不同，特征的不規(guī)則性明顯。所以，設計統(tǒng)一的振動狀態(tài)分析系統(tǒng)來應對不同的電站環(huán)境非常的困難。振動信號的復雜、不規(guī)則等因素，使得工程研究人員很難使用具體的統(tǒng)一語言來描述設備振動故障的特性、位置、大小，難以建立具體、全面描述的數(shù)學模型，進一步導致振動故障診斷的發(fā)展比較緩慢。為了保證發(fā)電機組能夠正常運行就必須有完善的信號分析和采集系統(tǒng)，通過提取振動信號的相關特征量來確定設備是否需要檢修，使得振動監(jiān)測真正意義上向狀態(tài)檢修轉變。

信號采集是指通過傳感器把能反映設備特征振動信號測量出來，使用模數(shù)轉換設備變換成計算機可以識別的信息。信號分析是把數(shù)據(jù)卡采集回來的信號進行處理、綜合、分析，使得處理后的信號可以反映出設備狀態(tài)信息。使用現(xiàn)代信號采集與分析方法，可以極大地提高設備的維護效率，使得針對設備的問題的處理更有針對性，節(jié)約大量的人力和物力，提高發(fā)電設備的可靠性。目前很多信號分析技術都是隨著快速傅里葉變換(FFT)的使用發(fā)展起來的，如傳統(tǒng)用于發(fā)電機組故障診斷方法主要有頻譜分析、功率譜估計和相關分析分析等。其中常用到的方法是頻譜分析，被大量使用在各種工程技術分析領域。由于發(fā)電機組的振動比較復雜，通過對振動信號使用頻譜分析經(jīng)常只能粗略的知道發(fā)電機組是否存在故障、以及一些明顯故障的嚴重程度的信息，很難對故障的發(fā)生的具體部位進行判斷，一般只用于發(fā)電機的簡易診斷。為了得到設備狀態(tài)的具體信息，人們不斷引入最新的信號分析方法包括短時傅里葉變換、經(jīng)驗模式分解、小波分析等。其中小波分析作為一種現(xiàn)代的時頻分析方法，與傳統(tǒng)的信號處理方法相比，更加適合處理非平穩(wěn)信號和突變信號，突出信號在時域和頻域的局部化特征，這些特征是后期故障判斷的重要依據(jù)?，F(xiàn)代信號采集和分析技術可以與專門的信號處理設備或者帶有虛擬儀器軟件的計算機相結合，繼而實現(xiàn)多角度對故障信號進行觀察。

4 電機絕緣熱損傷與熱應力分析方法

上世紀80年代，由于溫度和熱應力等引起的發(fā)電機發(fā)生故障不斷出現(xiàn)，尤其在發(fā)電機起停過程中，電機溫度驟變會引起很大的熱應力，發(fā)電機很容易發(fā)生故障(如圖2所示)。

4.1 電機溫度場分析方法

電機的溫度與熱力學計算的發(fā)展，主要決定于電機溫度計算的發(fā)展。近年來，瑞士阿爾斯通公司提出了一種基于迭代功率損耗，氣流和溫度的耦合計算方法，計算得到了一個完整定子在鐵心的溫度分布；英國學者對永磁電機轉子渦流損耗及溫度進行了計算，分析了非正弦電流諧波引起的損耗對溫度的影響，并制作了樣機，對計算結果進行了驗證；挪威學者對變速異步電動機溫度進行了研究，分析了電力電子器件、電壓電流波形、開關頻率等電機控制部分對電機溫度的影響。

圖2 發(fā)電機硅鋼片故障實例圖。

國內(nèi)對電機的發(fā)熱與冷卻問題的研究始于 20 世紀 80 年代，中國電力科學研究院的李德基等人做了大量的工作，他分別采用等效熱路法和等值熱回路法計算了發(fā)電機穩(wěn)態(tài)溫度場和暫態(tài)三堆溫度場。90年代，哈爾濱理工大學的湯蘊璆、張大為等用數(shù)值方法計算了大型水輪發(fā)電機定子最熱段溫度場，魏永田、張靜等對水輪發(fā)電機定子溫度及散熱系數(shù)的計算進行了研究，李偉力等對水輪發(fā)電機定轉子三維溫度場進行了研究。

進入 21 世紀，電機溫度場數(shù)值的計算開始向多元耦合物理場過渡。華北電力大學的羅應立，王紅宇，李和明等分別采用非線性熱-流體耦合網(wǎng)絡和熱-流體耦合單元的三維非線性有限元溫度場模型，對兩種模型的計算結果進行了比較研究；浙江大學的夏海霞，姚纓英等對大型發(fā)電機端部電磁場和溫度場的耦合分析進行了研究；華北電力大學的李俊卿，采用混合單元法對發(fā)電機定子溫度場進行了分析與計算；采用混合坐標系，研究了發(fā)電機的電磁場與溫度場的耦合關系。

4.2 電機熱應力分析方法

在電機熱應力方面的研究以故障和壽命為主。澳大利亞學者對電場、熱場和應力場的耦合計算進行了研究；西屋公司對超導發(fā)電機定子熱應力進行研究；印度學者對發(fā)電機絕緣的熱應力與老化進行了研究；加州學者對空載和負載兩種情況下發(fā)電機的熱應力和轉子疲勞進行了研究；德國學者對雙饋感應發(fā)電機轉子溫度與熱應力進行了研究。

我國在電機熱應力方面的研究起步較晚。對電機的熱應力的研究停留在理論研究階段，而且大部分研究是針對發(fā)電機轉子的熱應力。華北電力學院的楊昆，張保衡，黃仙等提出了一種汽溫非線性變化條件下汽輪機轉子熱應力線圖的確定方法。對汽輪機轉子熱應力的二維離散模型和自適應模型進行了研究。進入21世紀，浙江大學的盛德仁、蔣志強、李蔚、任浩仁、李劍、陳堅紅等在電機熱應力方面做了大量的工作，包括，水輪發(fā)電機定子鐵心硅鋼片外移事故的研究；對逆順序混合算法進行了改進，分別計算了汽輪機轉子有無中心孔和軸封槽簡化對轉子溫度和應力分布的影響。2007年，哈爾濱工業(yè)大學的劉占生對汽輪機轉子熱應力及其壽命進行了研究，采用間接耦合方法計算了轉子瞬態(tài)應力場。2010年，海軍工程大學的王艷武等對感應電動機轉子三維溫度場及熱應力進行了研究。

5 發(fā)電機絕緣多特征屬性距離診斷法

多特征屬性距離診斷方法是一種針對復雜設備的故障診斷方法，通過對專家經(jīng)驗知識的故障特征屬性量化，建立起故障標準特征屬性，通過求解被檢故障特征屬性與標準屬性之間的距離，得到故障診斷結果。避免了采用單一屬性進行故障診斷造成的診斷片面性和不準確性。假設反應設備故障狀態(tài)的特征參數(shù)有n個，則故障模式Mi可以用特征屬性的集合來表示，Mi={Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin}，其中Xij為標準的故障特征屬性值。設備有m個故障模式集合，則故障模式集合R可以表示為R={M1，M2，M，…，Mm}，其中Mi(i=1，2，3，…， m)為故障特征屬性標準集。建立的故障標準特征屬性矩陣如下：

(1)

上式表示的故障標準特征屬性矩陣包含了m個故障模式，每一個故障模式包含了n個特殊屬性。

設被檢故障特征屬性集合為M′={x1，x2，x3，…，xn}，通過求解M′與Mi的特征屬性距離，來判斷M′與Mi的相似程度，得出診斷結果。多特征屬性距離求解公式如下：

(2)當Di值最小時，表示M′與Mi的特征屬性距離最小，即M′與Mi的相似程度最高，即可做出M′屬于故障模式Mi的診斷。

6 結論

本文首先解析了發(fā)電機結構層次分析，其次分析了發(fā)電機絕緣振動損傷特征和監(jiān)測分析方法，再次給出了發(fā)電機絕緣熱損傷中溫度場分布與熱應力的分析方法，最后提出了應用多特征屬性距離診斷發(fā)電機絕緣狀況的方法。

[1] 李憲棟，唐新文，石月春，等.發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應用探討[J] .水電能源科學，2011，10:150-154.

[2] 姚林朋.發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測多代理專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].上海交通大學，2007.

[3] 程養(yǎng)春.發(fā)電機定子絕緣局部放電非接觸式在線監(jiān)測方法的研究[D].華北電力大學(北京)，2005.

[4] 萬元.大型發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測與分析方法研究[D].華中科技大學，2009.

Research on the Diagnostic Method of Insulated Damage Monitoring of a Generator

WANGQiu

(Fujian Hongshan Thermoelectricity Co.，Ltd，Shishi 362712,China)

The insulated damage of a generator is a main cause to threaten generator safe operation.On the basis of analysis of the generator construction step,the paper discusses the generator insulated vibrating damage and the mechanism,monitoring methold and analytical diagnostic method of the generator insulated heat injury.Finally,use multi-characteristic distance diagnostic method to carry out synthetic diagnostic to the generator insulated conditions.

generator;insulation;vibrating damage; heat injury; multi-characteristic data diagnostic

2014-09-04

劉建(1989-)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化、智能電網(wǎng)。冉玘泉(1987-)男，碩士，研究方向為分布式發(fā)電、智能配電網(wǎng)控制技術。

1004-289X(2015)05-0070-04

TM31

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