試析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷與在線監(jiān)測(cè)

王永

摘 要：下文以設(shè)備故障診斷為基礎(chǔ)，分析了轉(zhuǎn)子回路故障表現(xiàn)形式和故障機(jī)理，闡述了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測(cè)的重要性。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 在線監(jiān)測(cè) 故障診斷

1、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測(cè)的重要性

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備更為先進(jìn)和現(xiàn)代化、設(shè)備變得更加精密和復(fù)雜，設(shè)備故障造成的經(jīng)濟(jì)損失和影響也越來(lái)越大。設(shè)備維修方式和監(jiān)視方法更加受到關(guān)注，其發(fā)展歷經(jīng)變革，由事后維修到定期維修，再到狀態(tài)維修。其中以狀態(tài)維修是最先進(jìn)和最合理的維修方式，它是以監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)并消除可能的故障，避免事故的發(fā)生。同樣，設(shè)備檢測(cè)（監(jiān)視）方法也在不斷地作適應(yīng)性變革，它們經(jīng)歷五個(gè)方面的發(fā)展：1）依靠人的五官感覺(jué)和簡(jiǎn)單工具進(jìn)行檢查和監(jiān)視；2）利用簡(jiǎn)單的檢測(cè)計(jì)器進(jìn)行檢查和監(jiān)視；3）離線監(jiān)測(cè)；4）連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；5）在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

其中在線監(jiān)測(cè)是通過(guò)安裝在設(shè)備上的傳感器，隨時(shí)獲取機(jī)器運(yùn)行的各種狀態(tài)信號(hào)，可對(duì)機(jī)器進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，其特點(diǎn)是能在早期階段發(fā)現(xiàn)故障，并嚴(yán)密監(jiān)視其發(fā)展情況，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)測(cè)，這樣就有可能選擇在最合適的條件下有準(zhǔn)備的停機(jī)和檢修設(shè)備，能節(jié)約時(shí)間并減少損失。

在線連續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠提供設(shè)備運(yùn)行和維修兩方面的信息，它所提供的趨勢(shì)分析信息能進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備維修計(jì)劃，使設(shè)備維修更加準(zhǔn)確有效，更節(jié)約費(fèi)用，操作者通過(guò)它所顯示的狀態(tài)信息；及時(shí)地不斷改進(jìn)操作方式，進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和效率，這兩者的經(jīng)驗(yàn)和積累數(shù)據(jù)，又向設(shè)備設(shè)計(jì)和制造者提供了改進(jìn)設(shè)備性能和可靠性的重要信息。

發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的核心。隨著電力工業(yè)的發(fā)展和單機(jī)容量的不斷增大，提高發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和診斷，對(duì)其可靠運(yùn)行非常重要。發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)的主要目的是檢出發(fā)電機(jī)在初始階段出現(xiàn)的缺陷，以便有計(jì)劃地安排檢修，從而避免事故的發(fā)生，減少事故發(fā)生造成的財(cái)產(chǎn)損失，也減少?gòu)?qiáng)迫停機(jī)的次數(shù)，降低發(fā)電機(jī)的維護(hù)費(fèi)和提高發(fā)電機(jī)的可用性。

長(zhǎng)期以來(lái)，發(fā)電廠中發(fā)電機(jī)運(yùn)行所用的監(jiān)測(cè)與控制方法大多都針對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的調(diào)整，以及非正?；蚴鹿薁顟B(tài)的控制，很少或幾乎沒(méi)有針對(duì)潛伏性故障的早期發(fā)現(xiàn)或診斷。發(fā)電機(jī)交接和大修時(shí)沿用的試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)也屬于診斷方法，其中大部分只適合停機(jī)狀態(tài)，不能滿足防止在運(yùn)行中出現(xiàn)突發(fā)性事故的要求。

發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)需觀測(cè)和采集發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下許多電氣的、機(jī)械的、物理的、化學(xué)的數(shù)據(jù)與特性，并建立正確的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最后給出說(shuō)明發(fā)電機(jī)運(yùn)行異?；虼嬖谀撤N缺陷的信息。目前，發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)研制和采用的內(nèi)容比較廣泛，包括定子繞組、鐵芯、轉(zhuǎn)子、氫油水系統(tǒng)及機(jī)組軸系各個(gè)方面。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)水平的不斷提高，它們與監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，新的功能完善的綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也不斷問(wèn)世，在進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的同時(shí)，還具備了趨勢(shì)分析，故障診斷功能，為實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)維修提供了有效的技術(shù)手段，也顯著地提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子問(wèn)題的提出

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通常有多個(gè)勵(lì)磁線圈、線圈引線、阻尼繞組，這些部件在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中承受較大的電流及離心力，在超過(guò)部件極限強(qiáng)度的情況下，將導(dǎo)致大的事故發(fā)生。例如某水電站一臺(tái)75MW的水輪發(fā)電機(jī)因轉(zhuǎn)子引線在運(yùn)行中斷裂，引起發(fā)電機(jī)失磁，進(jìn)而導(dǎo)致失步，引起阻尼條過(guò)熱，開(kāi)焊斷裂的阻尼條敲擊定子端部，使定子發(fā)生相間短路，進(jìn)而造成三相短路，使發(fā)電機(jī)組連同變壓器側(cè)繞組燒毀、損失慘重。無(wú)獨(dú)有偶，另外某廠一臺(tái)機(jī)組因轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)間隙接地，產(chǎn)生過(guò)壓擊穿隔離變，引發(fā)一系列的嚴(yán)重后果，最后導(dǎo)致轉(zhuǎn)子報(bào)廢，這些事故都是觸目驚心的。現(xiàn)在，轉(zhuǎn)子繞組的斷線一般都是在停機(jī)狀態(tài)下測(cè)出的，測(cè)量轉(zhuǎn)子的匝間短路都是在發(fā)電機(jī)空載及三相穩(wěn)定短路狀態(tài)下進(jìn)行的，這些情況表明很有必要對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，其目的在于在故障或缺陷的初始階段，提出預(yù)警，最終避免事故的發(fā)生。

3、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機(jī)組的重要組成部分之一，也是較易出現(xiàn)故障的部位。轉(zhuǎn)子一般由磁極，勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子磁扼和阻尼繞組及轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子風(fēng)扇等其它輔件構(gòu)成。勵(lì)磁繞組大多數(shù)采用扁銅線繞制成同心式線圈套在磁極的極身上。線圈的匝與匝之間由絕緣材料進(jìn)行絕緣隔離。

我們通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析，可以確定轉(zhuǎn)子的故障表現(xiàn)形式，它分為三個(gè)方面：一方面是轉(zhuǎn)子支承軸承故障。另一方面表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子本體故障，再一方面是轉(zhuǎn)子繞組的故障。轉(zhuǎn)子支承軸系故障主要是轉(zhuǎn)子軸承和電機(jī)軸瓦的故障，故障的診斷主要依據(jù)振動(dòng)特性分析，理論上比較成熟。轉(zhuǎn)子本體故障一方面表現(xiàn)為純粹的機(jī)械故障，另一方面電源中的負(fù)序電壓引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱引起的疲勞裂紋。轉(zhuǎn)子繞組的故障可分為斷線、接地故障、匝間短路，下面主要對(duì)其故障機(jī)理作一番分析和說(shuō)明。轉(zhuǎn)子引線的斷裂是一個(gè)漸變過(guò)程。在機(jī)組大小修時(shí)處于靜態(tài)常溫下，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組直流電阻的測(cè)量，稍有裂紋，從直流電阻上很難反映出來(lái)，只有在運(yùn)行當(dāng)中，繞組處于高速離心力和高溫環(huán)境下，才能反映出來(lái)。當(dāng)出現(xiàn)裂痕時(shí)，使其通流密度增大，局部溫度升高，引起導(dǎo)體局部膨脹變形，機(jī)械強(qiáng)度低，加之高速向外的離心力，使其斷裂在欲斷不斷之時(shí)，伴有電弧使之燒毀，由此推斷，有裂紋到斷裂是隨時(shí)間發(fā)展的，再則通流面積減小，局部溫度升高，在此過(guò)程中，都表現(xiàn)為回路電阻增大。

大多數(shù)發(fā)電機(jī)都發(fā)生過(guò)或存在轉(zhuǎn)子繞圈匝間短路的故障，由于其對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行影響不大或故障特征不明顯，許多匝間短路故障都被忽略，但長(zhǎng)期運(yùn)行下去，匝間短路故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈一點(diǎn)甚至多點(diǎn)接地。匝間短路發(fā)生的主要原因是線匝絕緣的移動(dòng)，轉(zhuǎn)子端部的熱變形，線圈端部墊塊的松動(dòng)或護(hù)環(huán)絕緣襯墊的老化，小的導(dǎo)電粒子或碎渣進(jìn)入線圈端部及通風(fēng)溝。

匝間短路能引起轉(zhuǎn)子熱不平衡，轉(zhuǎn)子漏磁場(chǎng)發(fā)生變化，定子繞組并聯(lián)支路的環(huán)流及主軸軸承座的磁化，其影響程度多少取決于短路的程度及部位。當(dāng)線圈發(fā)生匝間短路時(shí)，不同的接觸電阻將使熱損耗發(fā)生變化，接觸電阻越小，短路損耗越大，當(dāng)繞組有一半電流被旁路時(shí)，短路損耗將達(dá)線圈總損耗的四分之一，短路會(huì)導(dǎo)致繞組總損耗減小，轉(zhuǎn)子平均溫度降低，而故障點(diǎn)短路損耗增加導(dǎo)致局部溫度升高、熱膨脹在很小范圍內(nèi)發(fā)生.因而轉(zhuǎn)子發(fā)生不同程度的彎曲，振動(dòng)增加。隨著勵(lì)磁電流的增加，振動(dòng)也隨著增加。轉(zhuǎn)子線圈發(fā)生匝間短路故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這樣幾個(gè)征兆：1）振動(dòng)增大；2）勵(lì)磁電流增大，振動(dòng)幅值增大；3）在勵(lì)磁電壓不變的情況下，勵(lì)磁電流增大。因此及早發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行有著重要意義。

4、結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是最近十幾年發(fā)展起來(lái)的，它能及時(shí)監(jiān)測(cè)出發(fā)電機(jī)內(nèi)部的隱患，避免意外災(zāi)難性事故的發(fā)生，減少?gòu)?qiáng)迫停機(jī)次數(shù)和延長(zhǎng)電機(jī)大修間隔，從而顯著提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的在線監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一個(gè)方面而言。由于轉(zhuǎn)子回路這一部分所發(fā)生的故障可能在發(fā)電機(jī)當(dāng)時(shí)運(yùn)行時(shí)所引起的后果并不一定較為嚴(yán)重，只有當(dāng)故障現(xiàn)象積累到一定程度，才會(huì)引發(fā)質(zhì)的突變，產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。本文通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障分析，說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測(cè)的重要意義。

參考文獻(xiàn)

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