發(fā)電機轉子絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

賴 劼

(廣東技術師范學院 天河學院， 廣東 廣州 510540)

目前在國內(nèi)運行的大型發(fā)電機組中，發(fā)電機匝間短路故障占故障總數(shù)的比重較大。轉子繞組匝間短路后會形成較強的短路電流，導致繞組局部過熱，損壞絕緣層。單一的轉子匝間短路故障并不會影響機組的正常運行，但是如果進一步發(fā)展，轉子勵磁電流將會顯著增大，繞組溫升過高而導致接地故障，對發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行構成嚴重威脅。因此，轉子繞組匝間短路故障的診斷尤為重要。通過繞組匝間短路監(jiān)測，將重大事故遏制在萌芽期，可提高機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

當前在線動態(tài)監(jiān)測匝間短路的方法很多。英國學者Albright提出了探測線圈法，基于匝間短路引起的氣隙磁場不對稱，對探測線圈上的感應電動勢進行采樣來反映磁通密度變化，獲取匝間短路的故障信息?？蛰d或三相短路情況下，該監(jiān)測方法可靠性高，而且可以準確定位故障槽；但是在發(fā)電機帶負載運行時，電樞反應會嚴重影響診斷的可靠性[1-2]。據(jù)文獻[3]介紹，英國學者Wood J W提出的回波檢測法，以匝間短路時行波的反射波變化作為診斷依據(jù)，雖然難以實現(xiàn)故障定位，但是對準確判斷是否存在故障很有意義。俄羅斯的Kaumah B R提出了以匝間短路時在定子并聯(lián)支路出現(xiàn)偶次諧波電流的現(xiàn)象作為判斷依據(jù)的方法[4]，但該方法實現(xiàn)難度較大，而且對不滿足該繞組結構的發(fā)電機組存在局限性。國內(nèi)研究者利用匝間短路時勵磁電流增大而無功功率減小的特點，以故障前后勵磁電流相對變化率作為判據(jù)，但是，發(fā)電機運行中勵磁電流變化受多種因素影響，容易出現(xiàn)誤判。

文獻[5]通過分析磁勢分布得出：對于正常運行的發(fā)電機，無論三相負荷是否對稱，其氣隙磁勢是對稱的，只含有奇次諧波；發(fā)生轉子繞組匝間短路后，氣隙磁勢中會出現(xiàn)偶次的諧波分量。文獻[6]在此基礎上進一步分析得出：在只有一對磁極的發(fā)電機中，氣隙中會出現(xiàn)偶次諧波磁動勢；對于多對磁極，氣隙中會出現(xiàn)分數(shù)次諧波磁動勢。本文以此為理論基礎，設計一種在線測量軸電壓的匝間絕緣監(jiān)測裝置，并利用該裝置對測量的軸電壓進行頻譜分析，判斷發(fā)電機轉子的匝間絕緣情況。

1 氣隙磁動勢分析

在無故障情況下，P對磁極的隱極同步發(fā)電機的氣隙磁動勢可以分解為P，3P，5P…奇次分量[7]，表示為：

(1)

式中：k為奇數(shù)；θs為定子機械角；t為時間；Fk為k次諧波磁動勢幅值；ωr為轉子的機械轉速。

發(fā)生匝間短路的磁極的繞組有效安匝數(shù)減少，磁動勢的峰值減小，對主磁場的影響相當于并聯(lián)相等匝數(shù)繞組后，由反向勵磁電流產(chǎn)生的反向磁場疊加在正常的氣隙磁場上。其磁動勢隨轉子角度的分布如圖1所示。

注：θr為轉子的機械角度；γ為轉子開槽部分的角度；β為槽間角，β=γπ/2n，n為諧波次數(shù)；If為勵磁電流；m為發(fā)生匝間短路的槽與轉子大齒的距離，m′=m；ΔF為附加磁動勢。圖1 匝間短路后磁動勢分布

對短路產(chǎn)生的附加磁動勢進行傅里葉展開可得：

(2)

式中：N為短路安匝數(shù)；A0,An,Bn均為傅里葉系數(shù)。

轉子繞組發(fā)生匝間短路后，磁動勢會產(chǎn)生一個反向的附加量ΔF。此時，對于一對磁極，氣隙中將出現(xiàn)偶數(shù)次諧波；而對于多對磁極，氣隙中將出現(xiàn)分數(shù)次諧波磁勢。這可以作為判斷匝間短路的特征磁勢。

2 匝間絕緣監(jiān)測系統(tǒng)框架

匝間絕緣監(jiān)測系統(tǒng)由雙端電阻電容(RC)模塊、模擬信號前置放大模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊以及遠端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心構成。其總體框架如圖2所示。

圖2 匝間絕緣監(jiān)測系統(tǒng)框架

在發(fā)電機轉子兩端的接地碳刷和大地之間均接入RC模塊，用于獲取軸電壓信號。由于軸電壓和軸電流信號需要長距離傳輸，因此必須通過放大模塊進行放大處理。將放大后的信號輸入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊對軸電壓和軸電流信號進行濾波處理。軸電壓和軸電流信號經(jīng)過低通濾波后產(chǎn)生小于5 kHz的低頻信號，經(jīng)過高通濾波后產(chǎn)生高于50 kHz的高頻信號。低頻信號用于頻譜分析，得到發(fā)生匝間短路的特征量；高頻信號用于峰值檢測，通過高頻峰值超過閾值的次數(shù)判斷發(fā)電機軸頸的電腐蝕程度。對濾波后電路進行量程縮放，使其范圍適應于數(shù)據(jù)采集卡的工作。為了防止強電信號對采集卡和單板PC的損害，信號進入數(shù)據(jù)采集卡之前必須經(jīng)過電氣隔離電路。數(shù)據(jù)采集使用PC104采集卡，在Window XPE系統(tǒng)下通過C++編寫的MFC(Microsoft Foundation Classes)應用軟件實現(xiàn)。

3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計方案

3.1 雙端RC模塊

在汽機端和勵磁端分別安裝無源RC接地電路。該模塊不僅可用于采集軸電壓信號，且能起到抑制軸電壓過大的作用。勵磁側電刷通過R2=470 Ω與C1=10 mF并聯(lián)的RC電路接地，汽機側也通過并聯(lián)RC電路接地。勵磁側接地電阻設為汽機側接地電阻的470倍，是為了防止大軸通過雙側電阻接地而構成低阻回路。如果軸兩端有電壓差，就很容易導致回路中流過較大的軸電流，使大軸磁化。實際設計中勵磁側RC電路如圖3所示。

圖3 勵磁側RC電路圖

從R1處提取軸電壓信號，串入一個分壓電阻R3=0.1 Ω，用于軸電流測量。在勵磁側RC電路中串聯(lián)一個額定電流為2 A的熔絲；與熔絲并聯(lián)一個R4=10 Ω的電阻，以確保在熔絲熔斷的情況下，軸電流通過電阻回路而可靠接地。實際中設計一個低阻抗、高壓源的觸發(fā)元件，當電壓超過32 V時，這個觸發(fā)元件動作并建立一個短路通道，動作后電壓被限制在2 V之下。

3.2 模擬信號前置放大模塊

該模塊能對勵磁側和汽機側的RC模塊中軸電壓和軸電流信號進行放大處理，以防止信號因長距離傳輸而衰減，發(fā)生無法正常采集的現(xiàn)象。從勵磁側和汽機側的RC模塊到信號采集模塊的距離大約為30 m，小于1 V的電壓信號經(jīng)過長距離傳輸后基本衰減為0，因此必須對信號進行放大處理，同時要保持原始信號不失真。

3.3 數(shù)據(jù)采集與分析模塊

數(shù)據(jù)采集與分析模塊的硬件主要由EPC-1810數(shù)據(jù)采集卡和HC-GX600PC104主板構成。其中數(shù)據(jù)采集卡采用可編程增益，可選擇1倍、2倍、10倍等不同的放大倍數(shù)。輸入量程也可選擇0 ～5 V、0～10 V、-10～10 V等。其最大采樣頻率可達250 kHz，分辨率為12位。以輸入量程0 ～5 V、增益1倍為例，電壓最小分辨率為1.22 mV。

HC-GX600PC104是一款尺寸小(90 mm×96 mm)、能耗低(4 W)的X86嵌入式主板，最高頻率可達600 MHz，支持WinCE、Linux、Windows XPE等多種操作系統(tǒng)，板載256 Mbit內(nèi)存、8 Gbit工業(yè)級(Compact Flash，CF)卡。它通過以太網(wǎng)與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，轉換后數(shù)據(jù)也可直接保存在板載CF卡內(nèi)。

3.4 遠端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

遠端數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過上位機實時監(jiān)控被上傳的軸電壓和軸電流信號。當發(fā)生匝間短路故障時，系統(tǒng)會根據(jù)信號分析結果產(chǎn)生相應告警，以提醒運行值班人員處理異常。同時，系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生運行日志，以方便值班人員快速分析、查找發(fā)生故障的原因。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計方案

該監(jiān)測系統(tǒng)采用的嵌入式Windows XP Embedded 操作系統(tǒng)，既擁有Windows XP 專業(yè)版的所有功能和屬性，又具有Windows CE產(chǎn)品可根據(jù)應用需要任意裁減的特點。它內(nèi)核小，占用系統(tǒng)資源少，啟動速度快，擁有增強寫保護等XP系統(tǒng)所不具備的功能。

4.1 前端數(shù)據(jù)采集程序

系統(tǒng)采用的EPC-1810多功能數(shù)據(jù)采集卡能夠為用戶提供豐富的可調用函數(shù)。由于系統(tǒng)驅動程序采用面向對象的編程方式，因此要使用設備的各種功能，就必須首先采用CreateDevice函數(shù)創(chuàng)建一個設備對象句柄hDevice。有了該句柄，就擁有了對該設備的絕對控制權?？蓪⒃摼浔鳛閰?shù)傳遞給相應的驅動函數(shù)來調用。例如：InitDeviceProAD可以使用hDevice句柄，通過程序查詢方式初始化設備的AD部件；ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)可用hDevice句柄實現(xiàn)對AD數(shù)據(jù)的采樣讀??；ReleaseDevice函數(shù)可以將hDevice句柄釋放掉。

hDevice設備對象句柄產(chǎn)生后，便可以應用InitDeviceProAD函數(shù)設置數(shù)據(jù)采集程序中的參數(shù)。關于采樣通道、采樣頻率等參數(shù)的設置，由pADPara參數(shù)結構體決定。只要對pADPara參數(shù)結構體的各成員簡單賦值就可以實現(xiàn)硬件參數(shù)和設備狀態(tài)的初始化。調用StartDeviceProAD函數(shù)即可啟動AD采樣。使用ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)反復讀取AD數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)連續(xù)采樣。需要暫停數(shù)據(jù)采集程序時，則調用函數(shù)StopDeviceProAD; 需要結束數(shù)據(jù)采集程序時，則調用函數(shù)ReleaseDeviceProAD即可實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集程序的具體執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序的具體執(zhí)行流程

4.2 后臺數(shù)據(jù)分析軟件

針對軸電壓信號進行AD采集后，將數(shù)據(jù)存儲在服務器主機的MySQL數(shù)據(jù)庫中。MySQL是C/S體系結構的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有使用簡單、運行速度快、保密性強等優(yōu)點。它提供了針對不同編程語言的可調用函數(shù)，可以使用核心線程實現(xiàn)多線程操作。后臺的數(shù)據(jù)分析軟件通過調用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)對軸電壓信號進行傅里葉變換，可監(jiān)測運行狀態(tài)下轉子的匝間短路狀況。

5 監(jiān)測結果分析

目前，該絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)投入實際使用。對額定功率600 MW、極對數(shù)為1的汽輪發(fā)電機進行了在線監(jiān)測。圖5所示為監(jiān)測系統(tǒng)所采集正常運行狀態(tài)下軸電壓的頻域分析結果。正常軸電壓頻譜中主要含有50 Hz、150 Hz、450 Hz、750 Hz、1 050 Hz等奇次諧波成分。這些諧波主要是由汽輪發(fā)電機靜止勵磁系統(tǒng)中共模電壓產(chǎn)生的。而100 Hz、200 Hz、300 Hz等偶次諧波分量很小，幾乎為零。但是當發(fā)電機發(fā)生匝間短路時，軸電壓頻譜圖中除了原有奇次諧波外，偶次諧波成分也相應增加。

圖5 正常運行狀態(tài)下軸電壓的頻域分析結果

圖6 匝間短路后軸電壓的頻域分析結果

圖6所示為發(fā)生輕微匝間短路后軸電壓的頻域分析結果。其頻譜中出現(xiàn)了偶次諧波，而且300 Hz的偶次諧波分量明顯增大，可以作為發(fā)生故障的判斷依據(jù)。

對軸電壓諧波分量進行在線監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)隱極發(fā)電機轉子匝間短路故障，并判斷出故障的發(fā)展趨勢和嚴重程度。

6 結 語

本文設計了一種基于軸電壓監(jiān)測與分析的轉子匝間絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用發(fā)生匝間短路時單對磁極的汽輪發(fā)電機中軸電壓出現(xiàn)的偶次諧波作為判斷特征，對軸電壓信號進行采集、變換與處理，最終得到明顯的特征量，用于匝間絕緣在線監(jiān)測。該系統(tǒng)被應用在600 MW汽輪機上，有效監(jiān)測到了發(fā)生匝間短路的偶次諧波特征量，證明了其有效性和實用性。該系統(tǒng)安裝方便，抗干擾能力強，不影響發(fā)電機的正常運行，具有良好的開發(fā)應用前景。

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