王秋

(福建鴻山熱電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362712)

發(fā)電機(jī)絕緣損傷監(jiān)測(cè)診斷方法研究

王秋

(福建鴻山熱電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362712)

發(fā)電機(jī)絕緣損傷是威脅發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的主要原因，在發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)層次分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣振動(dòng)損傷和發(fā)電機(jī)絕緣熱損傷的機(jī)理、監(jiān)測(cè)方法、分析診斷方法進(jìn)行了探討，最后闡明使用多特征屬性距離診斷法對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣狀況進(jìn)行綜合診斷。

發(fā)電機(jī)；絕緣；振動(dòng)損傷；熱損傷；多特征數(shù)據(jù)診斷

1 引言

近年來(lái)，發(fā)電機(jī)事故率有上升趨勢(shì)，200MW及以上發(fā)電機(jī)事故占事故總臺(tái)次的比例不段上升。由于發(fā)電機(jī)的絕緣性能將影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，并會(huì)帶來(lái)直接和間接的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。因此研究發(fā)電機(jī)的絕緣故障原因，對(duì)其故障狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)電機(jī)的連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少絕緣事故造成的停機(jī)是非常重要的[1-2]。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全的主要威脅之一來(lái)自其絕緣體系，這是由發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行條件決定的。發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)是由不同耐熱等級(jí)的絕緣材料組合而成的固體(槽部)和固一氣(端部)結(jié)構(gòu)，其絕緣強(qiáng)度沒(méi)有自恢復(fù)性。雖然在設(shè)計(jì)時(shí)要求它具有相當(dāng)?shù)哪蜔岬燃?jí)、足夠的電氣強(qiáng)度、優(yōu)良的機(jī)械性能和良好的工藝性，但制造過(guò)程中的偶然因素可能給它留下先天的缺陷，而運(yùn)行過(guò)程中的放電、電磁力、熱應(yīng)力、濕熱環(huán)境、有害的活性氣體、油污、粉塵更會(huì)造成其性能的逐漸劣化，并且這種劣化過(guò)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(diǎn)，它就很可能發(fā)展成擊穿短路事故[3-4]。

2 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)層次分析

層次分析方法(Analytical Hierarchy Process， AHP)是一種定性的多準(zhǔn)則決策方法，把系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素以及內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入分析后，構(gòu)建一個(gè)有序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)模型，使專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)層次化，為求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題提供一種簡(jiǎn)便的分析診斷方法。發(fā)電機(jī)是機(jī)電的耦合系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)劃分可以把發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分為定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)層下又可以劃分為部件層。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次分析可以用圖1 表示。

3 絕緣振動(dòng)損傷監(jiān)測(cè)診斷方法

振動(dòng)作為每個(gè)機(jī)械都不可避免，可以作為反映設(shè)備健康狀況的一個(gè)特征量，可以通過(guò)研究振動(dòng)確定設(shè)備的狀態(tài)。發(fā)電設(shè)備狀態(tài)正常時(shí)，其表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)特征量如頻率、振幅等變化不太明顯。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備的特征量的數(shù)值變化比較大時(shí)，表明設(shè)備可能沒(méi)有運(yùn)行在正常的工作狀態(tài)，可以通過(guò)分析這些振動(dòng)特征量來(lái)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特征主要有以下幾點(diǎn)：

圖1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)層次分析

(1)振動(dòng)故障的漸變性

與其他的旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速比較低，一般每秒鐘只有幾轉(zhuǎn)相對(duì)一些發(fā)電機(jī)的每秒鐘幾十轉(zhuǎn)小很多。因此大部分故障特征不明顯，是漸進(jìn)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(guò)程。這些漸進(jìn)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(hào)，進(jìn)行相關(guān)趨勢(shì)分析，從而做到早發(fā)現(xiàn)早治療,提高設(shè)備的維護(hù)效率。

(2)振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜多樣性

發(fā)電機(jī)組動(dòng)水壓力形成的振動(dòng)；設(shè)備內(nèi)部機(jī)構(gòu)各部分相互作用形成的機(jī)械振動(dòng)；設(shè)備內(nèi)部電磁作用力不平衡形成的電磁振動(dòng)，這些因素是發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的重要原因，加上發(fā)電組的組成比較復(fù)雜、體積比較大，同時(shí)這些因素都是相互耦合的，可能是某一方面或者幾個(gè)方面同時(shí)作用在機(jī)組上，導(dǎo)致振動(dòng)組成復(fù)雜，表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線(xiàn)性，很難用單一模型去描述。

(3)振動(dòng)信號(hào)的因果非對(duì)稱(chēng)性

振動(dòng)信號(hào)一個(gè)特征可能有多個(gè)因素導(dǎo)致的，同時(shí)單個(gè)振動(dòng)因素可以在振動(dòng)信號(hào)的多個(gè)方面反應(yīng)。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(duì)應(yīng)的因果關(guān)系。

(4)振動(dòng)信號(hào)的不規(guī)則性

電廠(chǎng)的選址、設(shè)計(jì)、施工受地理位置和技術(shù)條件的限制，同時(shí)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(chǎng)之間、不同機(jī)組之間的振動(dòng)情況有很大的不同，特征的不規(guī)則性明顯。所以，設(shè)計(jì)統(tǒng)一的振動(dòng)狀態(tài)分析系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)不同的電站環(huán)境非常的困難。振動(dòng)信號(hào)的復(fù)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(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備振動(dòng)故障的特性、位置、大小，難以建立具體、全面描述的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步導(dǎo)致振動(dòng)故障診斷的發(fā)展比較緩慢。為了保證發(fā)電機(jī)組能夠正常運(yùn)行就必須有完善的信號(hào)分析和采集系統(tǒng)，通過(guò)提取振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)特征量來(lái)確定設(shè)備是否需要檢修，使得振動(dòng)監(jiān)測(cè)真正意義上向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變。

信號(hào)采集是指通過(guò)傳感器把能反映設(shè)備特征振動(dòng)信號(hào)測(cè)量出來(lái)，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備變換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信息。信號(hào)分析是把數(shù)據(jù)卡采集回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理、綜合、分析，使得處理后的信號(hào)可以反映出設(shè)備狀態(tài)信息。使用現(xiàn)代信號(hào)采集與分析方法，可以極大地提高設(shè)備的維護(hù)效率，使得針對(duì)設(shè)備的問(wèn)題的處理更有針對(duì)性，節(jié)約大量的人力和物力，提高發(fā)電設(shè)備的可靠性。目前很多信號(hào)分析技術(shù)都是隨著快速傅里葉變換(FFT)的使用發(fā)展起來(lái)的，如傳統(tǒng)用于發(fā)電機(jī)組故障診斷方法主要有頻譜分析、功率譜估計(jì)和相關(guān)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(shù)分析領(lǐng)域。由于發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)比較復(fù)雜，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)使用頻譜分析經(jīng)常只能粗略的知道發(fā)電機(jī)組是否存在故障、以及一些明顯故障的嚴(yán)重程度的信息，很難對(duì)故障的發(fā)生的具體部位進(jìn)行判斷，一般只用于發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)易診斷。為了得到設(shè)備狀態(tài)的具體信息，人們不斷引入最新的信號(hào)分析方法包括短時(shí)傅里葉變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?、小波分析等。其中小波分析作為一種現(xiàn)代的時(shí)頻分析方法，與傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法相比，更加適合處理非平穩(wěn)信號(hào)和突變信號(hào)，突出信號(hào)在時(shí)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(hào)采集和分析技術(shù)可以與專(zhuān)門(mén)的信號(hào)處理設(shè)備或者帶有虛擬儀器軟件的計(jì)算機(jī)相結(jié)合，繼而實(shí)現(xiàn)多角度對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行觀察。

4 電機(jī)絕緣熱損傷與熱應(yīng)力分析方法

上世紀(jì)80年代，由于溫度和熱應(yīng)力等引起的發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不斷出現(xiàn)，尤其在發(fā)電機(jī)起停過(guò)程中，電機(jī)溫度驟變會(huì)引起很大的熱應(yīng)力，發(fā)電機(jī)很容易發(fā)生故障(如圖2所示)。

4.1 電機(jī)溫度場(chǎng)分析方法

電機(jī)的溫度與熱力學(xué)計(jì)算的發(fā)展，主要決定于電機(jī)溫度計(jì)算的發(fā)展。近年來(lái)，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(jì)算方法，計(jì)算得到了一個(gè)完整定子在鐵心的溫度分布；英國(guó)學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗及溫度進(jìn)行了計(jì)算，分析了非正弦電流諧波引起的損耗對(duì)溫度的影響，并制作了樣機(jī)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；挪威學(xué)者對(duì)變速異步電動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行了研究，分析了電力電子器件、電壓電流波形、開(kāi)關(guān)頻率等電機(jī)控制部分對(duì)電機(jī)溫度的影響。

圖2 發(fā)電機(jī)硅鋼片故障實(shí)例圖。

國(guó)內(nèi)對(duì)電機(jī)的發(fā)熱與冷卻問(wèn)題的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代，中國(guó)電力科學(xué)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(jì)算了發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和暫態(tài)三堆溫度場(chǎng)。90年代，哈爾濱理工大學(xué)的湯蘊(yùn)璆、張大為等用數(shù)值方法計(jì)算了大型水輪發(fā)電機(jī)定子最熱段溫度場(chǎng)，魏永田、張靜等對(duì)水輪發(fā)電機(jī)定子溫度及散熱系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了研究，李偉力等對(duì)水輪發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。

進(jìn)入 21 世紀(jì)，電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)值的計(jì)算開(kāi)始向多元耦合物理場(chǎng)過(guò)渡。華北電力大學(xué)的羅應(yīng)立，王紅宇，李和明等分別采用非線(xiàn)性熱-流體耦合網(wǎng)絡(luò)和熱-流體耦合單元的三維非線(xiàn)性有限元溫度場(chǎng)模型，對(duì)兩種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較研究；浙江大學(xué)的夏海霞，姚纓英等對(duì)大型發(fā)電機(jī)端部電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合分析進(jìn)行了研究；華北電力大學(xué)的李俊卿，采用混合單元法對(duì)發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析與計(jì)算；采用混合坐標(biāo)系，研究了發(fā)電機(jī)的電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合關(guān)系。

4.2 電機(jī)熱應(yīng)力分析方法

在電機(jī)熱應(yīng)力方面的研究以故障和壽命為主。澳大利亞學(xué)者對(duì)電場(chǎng)、熱場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合計(jì)算進(jìn)行了研究；西屋公司對(duì)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)定子熱應(yīng)力進(jìn)行研究；印度學(xué)者對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣的熱應(yīng)力與老化進(jìn)行了研究；加州學(xué)者對(duì)空載和負(fù)載兩種情況下發(fā)電機(jī)的熱應(yīng)力和轉(zhuǎn)子疲勞進(jìn)行了研究；德國(guó)學(xué)者對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度與熱應(yīng)力進(jìn)行了研究。

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

5 發(fā)電機(jī)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(duì)復(fù)雜設(shè)備的故障診斷方法，通過(guò)對(duì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的故障特征屬性量化，建立起故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性，通過(guò)求解被檢故障特征屬性與標(biāo)準(zhǔn)屬性之間的距離，得到故障診斷結(jié)果。避免了采用單一屬性進(jìn)行故障診斷造成的診斷片面性和不準(zhǔn)確性。假設(shè)反應(yīng)設(shè)備故障狀態(tài)的特征參數(shù)有n個(gè)，則故障模式Mi可以用特征屬性的集合來(lái)表示，Mi={Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin}，其中Xij為標(biāo)準(zhǔn)的故障特征屬性值。設(shè)備有m個(gè)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(biāo)準(zhǔn)集。建立的故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣如下：

(1)

上式表示的故障標(biāo)準(zhǔn)特征屬性矩陣包含了m個(gè)故障模式，每一個(gè)故障模式包含了n個(gè)特殊屬性。

設(shè)被檢故障特征屬性集合為M′={x1，x2，x3，…，xn}，通過(guò)求解M′與Mi的特征屬性距離，來(lái)判斷M′與Mi的相似程度，得出診斷結(jié)果。多特征屬性距離求解公式如下：

(2)當(dāng)Di值最小時(shí)，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(jié)論

本文首先解析了發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)層次分析，其次分析了發(fā)電機(jī)絕緣振動(dòng)損傷特征和監(jiān)測(cè)分析方法，再次給出了發(fā)電機(jī)絕緣熱損傷中溫度場(chǎng)分布與熱應(yīng)力的分析方法，最后提出了應(yīng)用多特征屬性距離診斷發(fā)電機(jī)絕緣狀況的方法。

[1] 李憲棟，唐新文，石月春，等.發(fā)電機(jī)局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用探討[J] .水電能源科學(xué)，2011，10:150-154.

[2] 姚林朋.發(fā)電機(jī)局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)多代理專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué)，2007.

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

[4] 萬(wàn)元.大型發(fā)電機(jī)局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與分析方法研究[D].華中科技大學(xué)，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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)。冉玘泉(1987-)男，碩士，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電、智能配電網(wǎng)控制技術(shù)。

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

TM31

B