（电机与电器专业论文）汽轮发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究.pdf

华l 艺毫力大学硕圭学位论文摘要 摘要 本文在传统探测线圈法检测发电机转子绕组匝间短路故障的基础上，利用小波 变换信号处理方法和虚拟仪器技术，对汽轮发毫概转予绕组匝闽短路故障检测进行 了研究。分析了发电机转子绕组匝间短路的故障机理和探测线圈法检测发电机转予 匿阆短路的诊断机理，将小波交换豹时频分解能力强的优点应用到了探测线圈法感 应电动势信号分析处理中，并用实验证睨了利用小波分解不同尺度能量的变化和小 波变换模极大值点可识别感应电势信号峰值的跳变，适合检测转子匝间短路，提高 了探测线圈法检测发电机转子匝间短路的准确度。针对发电机转子绕组动态匝间短 路难以检测诊断的难题，设计搭建了发电机转子绕组动态匝间短路故障检测的硬 件，并采用虚拟仪器技术l 曲v 琵w 语言设计开发了发电机转子绕缓动态匝闻短路 故障检测软件。动模实验证明开发的软件适合转子绕组动态匝间短路的故障检测。 关键词：转子绕组匝问短路，探测线圈法，小波交换，虚拟仪器技术 a b s t r a c t 孙ep a p e rc a r r i e do nt h e s t u d yf o rt u r b o g e n e r a t o rr o t o rw i n d i n gi n t e r t u r n s h o r t c i r c u i tf a u l td e t e c t i o nb a s e do nt h et r a d i t i o n a ld e t e c t i n gc o i lm e t h o dt h r o u g h c o m b i n a t i o no fw a v e l e tt r a n s f o r i l lt h e o r ya n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y f i r s to fa l l ， t h ef a u l tm e c h a n i s ma n dt h ed i a g n o s i sm e c h a n i s mo fd e t e c t i n gc o i lm e t h o dw e r e a n a l y z e d 珏ea b i l i t yo fw a v e l e tt i m e - f r e q u e n c yd e c o m p o s i t i o nw a st a k e na d v a n t a g eo f t h ea n a l y s i so fi n d u c t i v ee l e c t r o m o t i v ef o r c es i g n a l ，e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h e d i f f e r e n ts c a l ee n e r g yc h a n g eo fw a v e l e td e c o m p o s i t i o n ，a n dt h ew a v e l e tt r a n s f o r m m o d u l u sm a x i m ap o i n tt oi d e n t i f ye l e c t r o m o t i v ef o r c es i g n a lp e 呔d e p r e s s i o n 髓e d e t e c t i o nc o i lm e t h o da c c u r a c yw a si m p r o v e d t od i a g n o s et h ed i f f i c u l tp r o b l e mo f d y n a m i ct u r nt ot u r ns h o r t - c i r c u i t ，d e s i g na n db u i l dad y n a m i ct e s th a r d w a r e ，c o m b i n e d w i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yl a b v i e wl a n g u a g e 。d e s i g nf a u l td e t e c t i o n s y s t e mo ft h ed y n a m i cr o t o rw i n d i n gt u r nt ot u r ns h o r t c i r c u i t ，t h ee x p e r i m e n tp r o v e d t h a tt h es y s t e mi sf i tf o rg e n e r a t o rr o t o rw i n d i n gd y n a m i ct u r nt ot u r ns h o r t c i r c u i tf a u l t d e t e c t i o n z h a n gz h i m e n g ( e l e c t r i c a lm a c h i n e r ya n de l e c t r i ca p p l i a n c e ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n g - g a n ga n ds e n i o re n g i n e e r z h a n gj i a n z h o n g k e y w o r d s ：r o t o rw i n g d i n gi n t e r t u r n s h o r t e d ，d e t e c t i o nc o i lm e t h o d ，w a v e l e t t r a n s f o r m ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽轮发电机转子绕组匝间短路故 障检测的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毯叁丝 e t期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：0 学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缢王趁 e t 期：血2 磊盈参司 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大型汽轮发电机状态监测与故障诊断研究的意义 随着国民经济的发展，现代电力工业正朝着大机组( 高电压、大电流、大容量 机组) 、大电网( 多机互联区域联网、全国联网) 的方向发展。由于我囡长期以来 以煤炭为主的能源结构，电力系统中火j 力发电一直占据主要地位。到2 0 0 7 年底， 我国总装机容量为7 1 亿千瓦，其中，火电机组5 5 4 亿千瓦占7 7 7 ，水电机组1 4 5 亿千瓦占2 0 。( 数据来自中电联) 。匿家近几年对火电行进实行“上大压小捧， 即重点关停煤耗高、污染大、效率低的小火电机组，发展经济环保的大机组。冬发 电集团为了降低发电成本和适应节能减排降耗的要求，新建或要建的汽轮发电机的 单机容量越来越大，3 0 0 m w 、6 0 0 m w 及以上容量的大型发电机组已成为我国电网 的主力机组。同时，核电厂用的汽轮发电机容量更大，效率更高( 因核电厂蒸汽机 为低速枫，发电机多为四极、半速发电机) ，例如大亚湾核电厂机组容量高达9 0 0 m w ， 国外核能发电机最大单机容量己达1 5 0 0 m w ，据称采用e p r 技术的第三代核电机组 发电机单祝容燕麓达到王7 0 0 m w 。 发电机是电能生产的基本的设备，整个电网的心脏，同时，发电机又是机电密 度很高的电力设备，一旦出现故障，定、转子绕组、铁芯烧毁的几率比较高，容易 引起停电事故，由于大型汽轮发电机结构复杂，造价昂贵，一旦遭受损坏，需要的 检修期长，费用高。不仅会损坏昂贵的电机本身，减少发电量，造成电厂直接经济 损失，丽且还会对电力系统的安全可靠供电构成威胁，甚至造成大面积停电，影晌 社会其它部门的正常运转，造成巨大的社会经济损失。 据不完全统计，1 9 8 3 1 9 9 5 年间，2 0 台2 0 0 m w 国产汽轮发电机中，总共发生 2 4 台次的发电机定予绕组短路事故。1 9 9 3 一- - 1 9 9 5 年闻，容量为3 0 0 m w 及以上的发 电机发生事故总共1 3 8 台次，其中发电机本体故障为5 3 台次。 重9 9 l 1 9 9 9 年，陕西电网8 台3 0 0 m w 汽轮发电机共有6 台在运行中出现事故 或故障。 1 9 9 2 1 9 9 7 年，山东电网3 0 0 m w 发电机总共发生较大的故障或异常1 2 次。 1 9 9 1 - - - , 1 9 9 3 年，东北电嬲2 0 0 m w 及以上容量的汽轮发电枕共发生故障5 9 次， 平均故障率为0 4 7 次台。 多年来的事故统计分析结果表明，发电机发生的事故往往是由于对故障的早期 征兆缺乏认识或没有譬| 起足够的重视，来麓及时处理，扶焉导致故障进一步发展为 恶性事故，因此，为保证发电机的安全、可靠运行，需要我们紧密结合发电厂生产 1 华北电力大学硕士学位论文 实际，深入研究发电机各种故障的机理，即发生的原因、故障征兆特征、发展趋势 及其不良后果，并提出正确诊断、处理和预防的方法。基于此目的国内外电力科研 机构、企业、高等院校等从不同方面开展了发电机状态在线监测与故障诊断的研究， 就是从电气、机械等方面分析发电机各类故障的故障机理，通过发电机运行的各种 特征参数和其他诊断信息来识别发电机的状态，分析故障发生的原因并确定故障发 生的部位和严重程度，指出故障发展的趋势和后果，提出控制故障继续发展和消除 故障的运行维修的处理对策，从而实现从传统的预防性检修提高到预防性状态检 修，对提高发电机可靠性与有效性，提高电力系统运行效益，降低维修成本，具有 重要的意义。 1 2 大型汽轮发电机故障分类 汽轮发电机按其结构可以划分为几个大的子系统：定子、转子、氢、油、水系 统。要进行故障诊断，就应该首先对故障的性质有一个清楚的认识，因此对故障机 理的分析是必要的。故障机理的分析，即研究故障的分类、特性、表现形式和形成 的原因，是故障诊断的基础和前提。由于汽轮发电机是一个复杂的系统，因此故障 机理的研究是一个复杂的问题。通常采用层次分解技术，先将诊断对象的结构、功 能和故障分解成各个不同的层次，再根据各个层次的不同特点，从不同的角度用不 同的方法进行研究分析，最后将对象看成是一个整体，系统化地考虑各个层次之间 的相互关系、相互制约和相互影响。这种层次分解有助于机理分析的全面系统性和 有组织性，避免盲目性和重复作业。 汽轮发电机的故障比较复杂，很难用单一的分解策略，建立精确的分解层次。 在实际应用中通常是先按照模式特征分解成为轴系机械故障、发电机电气故障、辅 助系统故障等子集，再将每个子集进一步划分为二次故障甚至更下一层次的故障。 据统计，发电机7 0 的故障属于电气故障，本文主要研究的内容也属于发电机 的电气故障，图l 为汽轮发电机电气故障的一种分解方法口1 。 从图1 可以看出汽轮发电机的电气故障，包括定子故障、转子故障和冷却系统 故障。 ( 1 ) 定子故障 定子故障主要有定子绕组过热，定子绝缘损伤和定子接地。定子绕组故障的主 要原因有磨损、污染、裂纹、腐蚀等原因造成的绝缘失效和机械振动造成的槽部线 棒移位，冷却水泄漏。定子铁芯的故障主要是由于定子铁芯在制造安装过程中的机 械缺陷引起局部叠片间短路。定子故障的后果有定子接地，定子绕组绝缘击穿，定 子绕组绝缘烧损，定子绕组匝间短路、相间短路或三相短路，定子绕组烧损，定子 绝缘烧损，定子铁芯烧伤，爆炸事故等。 2 华北电力大学硕十学位论文 ( 2 ) 转子故障 转子故障分为转子绕组故障和转子本体故障，转子绕组故障又分为接地故障， 匝间短路和断线。接地故障和匝间短路主要是幽绝缘磨损引起，故障后果有转予两 点接地，转子绕组匝闻短路，转子绕组烧损，发电机失磁，发电机和汽轮机部件磁 化等。同时匝间短路还会出现磁通量的不对称和转子受力不平衡，引起转子振动。 断线主要是由接头开焊和热变形引起，断线后会产生电弧放电和电源电流波动。转 子本体的故障一方面表现为纯粹的机械故障，另一方面电源中的负序电压引起的转 子涡流损耗，会导致过热引发疲劳裂纹；电力系统大的瞬态过程也会对转子产生应 力冲击，引起扭振损伤。 组故障ii 芯敲 譬l 萎 位| | 醺l | 短 移l l 路l l 路 骥 统泄露 耋ll凳ll蒌ll薹ll蓁 图1 l 汽轮发电机电气敌障分解圈 ( 3 ) 冷却系统故障 水冷却系统的故障主要有定子断水、漏水，转子漏水故障。主要原因是冷却水 管道系统的材料缺陷、安装缺陷、枧械振动或嚣水中杂质造成的电腐蚀以及冷却器 泄漏，引起冷却效率降低，温度升高，线棒过热和绝缘热解。水冷却管道的异物堵 塞和气堵，空心导线的放电损坏也会导致电机过热，最终烧坏绝缘。敌障直接表现 形式是定子线捧和冷却水的温度升高，绝缘热鳃。故障的后果有定子绕组过热，定 子绕组绝缘降低，定子绕组接地，绕组短路或烧损，定子绕组或定子引出线烧损， 机组减受荷运行或强迫停运，发电机烧毁等。 3 定手梧部线羹故障一工 主绝缘损伤 肇乾哇砉力人学磁士学彼论文 汽轮发电祝躲勇类主要放障怒转子支撑辅系嚣飙搬鼓障：电枫转子本体、转 子支撑帮电极机架酶故障等。故障的常见形式有：不平德、不对中、转子裂纹、枫 械松动、轴承失效、油膜失稳等。转予轴系故障诊断主辩依据振动倍蟹的特征分析， 理论魄较成熟，实践经验也缀睾富。 汽轮发电机作为一个有机的整体，其故障往往并不燕接袭现为纯机械或纯电气 敛障，丽憝多嚣索多类擞故障嚣耦台，可熊存在故障溺的主觚联系藏褥时发生，丽 一释故障在不圊的系统中表现的症状逸不完全掏豫，蓊霹一症状有时代表嗣时发生 几种教障，郎有姥电气赦障与机械敞障存禚着交叉故障特征。 。3 汽轮发电枧状态盗测与故障诊断麓研究溉麓 麓着汽轮发奄视组南嵩参数、太容量方向发展，对槐组状态蓥测与赦藩诊赣魏 要求瞧越来越高。僖患技术和计算概技术的迅速发震以及备耱先进数学算法的蹬 现，为汽轮发电枫组靛降诊断技术豹发展提供了有利翡条件。人工智能、计算概黼 络技术和传感技术等己经藏为汽轮发毫枫组藏障诊断系统不可缺少鹣部分。蔽簿诊 断技术己逐步发展成为缣证发电设备安全可靠运行的重藤手段乏一，因而也成为匿 蠹辩诲多单髓正在霹究静一黯薪技拳。当蓊，煎赛主一楚国家汪采用秘芷在磅割鹩 发电机状态检测朔诊断罨统内容比较广泛，包括定子绕组、铁芯、转予、鳖油水系 统及撬组睾鸯系等番方蚕。 结合我匿电力王鼗发震瑷校、惑橇涮遗求平及遥著予年大型发毫辊多发牲事藏 的特点，对容量2 0 0 m w - - 6 0 0 m w 及以上的汽轮和水轮发电机，有必溪有选择地果 蔫缴下状态燕测系统嘲： ( 1 ) 定予绕组绝缘监测秃线电频率监测器( r f m ) 定子绕组端都振动监测器( s e v m ) ( 凄) 转予绕组瞪间短路监测器( r s 阳) o , b e r( 3 2 ) 式中：a 为尺度因子，也称尺度系数，b 为平移因子，也称时间位置参数。 设，( f ) r 僻) ，其积分小波变换定义为： 吗垆 s 时，( 6 为发电机气隙发电机值) 转子气隙空间各处主要分布的是高 频周期分量( 槽漏磁密) ；当26 b u i l da p p l i c a t i o no rs h a n dl i b r a r y ( d l l ) ，则会弹出b u i l d a p p l i c a t i o n 对话框。其中包括5 个界面：t a r g e t ，s o u r c ef i l e s ，v i s e t t i n g s a p p l i c a t i o ns e t t i n g s 和i n s t a l l e r 。 1t a r g e t 页面 罾霉曩雩盘燕盏翟暨蜜疆蟊篷翟壁篓璺篷鎏釜美釜羔趔型 t 自l 1 lq “* f h ； | _ - 二_ 一 竺：! m 。“5 h 粕“i e 茹l 。舞嚣：罢。 。蟹j 卜茹m 蠢j 霉燕蠹哆。_ 。7 7 7 剧i i “? 一 卜：黧蕊嚣慧勰菇i 。搿霈留 t赫：。囊+ 施i 毫= ；意苎蠹盖焉石翥兰z 誓= = ；吉叫 r_ ! ：；一。一 一 | | 荸：! 参i ? 鼍蠹墨一并! ：豢ir 毫：互毒_ r ：f _ _ - 一! _ _ - _ 。i 1 盥= 誊瑶：- ，：錾遮垂嚣：氢：。氍攀j 三叠垡。b 蘸j 图41 1b u i l da p p l i c a t i o n 对话框的t a r g e t 页面 t a r g e t 页面主要设定目标文件的相关信息，包括目标文件的名称、路径、支持 文件以及创建方式等内容，如图4 - 1 1 所示。 b u i l dt a r g e t ：创建程序类型，有a p p l l c a t l o n ( e x e ) 和s h a r e dl i b r a r y ( d l l ) 两种 可选项，本程序选择选择a p p l i c a t i 。n ( e x e ) 方式。 b u i l d f i l en a m e ：创建目标文件的名称。 d e s t i n a t i o nd i r e c t o r y ，s “p p o nd i r e c t o r y ：目标文件及相关支持文件的路径，b t 手 动设置。 b u i l do p t i o n s ：设置可执行程序的具体形态，第一项为将所有子程序都封装在 一起，形成个大的应用程序：第二项为将子程序所在的库文件菇享，让它们挂在外 面，在发布程序时将其起发布，这些库文件可以被其他程序调用，本程序选择第 5 1 华北电力大学硕士学位论文 一种方式。 2 s o u r c ef i l e s 页面 s o u r c ef i l e s 页面规定了应用程序源文件的相关信息和相互关系，创建应用程序 所用到的源文件按其在程序中的作用，分为顶层子程序、动态子程序和支持文件三 类。 顶层予程序是在应用程序运行时用以自动加载的程序，类似于一般编程语言的 主程序，通常顶层子程序要尽量地少；动态于程序是应用程序在运行过程中，需要 动态调用的子程序，它们可完成项目中的一个或多个功能，通常以程序库的形式保 存在适当的路径下；支持文件是一些与应用程序相关的文本文件或非l a b v i e w 环 境下的文件，它们中有的是必需的，也有一些是用以标识程序的。 3v i s e u i n g s 页面 v i s e r i n g s 页面可对应用程序中用到的所有程序的运行特点和保存方式进行设 置。此页面有9 个选项