基于机电量关联分析的发电机定子端部绕组劣化诊断方法

摘要

本发明涉及大型汽轮发电机组的发电机定子绕组运行安全监测，公开了一种基于电气量和机械量同步测量和关联分析的具有高灵敏度和高可靠性的在线诊断发电机定子绕组端部劣化的方法。该方法以高采样率测量发电机定子三相绕组端部励磁侧及汽机侧振动量，同时测量发电机定子绕组三相电流，利用定子三相电流突变量识别电力系统故障和操作下的电气冲击，计算定子绕组机电特征分量并做历史记录，累计绕组振幅随绕组电流大小变化的样本数据。通过实测振动与历史样本记录中等值电流的振动数据的比较，识别发电机定子端部绕组劣化。该方法具有自适应发电机定子绕组电流大小变化的能力，且利用电力系统的电气冲击诊断定子绕组端部劣化具有更好的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及大型汽轮发电机组的发电机定子端部绕组劣化的在线诊断，属于发电机组在 线监测、故障诊断和状态检修领域，以及发电厂主设备智能监控管理领域。

背景技术

大型发电机组是电力系统最关键、最重要的设备，对电力系统的安全异常重要。发电机 组的故障包括机械故障和电气故障两类，其中电气故障不仅导致发电机损坏，还可能威胁区 域电网的稳定，导致大停电；机械故障则可能导致发电机组乃至发电厂被摧毁，带来重大人 员、设备及环境的损失。

大型发电机组是典型的旋转机电设备。振动监测对发电机组的安全运行是至关重要的。 振动监测可分为对发电机组轴系扭振的监测、对轴承、轴瓦的振动监测以及对发电机定子绕 组端部的振动监测等。严重的轴系扭振可能导致发电机组轴系的机械损伤，并且发电机组轴 系扭振与电网的动态过程密切相关，扭振监测的目标是识别轴系的安全以及对电网稳定的威 胁；对轴承、轴瓦的振动监测用于识别轴承、轴瓦的损伤、动静摩擦、支撑刚度弱化以及轴 系不对中、转子不平衡等；对发电机定子绕组端部的振动监测，是对机械结构的薄弱环节的 监测，薄弱环节易于受损，直接反映定子端部的机械结构健康状态，以及设备内部的电气故 障征兆。

定子绕组运行在高电压、高温和较大的机械应力下，其制造过程考虑了大量的电磁、机 械和热稳定问题，设计十分复杂。定子绕组在发电机端部伸出铁芯外相互连接，构成定子绕 组回路。绕组线棒在端部出口处被拉牢和封闭，在发电机的两端形成篮状。大型汽轮发电机 组在长期运行过程中，因定子绕组端部过大的振动会导致绕组固定压板、垫块绑扎等的损坏、 鼻端导体及引水导线振动疲劳断裂、引起线棒绝缘磨损或焊缝振裂，进而发生发电机定子端 部线棒的短路和烧毁等事故，甚至导致灾难性的事故，损失严重。大型发电机组是非常昂贵 的电力核心设备，研究定子绕组端部振动机理、特征及在线故障诊断技术对延长机组的使用 寿命、延长维修周期、对提高发电机组和电网运行安全、改进机组的结构设计等方面都具有 重要意义。由于电网与发电机组的相互影响，电网的动态过程对发电机组振动有很大影响， 对发电机组振动的识别也间接体现了对电网动态扰动的辨识。

电气量的作用是导致发电机定子绕组端部振动的直接原因。发电机定子、转子的电磁耦 合中存在复杂的电磁场相互作用，电磁力导致铁芯及定子绕组的振动。其中定子端部绕组的 支撑结构是典型的悬臂梁，其振动最为严重。机组在稳态运行时，定子绕组端部主要承受两 种稳态交变荷载。最主要的交变荷载是绕组中的电流与漏磁通之间的相互作用力，它引起定 子绕组端部以两倍系统频率振动，其幅值沿圆周为椭圆型并以系统频率旋转。另外，定子铁 芯承受转子磁拉力引起的两倍系统频率的振动，而定子线棒固定在铁芯槽内，故定子绕组端 部也承受该频率下的振动。虽然漏磁场复杂，但其中端部绕组主要受到的电磁力(除直流分 量外)为二倍频(对旋转频率为50Hz的发电机而言即100Hz)的电磁力而产生振动，这一激 振力沿圆周方向呈椭圆分布。如果端部绕组结构的固有频率与这种电磁振动力的频率相等或 接近时就会产生共振，或较大的振动力将会导致绕组松动、导线断裂，损坏绝缘，最终导致 发电机端部绕组劣化，引发绝缘故障。

大型发电机组定子绕组端部振动在线监测一直是机组状态监测中的难点。发电机定子绕 组端部振动的研究和监测技术源自于北美和欧洲，早期的端部振动监测技术受传感器抗电磁 干扰能力的约束，实用性很差。发电机定子绕组端部振动的研究停留在对定子端部结构的模 态试验测试，以及临时的振动在线测量方法与技术层面。自90年代末基于光纤传感技术的电 磁干扰免疫的端部振动监测系统被推广使用，至今发电机端部振动监测的实践主要集中于研 究适合测量端部绕组振动的传感器技术及测量系统，现有的定子绕组端部振动在线监测系统 通常在定子绕组端部装设振动传感器，定时测量绕组端部的振幅，现有文献的采样率为秒级 或分钟级，仅凭端部绕组振动幅值的相对比较以及振幅限值推断端部绕组的劣化情况，并形 成历史记录，供维护人员日后分析。

目前发电机定子端部绕组劣化的诊断技术仅参照端部振动幅值，而定子绕组端部振动与 发电机定子绕组电流有关，发电机不同工况下的振动不具有可比性，因此现有的振动监测方 法过于简单，实用性不强。另一方面，通常在发电机稳态运行中定子绕组端部的振动差异性 不大，只有在发电机中流过瞬时的故障电流才能引发定子绕组的严重振动，而现有的振动监 测系统采样率很低，不能捕捉到电气故障和扰动冲击下的定子绕组端部振动，因此端部绕组 劣化识别的灵敏度、可靠性都不能令人满意。

我国国家标准规定了发电机定子绕组端部模态试验分析方法及评定准则，对新交接发电 机的振动固有频率及模态有明确的规定；规定了发电机定子绕组端部振动测量方法及评定准 则，规定了发电机正常运行时的定子端部倍频振动的位移峰-峰值限值以及位移峰-峰值的变 化区间限值。对于运行多年的大型发电机组，通常通过改造装设端部振动监测装置；对于新 制造的大型发电机组，端部振动监测逐步成为出厂标准配置。随着国内大机组投运的快速发 展，大型发电机组端部绕组的振动问题受到高度重视。

发明内容

本发明涉及大型汽轮发电机组的状态监测，针对发电机定子绕组的在线监测和故障诊断 技术，公开了一种基于电气量和机械量同步采集和关联分析的识别发电机定子绕组端部劣化 的方法。该方法以高采样率同步采集端部绕组振幅和绕组电流，关联分析振幅相对于电流的 变化趋势，从而评估端部绕组的健康状态，具有更高的可靠性；并且能够捕捉记录电气扰动 冲击及故障下的状态量，由于电气冲击下的振动远大于稳态运行下的振动，因此电气冲击下 的定子绕组端部振动特征具有更高的灵敏度和检测价值；该方法具有自适应定子绕组电流变 化的能力，具有高可靠性和灵敏度，能够识别出定子绕组初期阶段的轻度劣化。

发电机定子绕组端部在漏磁场中受到较为复杂的电磁力，其中最主要的是基波漏磁场和 导体中流过的基波主电流相互作用，会产生二倍频的电磁振动力，电磁力的表达式见下式：

f₁＝BLI          (1)

式中B-漏磁场的磁感应强度(wb/m²，即T)；

I-导体中的电流(A)；

L-导体的长度(m)。

由于磁感应强度B与电流I成正比，所以电磁力f₁正比于I²，因而绕组振幅A与绕组电 流的平方I²成正比，即A∝I²。而流过发电机定子绕组的电流并不是恒定值，电气扰动或故 障会导致电流的短时变化，不同工况下电流也是随发电机的出力而变化。因此现有的只测量 振动幅值，而不考虑绕组电流，仅凭的振幅限值及振幅变化限值的经验值对端部绕组的健康 状态作出诊断和报警的方法是不实用的，不能反映出端部绕组劣化的趋势。

电力系统的运行状态分为稳态和动态。电气冲击短时存在，包括发电机或电网发生电气 故障、可感知的电网开关操作。大的电气冲击是电力设备或线路短路引发的，继电保护动作 切除故障后冲击消失，对于主保护动作切除故障的电气冲击持续时间通常为60～100ms；小 的电气冲击是电力系统运行操作带来的，例如投切变压器、投切线路等，不存在电力系统的 运行恢复，直至建立新的运行稳态。现有文献中的振动监测系统的采样率低，仅针对稳态运 行的工况下的发电机定子绕组的振动状态判别发电机定子绕组的健康状态，不能捕捉到足够 的电气冲击下的振动数值，由于冲击电流远大于稳态电流，故冲击电流下的振动响应也更强。 以高采样率同步采集电气冲击下的端部绕组电流和绕组振动，以电气冲击为激励，具有更灵 敏的对端部绕组劣化的识别能力。

该方法同步测量发电机定子三相绕组端部励磁侧、汽机侧振动幅值与发电机定子三相电 流，并形成历史记录。依据三相电流变化量区分稳态工况和暂态工况。稳态工况时，依据历 史数据形成历史样本记录，以历史样本记录为参考，电流为索引，判断振幅的变化量，振幅 的变化量的离散度、以及振幅变化量的趋势，当监测的特征量超过设定值时认为发电机定子 绕组端部劣化并告警。

利用定子绕组电流突变量识别暂态工况，即电力系统故障和操作下的电气冲击，绕组振 动在电气冲击激励下同时发生，记录每次冲击下的三相电流和绕组振动，形成历史记录；以 每次电气冲击的强度为索引，在历史冲击样本中查找参考样本，用来比较振动特征。通过计 算电气冲击下的正序电流、负序电流，区分对称性冲击和非对称性冲击。对非对称性冲击， 包括单相接地、相间短路、两相接地等，采用绝对检测方法，即不按序分量，而是按三相电 流的平方来度量冲击强度，按A、B、C三相绕组分别计算电流的平方，以相电流的平方为索 引，判断绕组振幅的变化量，以及振幅变化量的趋势，不处理三相离散度，不做三相振动之 间的比较。对称性冲击时，如三相短路、运行中的操作等，可以相电流的平方为索引，需要 比较三相之间的振幅变化的离散度；还可以正序电流的平方来度量冲击强度，与历史电气冲 击的特征向量比较，识别电气冲击下的定子绕组端部振动劣化情况。

利用电气量和机械量同步采集和关联分析的识别发电机定子绕组端部劣化的具体步骤和 技术要点如下：

1)在发电机定子绕组端部的励磁侧和汽机侧的三相绕组引出线上分别装设6支振动传感 器，其中a、b、c每相各2支。利用发电机定子三相电流互感器测量定子三相电流。以不低 于3.6KHz的采样率对振动信号和定子三相电流同步采样。

2)定时20ms对振动和电流采样信号做窄带带通数字滤波处理，提取电流的50Hz工频分 量I，去除直流分量，并计算电流的平方I²；提取振动信号的100Hz分量的振幅A；生成特 征向量W，W＝{I、I²、A}。

3)通过发电机定子三相电流相邻一周波的突变量识别发电机的运行工况，捕捉电气扰动 冲击。当满足式(2)时，认为发生了电气冲击，否则判别发电机处于稳态工况。

|I_a(k)-I_a(k-1)|＞△I_ZD或|I_b(k)-I_b(k-1)|＞△I_ZD或|I_c(k)-I_c(k-1)|＞△I_ZD   (2)

式中|I_a(k)|和|I_a(k-1)|分别为a相绕组当前第k个周波和上一周波的电流，△I_ZD为相邻 周波电流变化量的阈值。

4)发电机处于稳态工况时，对各振动测点，以本次测量的相电流I为索引，在历史样本 记录W中查找对应的基准振幅A_S，计算等值电流下的实测振幅A_i相对于基准振幅A_S的振幅变 化量△A_i，当△A_i超过振幅变化量限值△A_set且超过限值的时间超过时间定值T_set时，发出端部 绕组劣化告警信号；计算各振动测点的△A_i的离散度D_Ai，当D_Ai超过振幅变化量的离散度限 值D_set且超过限值的时间超过时间定值T_set时，发出第i个振动测点端部绕组劣化告警信号。

△A_i＝A_i-A_s       (3)

D_Ai＝｜E_Ai-E_A|       (4)

式中：i＝1，2，…，12；

$E_{\mathrm{Ai}}=|\Delta A_i-\overline{\Delta A_i}|$$E_A=\frac{\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}|\Delta A_i-\overline{\Delta A_i}|}{6}$

5)当发电机处于暂态工况，即发生了电气冲击时，计算该次冲击的发电机定子绕组正序 电流I₁和负序电流I₂，利用序电流的相对大小判断是对称性冲击还是非对称性冲击。对称性 冲击的特征是负序电流I₂和零序电流I₀均趋于零值，当I₁＞5I₂时，判为对称性冲击，否则 为非对称性冲击。保存历史样本记录Z₁，Z₁＝{I₁，I₁²，A}。零序电流I₀、正序电流I₁和负 序电流I₂的计算公式如下面的式(5)，I₀、I₁、I₂是相量的有效值。

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_0\\ {\stackrel{·}{I}}_1\\ {\stackrel{·}{I}}_2\end{array}\right)=\frac{1}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_a\\ {\stackrel{·}{I}}_b\\ {\stackrel{·}{I}}_c\end{array}\right)---\left(5\right)$

式中：$a=e^{j120}=-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2}$

$a^2=e^{j240}=-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2}$

6)对于对称性电气冲击，可以相电流的平方度量电气冲击强度，也可以正序电流的平方 度量电气冲击强度，定义振动特征向量{I_i，△A_i，D_Ai}；当以正序电流的平方I₁²度量电气冲击 强度时，即令I_i＝I₁，按公式(5)计算正序电流I₁以及I₁²，以正序电流I₁为索引，在历史样 本记录Z₁中做插值计算，得到基准振幅A_s。若本次电气冲击的特征电流I_i位于I_p与I_q之间， 即I_p＜I_i＜I_q，则I₁对应的样本记录中的基准振幅A_s为：

$A_s=A_p+(A_q-A_p)\frac{I_i^2-I_p^2}{I_q^2-I_p^2}---\left(6\right)$

当以本次测量的相电流的平方I²度量冲击强度时，应在历史样本记录W中做插值计算， 得到基准振幅A_s。

计算振幅变化量ΔA_i及其离散度D_Ai，计算方法同步骤4)。定义振幅变化量限值△A_setc，振 幅变化量超过限值的时间定值为T_setc，对端部绕组劣化的判别方法同步骤4)。

7)对于非对称性冲击，只能以相电流的平方度量电气冲击强度，定义振动特征向量 {I_i，ΔA_i}，不计算和判别振幅变化量的离散度。对数据的处理方法和判别准则同步骤6)。

附图说明

图1为绕组振动和绕组电流同步测量的示意图。在定子绕组端部的励磁侧和汽机侧分别 装设6支振动传感器，每相绕组各2支；利用发电机定子三相电流互感器测量定子三相电流， 测量装置同步采集各个测点的振动信号和电流信号。

图2为采用线性插值在历史样本记录中获取基准振幅的过程。若本次实测的电流为 I_i，查询对应的历史样本记录，找到最接近于I_i的I_p与I_q，即I_p＜I_i＜I_q。做线性插值，获得 基准振幅A_s。

图3为发电机定子端部故障诊断流程图。首先同步采集发电机定子绕组励磁侧和汽机侧 端部振动和定子三相绕组电流；以20ms为计算周期，提取绕组端部振动的100Hz分量的振幅 A，提取绕组电流的50Hz分量I，计算生成历史样本记录W，W＝{I，I²，A}；计算当前周期的 电流相对于上一周波的电流变化量△I，若产生电流突变量，则判定产生了电气冲击，否则判 断发电机为稳态运行状态；当产生了电气冲击时，需计算正序电流I₁和负序电流I₂，并生成 历史样本记录Z₁，Z₁＝{I₁，I₁²，A}，用于度量电气冲击的强度；比较正序电流I₁和负序电流 I₂，判断电气冲击的类型，当I₁远大于I₂时，判定为对称性冲击，否则判断为非对称性冲击。

当发电机为稳态运行、对称性电气冲击或非对称性电气冲击状态时，均可以本次测量的 相电流的平方I²为索引，在历史样本记录W中，检索到I²等值的基准振幅值，或通过插值找 到I²等值的基准振幅值，比较本次测量的振幅值与基准振幅值，得到振幅的变化量ΔA_i；当 发电机为稳态运行、或对称性电气冲击状态时，还需计算各测点的振幅变化量的离散度D_Ai； 当发电机为对称性电气冲击状态时，还可以本次测量的I₁²为索引，通过历史样本记录Z₁，得 到本次振幅的变化量ΔA_i，以及振幅变化量的离散度D_Ai。当发电机为非对称性电气冲击状态 时，不计算振幅变化量的离散度D_Ai。

当振动测点的本次振幅的变化量超过对应限值且超过限值的时间超过相应的时间定值 时，判定该测点的端部绕组劣化，发出告警信号。

定时将样本数据、计算的特征值存入历史记录，用于对端部绕组的状态做趋势分析和综 合分析。

具体实施方式

在发电机定子端部的励磁侧和汽机侧绕组上装设振动传感器，采用光纤传感器；利用发 电机定子三相电流互感器测量发电机定子绕组三相电流。测量装置用3.6kHz采样率同步采集 各振动信号和电流信号；测量装置完成特征值计算、逻辑判别与报警、样本数据存储，按照 图3完成数据处理。测量装置通过以太网与监测主站连接，向主站上传采集和计算的振动和 电流数据，监控主站实现人机交互和系统维护及管理。