发电机间（共8篇）
发电机间 篇1
0 引言
发电机匝间短路故障虽然发生的机率不高,但后果严重,应引起重视。目前,对发电机匝间故障的保护有横差保护、纵向零序电压保护、转子二次谐波电流保护等。其中,横差保护对定子绕组的匝间短路和相间短路均有较高的可靠性和灵敏性,而且能反映定子绕组开焊故障,因此发电机能装设横差保护是较为理想的保护方案。但是使用横差保护的必要条件是发电机定子绕组中性点侧必须引出6或4个端子。在某厂机组中,发电机中性点只有3个引出端子,没有装设横差保护的条件,现场应用的是纵向零序电压式匝间保护,曾发生过误动作事件,实践证明该保护的性能并不是特别完善。
1 事件简述
1.1 匝间保护电压回路改动
某发电机出口PT(1YH、2YH、3YH)的二次电压回路是通过二次航空插头引至接线端子,再从端子箱经电缆连接到发变组继电保护屏。由于机组运行中的振动,引起PT二次插头接触不良,发变组保护经常出现电压回路断线告警。为了解决这个问题,对电压回路改动,取消二次插头,直接把PT二次线接至端子。
1.2 匝间保护误动作
完成PT二次电压回路改动后,机组在带负荷260 MW正常运行中,突发“发电机匝间保护”光字牌报警,发电机跳闸,机炉电大联锁动作,机组全停。事后检查,发电机出口第2组PT(2YH)的开口三角绕组A相根部接线错误,引起三相电压失去平衡,产生零序电压,加入匝间保护,导致匝间保护误动作。
2 事件分析
本次匝间保护误动作事件暴露出几点问题:如现场图纸误差、维护不当、专业管理不当、工作人员思想麻痹大意等人为因素。但是,从继电保护基本原理和常识上看,在二次电压异常的情况下,应有相关元件将保护闭锁,保护不应误动作。因此,旧型纵向零序电压式匝间保护原理存有缺陷,也是造成保护误动作的主要原因之一。下面重点从保护方面作出分析。
2.1 原纵向零序电压式匝间保护原理
2.1.1 纵向零序电压的取向
原发电机匝间保护是采用反应发电机纵向零序电压的基波分量。纵向零序电压取自发电机专用PT(2YH)的开口三角型绕组。此专用PT的一次绕组中性点与发电机中性点N直接相连且不接地。
2.1.2 对三次谐波电压的处理
纵向零序电压中三次谐波不平衡量由保护装置的数字傅氏滤波器滤除。为准确灵敏地反应内部匝间故障同时防止外部短路时保护误动,本方案以纵向“零序”电压中三次谐波特征量的变化来区分内部和外部故障。
2.1.3 PT断线的闭锁
为防止专用PT断线(譬如一次保险熔断)时误动,本方案采用电压平衡继电器作为互感器的断线闭锁。
2.1.4 两段式保护
Ⅰ段为次灵敏段(3U0h):动作值按躲过外部故障时可能出现的基波不平衡量整定,保护瞬时出口。
Ⅱ段为灵敏段(3U0l):动作值按可靠躲过正常运行时出现的最大基波不平衡量整定,并利用“零序”电压中三次谐波不平衡量的变化来制动,保护带0.1～0.5 s延时出口以保证可靠性。
2.2 原纵向零序电压式匝间保护存在的问题
(1)对于纵向零序电压式匝间保护,由于发电机制造上的原因,正常运行时会出现三次谐波电势,这就使得在正常运行或区外故障时,当短路电流较大时,由于发电机电枢反应磁通的波形畸变得非常厉害,产生的三次谐波往往经三次谐波过滤器后还有相当高的值。在电压互感器开口三角绕组上出现较大的零序电压引起保护误动作。
(2)纵向零序电压式匝间保护取的零序电压来自专用PT。此电压的一、二次回路存在断线、接地、人为误接线、误动、误碰的可能性,也容易引起保护的误动作。这也是本事件中提及的“匝间保护”误动作的主要原因。虽然保护设置PT断线闭锁功能,但是基于电压平衡原理的PT断线元件,采纳的电压是机端PT(1YH和2YH)的三相绕组,对于开口三角绕组的异常,PT继线闭锁功能不起作用。
3 防止保护误动的措施
3.1 引入负序功率作为闭锁元件
为防止区外故障或其他原因(例如,专用PT回路有问题)产生的纵向零序电压使保护误动,引入负序功率方向闭锁。增设负序功率方向元件以判定发生在发电机内部还是外部系统中,即依靠负序方向元件,与纵向零序电压元件组成“与”门输出。目前流行的纵向零序电压式匝间保护逻辑框图如图1所示。
3.2 引入负序功率方向元件的依据
一切发电机内部的定子绕组短路或断线(开焊)均属于不对称故障,理论上的三相对称短路对定子绕组实际是不存在的;对于大型发电机,机端引线大都采用分相封闭式母线,因此保护区内机端故障也绝非是三相对称短路,可见发电机内部故障均可视为不对称的。
发电机正常运行时,决无负序功率输出;当发电机内部故障时,由于上述不对称性,必有负序功率输出;当外部系统存在不对称短路或不对称负荷时,负序功率一定是由外部系统流入发电机。因此,负序功率的流向是判别发电机内部是否发生故障的确切判据。这就是利用负序功率方向作为纵向零序电压式匝间保护的闭锁元件的基本依据。
4 负序功率闭锁判据方向正确性检验
现场应用中由于二次电流、电压回路接线方式的不同,为了保证保护的可靠,应采用机组启动时带负荷试验来检验负序功率动作方向的正确性。
4.1 试验条件
发电机并网运行,发电机负荷为0.1～0.2Se(Se为发电机的额定视在功率),潮流方向是发电机送出有功及无功。暂时退出发电机匝间保护压板。在带负荷检查其方向正确性之前,首先应了解负序功率方向元件的作用是允许式还是禁止式。所谓允许式是指动作后,允许匝间保护出口跳闸,而禁止式则相反。
4.2 试验方法
试验方法为发电机内部不对称故障二次模拟法,即在保护装置的端子排上模拟故障。现场负序功率方向保护用CT二次三相电流及PT二次三相电压接入保护柜后端子排上。
首先用专用短路线在端子排外侧将电流端子IA、IB、IC及IN可靠短接起来。然后,在端子排的内侧将引至保护的IB线与IC线相互换接(即IB线接在IC端子上,而Ic线接在IB端子上)。在端子排外侧将进线UB与UC换接(UB线接UC端子,而UC线接UB端子)。此后打开端子外侧IA、IB、IC及IN的短接线。
观察并记录保护装置显示的负序功率的计算值。此时,若保护的计算功率为正值(即功率方向元件动作),则说明发电机送出负序功率,保护的方向是正确的;若相反,说明保护的动作方向不正确。当实际证明负序功率方向保护的动作方向不正确时,可通过改变微机保护装置的整定值控制字来改变动作方向。方向元件的控制字有“0”及“1”,它们代表两个不同的方向。
4.3 试验的安全措施
在短接CT二次三相电流时,应采用专用的短接线短接,禁止用导线缠绕来代替专用短接线。在换接电流线及拆除短路线时,应确知流经该线的电流接近零,严防CT二次开路。在换接PT二次电压线时,严防PT二次接地或短路。在试验操作过程中,应有专人监护。操作人员应带绝缘手套,使用专用工具,以确保人身安全。
5 负序功率作为闭锁元件的弱点
引入负序功率方向元件作为纵向零序电压式匝间保护的闭锁判据,防止了保护误动,但又产生了新的问题,那就是保护存在拒动的可能性。
由于发电机正常运行时,外部系统的不对称(三相负荷不对称、三相输电线换位不充分等)而存在流向发电机的负序功率,使发电机内部轻微故障时负序功率方向元件拒动,所以这种保护方案的灵敏度不高。
发电机并网以前发生内部短路时,发电机断路器或发变组高压断路器尚未合闸,定子电流为零(实际有升压变压器的励磁电流,但很小),任何发电机内部故障(短路或断线)均只有负序电压,但负序电流恒为零,即负序功率恒为零,这时保护拒动。这是负序功率方向保护元件的固有缺点,即在发电机启动过程中该保护失去作用。
6 结语
纵观上述分析,纵向零序电压式匝间保护并不简单,根据现场应用表明,此保护动作的灵敏度不高,还可能引起某些误动或拒动,因此不能认为是一种值得推荐的发电机内部故障主保护方案。只是在汽轮发电机中性点侧只有三相3个引出端子,且仅有完全纵差而无横差保护时,为了增设定子绕组匝间短路保护,此方案可供选用。对纵向零序电压式匝间保护的现场应用,必须加强管理,做好对保护的定检、二次回路的维护、保护定值的优化整定、对PT二次侧开口绕组的三次谐波实测等几个方面来保证保护的可靠性。
参考文献
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[3]王维俭,桂林,王祥珩.论大型发电机微机主保护设计的科学性.电力自动化设备,2002(2)
发电机间 篇2
【关键词】RSO；交流阻抗；极平衡；匝间短路
1.情况简介
珠海发电厂2号发电机转子于2009年12月被检查出3号线圈出现金属性匝间短路的故障，后送上海电机厂修理，修后发电机转子于2010年2月送回我厂，RSO、交流阻抗和极平衡等交接试验数据都在标准合格范围内。2011年1月，2号机停机进行检修，试验人员在对发电机转子进行常规性试验时，发现多项试验的数据再次超标，经过反复试验和多方验证，结合红外热成像技术，确定了转子8号线圈出现非金属性匝间短路。最后，上海电机厂技术人员在现场对转子进行了拔护环，发现故障点与试验分析的结果一致，并在现场对故障点进行了处理。
2.RSO试验
停机后第3天，检修人员按计划安排了转子在停盘车状态下的重复脉冲RSO试验。RSO试验波形如图1示，波形存在明显的不重合的地方，试验人员分析波形后，认为转子极2的#7线圈与#8线圈的过桥线偏#8线圈处可能存在大量油污或接近金属性的绝缘损坏故障。为了进一步确认转子的故障类型，便于制定检修策略，试验人员对转子进行了一系列的电气试验。
3.转子膛内电气试验检查
在打开励端上端盖后，广东电科院和电厂试验人员进行转子交流阻抗与功率损耗试验、转子极平衡试验、线圈电压分布试验等检查。
3.1 转子交流阻抗及损耗试验
打开励端端盖后，试验人员立刻进行了交流阻抗和损耗试验的测量，结果如表1：
试验分析：从交流阻抗和损耗试验看，对比2010年修复后数据，交流阻抗降低2.99%，损耗偏差2.88%，变化不明显，《电力设备预防性试验规程》及西屋公司(珠海电厂发电机为西屋公司产品)没有给出具体标准，暂无法通过交流阻抗的数据来对转子的故障情况进行准确的判断。
3.2 转子极平衡试验
做完交流阻抗和损耗试验后，在同样的电压下，进行了极平衡的测量，数据见表2，历史数据见表3：
试验分析：根据西屋公司的转子绕组极平衡试验的标准要求，两极之间的电压平衡度偏差不得大于试验电压的2%，以200V为参考，即4V。从表2中的试验数据可见，目前#2发电机转子绕组两极之间，施加电压低时，电压平衡度偏差不大；当电压达到200V时，偏差达到了8.3V，超出了西屋公司的极平衡试验的标准要求（4V），转子的绝缘状况和施加电压呈反相关的联系，说明转子绕组的两极在电气上已失衡，可能存在匝间绝缘损坏的故障，但又不是完全的金属性短路。
3.3 线圈和匝间交直流电压分布试验
下表4为施加电压为200V下的电压分布和每个线圈上电压降，图2为对应于表4的两极下线圈电压降的折线图。注：图2中，系列1表示极1下每个线圈电压降，系列2表示极2每个线圈电压降。表4中，S表示导电螺钉(即电压的施加点)，序号1-S表示测量1号线圈到导电螺钉的电压差，同理可得2-S…8-S；序号1…8表示1到8号线圈上电压降。
试验分析：从转子线圈交流电压分布试验可以看出，当试验电压为200V时，极1的各个线圈电压降基本平衡，极1和极2的1至7号线圈上电压降也基本吻合，而极2的8号线圈电压降明显偏离极1的很多，从趋势可以判断，极2的#8号线圈存在匝间绝缘损坏故障，图2的折线图更直观的印证了以上结论。
4.转子膛外检查和故障点的确认
根据转子膛内的试验情况，分析认为#2发电机转子极II的#8号线圈存在非金属性的匝间短路故障，为了确认转子的故障类型，技术人员决定抽出转子做进一步检查和试验。
4.1 高纯氮气吹扫、清洁
根据前面RSO试验分析认为转子极2的#8号线圈可能存在大量的脏污物以及内窥镜发现通风孔内有异物，如果是污物导致的转子绕组匝间绝缘损坏的话，检修人员采取了用白布清洁结合高纯氮气吹扫（0.1MPa）的措施。但是，在进行大量和长时间高纯氮气吹扫后，再次复测了极平衡试验，没有明显的变化，电压偏差还是很大。
4.2 故障点的发现
在完成膛外电气试验后，我们对极2的#8线圈进行检查过程中，使用红外热成像仪检测转子绕组温度。因膛外电气试验进行了比较长的时间，如果转子绕组有局部的绝缘缺陷的话，故障点处的绕组温度肯比正常处高。事实也是如此，相对比转子绕组其他地方，发现在极2励端右侧护环下8号线圈拐弯处有明显的发热现象，红外热成像仪拍摄的温度分布图如图3，经过对试验数据的分析和温度分布图的反复确认，基本可以确定故障点就在极2励端右侧护环下8号线圈拐弯处。图4为转子膛外励端实物图。
最后，在转子护环拔出并充分冷却后，试验人员和上海电机厂技术人员进一步进行了电气试验复核，基本可以确定故障的只有一处。故障点在极2的8号线圈励端护环下拐弯处3-4匝间，匝间绝缘损坏，转子绕组间出现非金属性匝间短路。
5.总结
结合现场拔护环后发现的转子非金属性匝间短路点来看，RSO试验的结果有一定的参考价值，可以对转子的故障情况进行初步的判断；极平衡、交流阻抗与功率损耗试验是用于判断转子匝间短路的常见手段，对于发现转子匝间故障有良好的应用效果；而匝间电压分布试验，结合红外测温技术的应用，在机组检修的早期，能迅速准确的进行故障确认及定位，有很好的推广和借鉴意义，有助于检修人员迅速展开转子修理的前期准备。
参考文献
[1]徐雯霞.发电机转子绕组匝间短路测试分析[J].南京工业职业技术学院学报,2006(02).
[2]贺小明.对发电机转子匝间短路故障测试方法的探讨[J].广东科技,2009(24).
作者简介：黄超（1984—），男，湖北仙桃人，工学学士，现供职于广东珠海发电厂，主要从事发电厂电气设备高压试验。
发电机间 篇3
上海漕泾热电有限公司燃机循环机组受天然气供应限制和为上海化学工业园区供热,发电机组主要是“以热带电”,发电机在电网中起到调峰作用。燃机发电机启停较频繁,由于燃机机组启动都是通过变频拖动,所以燃机发电机启动时其转子、定子均有电流、电压。燃机发电机转子容易引起匝间短路( 匝间短路分动态和静态两种情况) ,转子绕组匝间短路是燃机发电机运行中常见的故障,当短路发生时,将使转子励磁电流增加、绕组局部温度升高、短路点出现铜线烧损和加速绝缘损坏的现象和事故。此外还会因为热不平衡引起机组的振动值异常增加,危害机组的安全运行[1,2,3,4]。
通过配置燃机发电机转子匝间短路故障检测装置,可以实时地对发电机转子波形进行在线监测。通过对比波形来判断转子状况,若有问题可迅速作相应的检修处理[5,6,7]。避免产生突发性重大事故而造成的经济损失。因此,对发电机转子匝间绝缘状况进行动态监测和分析是非常必要的。
1 RSM型转子匝间短路监测系统的功能和组成
1. 1 转子匝间短路监测系统的组成
RSM型转子匝间短路监测系统是以电机转子旋转状态下探测线圈动态波形法为基础研制的动态监测分析系统,具备在机组运行时对转子磁场波形进行在线监测和分析功能。系统软件采用Windows界面,操作灵活简单,能够方便地进行采样、分析、显示以及存档打印。如图1 所示,系统主要由探测传感器元件、传输电缆、计算机采集处理分析系统等组成。计算机采集处理分析系统由采集模块、计算机和专用分析软件组成。
1. 2 探测线圈法
探测线圈法最早由英国学者Albright首先提出。这种方法是在定、转子之间的气隙中固定一只带有几十匝的小型线圈探测传感器,并用环氧聚合物包裹起来,并采用了实心圆盘防护罩将它永久性地安装在定子槽楔上,在转子旋转过程中,转子表面的磁通在该线圈中产生感应电势,根据此电势波形是否发生畸变来分析、判断转子绕组是否存在匝间短路,通过分析所记录的磁通波形数据,就可以确定故障位置。
1. 3 主要功能
( 1) 实时波形显示。通过观察波形特征值,可以判断中等和严重的转子匝间短路。
( 2) 根据实时波形,用相应判据通过专用程序进行判断。可以判断轻微转子匝间短路或不稳定匝间短路。
( 3) 数据记录和统计功能。记录波形特征变化,建立数据库,用于匝间绝缘状态的长期分析判断。如果出现转子线圈匝间短路,可以通过软件判断把故障区域定位到2 个槽以内。
1. 4 系统配装
上海漕泾热电燃机发电机为美国GE公司制造,额定容量278MVA,静态励磁,出厂日期为2004 年9 月,投产日期为2005年6 月。在6 k V公用段开关室设置燃机发电机转子匝间短路在线检测装置柜。燃机发电机定子铁芯槽部均装有探测传感器,探测传感器位置在靠近发电机励端定子线棒近阶梯上部,在发电机定转子间隙间,形状: 5 mm直径圆柱,长度为5 cm; 由燃机发电机车面励端侧JB509 箱TA端子引接屏蔽电缆ZR - KVVP2 - 0. 45 /0. 75 4X1. 5 到6 k V公用段开关室内燃机发电机转子匝间短路在线检测装置柜。与计算机采集处理分析系统配套使用。定期进行数据采集和分析,由于机组和传感器的差异对磁场波形的影响,对燃机发电机转子进行现场录取波形并进行程序调试。
2 录波测试
2. 1 发电机转子录波测试
图2 - 5 为从燃机发电机转子探测传感器录取的转子波形,可看出燃机发电机转子波形是单相正弦波,波形及宽度是比较对称的,录取波形时需采用高分辩率示波器( 如宽带超过200 M的泰克示波器) 以清晰录取波形。
2. 2 监测分析系统
将录取的波形作为标准图形灌入程序,以便与燃机发电机转子运行时的波形进行比较。当燃机发电机转子存在匝间短路故障时,转子波形是不对称的,且波形会畸变。计算机采集处理系统由工控机、16 位PCI接口A/D数据采集板组成。程序屏幕显示探测线圈感应电势波形,可以根据JB/T8446 - 1996 判据来判定结果。
由图6 可知,其中结果栏显示的结论包括正常、可疑和短路,除了文字显示还会用绿色、黄色和红色的背景颜色来标识,分别对应监测结果为正常波形、可疑波形、短路波形的情况。判定结果为“短路”时,表示该监测数据严重超标,如果该槽长期连续出现超标,则可以初步确认为存在匝间短路现象; 判定结果为“正常”时,线圈应不存在匝间短路的情况; 判定结果为“可疑”时,表示同号线圈可能存在匝间短路,后续应加强监测,结合历史故障特征统计数据及发电机大修时发电机转子电气试验( 交流阻抗试验,开口变压器试验) 结果,综合判断该发电机转子是否存在匝间短路或进行相应处理。
3 结束语
对发电机转子进行在线状态监测,不但是保证设备长期安全稳定运行的关键,更是国家标准要求和状态检修发展的趋势。依据燃机发电机的实际情况,选择适合设备实际情况的检测方法,制订具体方案并实施,可提高设备的状态检测水平,有效地避免事故的发生,提高设备运行的安全性和可靠性,最终提高企业的经济效益。
参考文献
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发电机间 篇4
双馈异步风力发电机做为三相交流电机,在运行过程中,其主要部件定子在热、电、机械、环境应力等共同作用下,经常发生匝间短路故障,其发生率约占定子故障的50%[1,2,3,4,5,6,7,8]。目前国内外不少学者对双馈风力发电机匝间短路故障开展了一定的研究[9,10,11],本文在此基础上,利用有限元分析方法,建立了双馈异步风力发电机模型,对双馈异步发电机发生定子绕组匝间短路故障后定子电压进行分析,发现定子电压中会产生零序电压分量,并对定子零序电压的大小及受影响的因素进行分析和研究。
1 匝间短路故障时零序电压产生的机理
假设定子绕组A相发生匝间短路故障,短路部分将会有短路电流if流过,如图1所示。
设每相定子绕组的匝数为N1,短路匝数为Nf,短路电流为
式中:If为短路电流的有效值,ω1为电源频率对应的角速度,βf为短路电流的相位角。则短路电流产生的磁动势Ff在转子坐标下的表达式为
式中:Kf为常数,p为极对数,k为磁动势的谐波次数,ωr为转子转速,θ′为转子坐标下的机械角度。则磁动势Ff在转子坐标系中产生的磁密为
对式
其中n=0,1,2分别对应转子A、B、C三相。
根据磁感应定律,并结合式(2)可得到转子绕组在短路电流产生的磁场作用下的感应电势。设转子绕组的等效阻抗为z=Z∠φ,则对应的转子绕组感应电流为
简化得
式中,If1和If2分别表示两部分电流的幅值。则上述转子感应电流产生的合成磁动势F
其中v为磁动势F
式中:θ为定子坐标下的机械角度,θ=θ′+ωrt。
当k=1,v=1时,即只考虑磁动势Ff和F
式中:B1项是以ω1反向旋转的磁场,B2项是以ω1正向旋转的磁场。由于它们相位分别为±pθ,与三相定子绕组交链和感应的电势分别为反转(a-c-b)和正转(a-b-c)依次达到最大值,因此不产生零序电压。由式(3)、(4)可比较正反转磁场幅值的大小,除去相同的部分,B1的系数为ω1+pkωr,B2的系数为ω1-pkωr。当k=1时,由ω1-ωs=pωr可得ω1+pkωr=2ω1-ωs,ω1-pkωr=ωs。明显2ω1-ωs≫ωs,即:定子匝间短路电流产生的反转磁场远大于正转磁场,说明定子绕组匝间短路故障将引起较大的负序电流[12]。这表明可利用定子的负序电流分量做为定子绕组匝间短路的故障特征量,与文献[10]吻合。
当k=3,v=1时,即只考虑磁动势Ff的三次谐波和虑磁动势F
式中:B1项是以ω1反向旋转的磁场,B2项是以ω2正向旋转的磁场。由于3pθ的缘故,定子三相交链和感应电势是同相位的,将在定子绕组中感应基波零序电压。因此,定子匝间短路电流产生的三次谐波磁动势将会产生基波零序电压。据此,选取定子零序电压作为电机定子绕组匝间短路故障的特征量,可以有效诊断电机的定子故障。
2 匝间短路故障的模拟方法
电机的定子绕组发生匝间短路故障后,其阻抗参数随之发生变化,通过对故障后阻抗参数的计算即可实现对匝间短路故障类型和程度的定量分析[13]。
定子绕组每相电阻为
式中:N1为每相串联的匝数,lc为线圈半匝平均长度,Ac1为导体的截面积,a1为相绕组并联支路数。
绕组每相的主电抗为
式中:λm为主磁路的磁导率,μ0=0.4π×10-6H/m,f为频率,m为相数,p为极对数,Kdp1为基波绕组系数,lef为电枢的轴向计算长度。
绕组的漏抗为
式中:∑λ=λs+λv+λt+λE,其中λs、λv、λt、λE分别为槽比漏磁导、谐波比漏磁导、齿顶比漏磁导、端部比漏磁导。
假设有n匝线圈发生短路,用N1′=N1-n代替式(5)和式(6)中的N1,即可计算出故障后的定子阻抗参数,从而建立定子匝间短路故障严重程度的定量分析模型。
3 零序电压的计算与分析
以Flux为仿真平台,通过改变电机定子绕组的匝数和阻抗值的大小,建立双馈异步风力发电机不同程度故障情况下的模型,对电机定子匝间短路故障进行了仿真计算。仿真电机的定子、转子额定电压为380、184V,额定电流为12.5、20A,额定功功率为5.5kW,额定转速为1 445r/min。
电机发生定子匝间短路故障,最直接的反映是定子绕组中出现零序电压分量,零序电压的大小通常用均方根值来计算[14]:
式中:v0表示零序电压的基波分量,N为采样数据长度。
在转速恒定,电网需求功率等于风力发电机额定功率的条件下,对理想发电机进行仿真分析,通过改变模型短路匝数和短路电阻,得到不同短路情况下的定子零序电压,即可得到零序电压幅值与短路匝数的关系,如图2 所示。
图2表明:电机发生定子绕组匝间短路故障后,定子电压中将出现零序电压分量,其数值随匝间短路故障严重程度的加剧而增大。
4 电源不对称的影响
实际中电机的供电电源不可能时时刻刻保持对称,当电源不对称时,尽管电机三相绕组完全对称,定子中也会出现零序电压。将供电电源设置如下:
在此不对称的电源下,零序电压随短路匝数的变化情况如图3所示。可以看出,在电源不对称的情况下,电机正常时也会出现零序电压。另外,零序电压易受电源不对称的影响,在相同短路故障情况下普遍比电源对称时的值要大。所以,利用零序电压诊断电机的定子匝间短路故障时,需要补偿电源的不理想状况,或者在检测到电源对称时才能用零序电压作为故障特征。
5 负载变化的影响
上述仿真分析是在电机额定负载情况下进行的,而实际中负载是变化的。对电机在电源对称下1/3负载、2/3负载情况下两者之间的关系进行了仿真计算,如图4所示。
由图4可看出,在相同程度的故障情况下,零序电压分量的数值随电机负载的增大而有微弱减小,表明电机输出功率的增加对零序电压分量影响很小。因此,基于零序电压诊断双馈异步发电机定子绕组故障在轻载特别是空载状态下是有利的。
6 结 论
1) 电机在定子发生匝间短路故障后,会在定子中产生零序电压,并随着故障严重程度的增加而增大。
2) 零序电压易受电源不对称的影响,利用零序电压诊断电机的定子匝间短路故障,需要补偿电源的不理想状况,或者在检测到电源对称时才能用零序电压作为故障特征。
3) 零序电压也会受到电机负载情况的影响,但影响不大,零序电压随电机输出功率的增大有微弱的减小,这为基于零序电压的故障诊断带来方便,轻载状态诊断比满载状态诊断有利。
摘要：提出利用零序电压对双馈异步风力发电机定子匝间短路故障进行诊断的方法。在对定子绕组匝间短路故障零序电压分量产生机理进行分析的基础上,提出以零序电压作为故障特征量进行故障诊断。建立双馈异步风力发电机仿真模型,通过改变模型中短路匝数和短路电阻实现了匝间短路故障模拟。对发电机在转速恒定条件下的不同状态发生定子绕组匝间短路故障进行了仿真研究。结果表明:定子发生匝间短路故障后,会在定子中产生零序电压,并随着故障严重程度的增加而增大;零序电压会受到电源不对称和负载情况的影响,且随着负载的增大有微弱减小,利用零序电压进行故障诊断时,需要补偿这些非电机故障因素的影响。
发电机间 篇5
大型汽轮发电机转子匝间短路故障在发电厂屡有发生,此类故障会造成发电机带无功能力下降、转子接地、磁化、机组振动甚至被迫停机,因此要重视发电机转子匝间短路故障。发电机转子匝间短路故障的判断方法较多,影响测试结果的因素也较多,发电机转子匝间短路故障的分析应采用多种方法综合分析、判断。本文就A电厂原2号发电机转子绕组匝间短路故障用交流阻抗和功率损耗、交流电压分布、发电机短路曲线三种方法,结合发电机运行状态下带无功能力下降、调节励磁时伴随有较大振动等异常现象来综合分析。
1 A电厂原2号发电机转子绕组匝间短路情况简介
A电厂原2号发电机系罗马尼亚提供给我国的330 MW火电机组,该发电机是罗马尼亚引进法国ALSTHOM技术生产的,1995年出厂,1998年4月投产发电。2005年2号发电机因定子绕组绝缘故障停机转入大修,该电厂电气试验人员按照《电力设备预防性试验规程》的要求,对2号发电机转子做膛外交流阻抗试验,试验中发现2号发电机转子交流阻抗和功率损耗较2003年有较大变化,试验人员结合现场实际条件,排除了剩磁、试验接线、线径、表计误差、环境等影响因素,怀疑2号发电机转子绕组存在匝间短路故障。为了进一步确定,试验人员对2号发电机历史数据进行整理分析,同时对机组运行情况进行调查。调查发现:2号发电机运行中频繁出现振动超标问题;带无功能力明显下降;调节励磁时伴随有较大的振动;发电机汽机前箱频繁打齿轮;该发电机端出现励磁机断轴事故。作为一个大的轴系系统,以上几个主要事故不可避免地对发电机转子绕组造成影响,发电机带无功能力下降和励磁调节时出现大的振动是转子匝间短路故障在运行中的现象[1],它也反映出2号发电机转子绕组存在匝间短路故障。
2 A电厂原2号发电机转子绕组匝间短路故障分析过程
现行《电力设备预防性试验规程》要求:发电机转子直流电阻与原始数据比较变化不超过2%,交流阻抗和功率损耗与原始数据比较不因有明显变化[2]。表1是A电厂原2号发电机转子绕组历年膛外交流阻抗和功率损耗数据。由表1看出:转子绕组直流电阻变化不大,但是交流阻抗呈下降趋势,功率损耗呈上升趋势;2003年功率损耗增长8.91%,交流阻抗下降2.88%,交流阻抗下降虽不多,但功率损耗明显增长,这组数据反映出该发电机转子在2003年已经存在轻微匝间短路的可能性,只是当时未引起注意,未作进一步的检查。
直流电阻灵敏度较低不能作为判断匝间短路的有效方法,交流阻抗和功率损耗是判断转子匝间短路故障比较灵敏的方法,但是影响因素较多[3]。为了进一步确定转子匝间短路故障的存在,2005年2号发电机大修时,在东方电机厂技术人员的帮助下,电气试验人员从2号发电机转子滑环端通风口用带有绝缘的探针分别测量两个磁极和两个磁极上各对称槽绕组的分布电压,以确定转子绕组匝间短路是否真实存在。转子交流分布电压法接线见图1,测试位置、数据见表2。对于交流分布电压法的判断标准东电技术人员建议:各对称位置电压不平衡≥3%怀疑匝间短路,各对称位置电压不平衡≥5%视为匝间短路。发电机的两个磁极是对称的,正常情况下各对称位置分布电压也是对称的,如果发电机转子绕组出现匝间短路,则故障槽绕组分布电压相比对称槽绕组的分布电压低。分布电压与交流阻抗成正比例关系,交流电压分布法影响因素少、结果准确可靠。通过表2看出:转子两滑环加交流电压100 V,外滑环至中心线(磁极1)比内滑环至中心线(磁极2)分布电压低10 V,证明外滑环至中心线间7个槽绕组有匝间短路,其幅值达10%;外滑环至中心线第1-6槽比内滑环至中心线第1-6槽分布电压低8.4 V,匝间短路幅值达8.4%;其他对称槽分布电压基本平衡。交流分布电压法测量结果表明:外滑环至中心线第5-6槽存在匝间短路故障,其幅值达8.4%。
2005年7月大修结束,按照《电力设备预防性试验规程》要求进行2号发电机空载、短路试验,试验人员对2003年与2005年的空载、短路特性进行了比较分析,发现空载、短路曲线分别出现较大幅度的下降,这一现象也反映出2号发电机转子存在匝间短路故障,图2是2003年与2005年短路曲线图,从图2中可以清楚地看出2线较1线明显下降。
3 小结
近年来投运的大机组较多,当前的绝缘材料和工艺使大型发电机单纯的绝缘事故减少,大机组的振动现象成为主要问题,而发电机转子匝间短路故障是大型机组产生振动的一个主要因素。结合A电厂原2号发电机转子匝间短路反映出来的情况,提出以下建议:
(1)转子交流阻抗下降3%左右时应引起注意,注意功率损耗上升情况、运行状态中无功有无下降情况、励磁调节时是否伴随有较大振动,此外还因结合检修对发电机转子进行详细检查试验。
(2)建议加装转子匝间短路故障在线检测装置,可以直观准确地进行发电机转子气隙漏磁感应电势波形的录取察看来判断有无转子匝间短路。
参考文献
[1]张亚磊,段志善.国产600 MW汽轮发电机组轴系异常振动分析与处理[J].陕西电力,2010,38(1):64-66.
[2]DL/T596-1996,电力设备预防性试验规程[S].
发电机间 篇6
“转子”存在于任何旋转式的发电机中。对于大型发电机转子电气状态是否良好, 我国有一整套完善的测试方法和标准, 如GB/T 1029-2005《三相同步电机试验方法》、GB 50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》等。但对遍布全国各地不计其数的中小型发电机转子而言, 由于测试条件的限制, 有时可能无法严格按照规程实施。然而, 因制造瑕疵、运行中系统冲击、使用日久绝缘老化等原因, 发电机转子匝间短路故障经常发生。轻微的匝间短路对运行没有太大影响, 但若不及时发现和处理, 故障将进一步扩大, 会造成转子因磁场畸变而使机组振动加剧, 励磁电流增大、发热、无功出力受限, 也可能造成两点接地产生很大电流而损坏转子, 甚至引起线圈烧毁而酿成事故。
1 常规试验方法
常用的试验方法有下述两种: (1) 测量转子的直流电阻, 将测量数值与产品出厂数值换算至同温度下的数值进行比较, 其差值不超过2%为正常[1,2]。此方法对大范围匝间短路检测可靠, 但对环境温度和转子温度要求苛刻, 且国家规定的2%差值实际不能灵敏检测仅发生于一、二匝间的短路, 因而需配合其他方式使用。 (2) 测量转子绕组的交流阻抗和功率损耗。此法测量转子各个磁极的交流阻抗, 将结果相互对比, 如果没有明显差别, 即判断为没有匝间短路。这两种方法对于检查大型发电机 (励磁电压高、线圈电阻大, 交流阻抗大) 反应比较灵敏, 但由于影响交流阻抗的因素较多, 如转子的物理结构等, 且由于机组容量不同, 有时难以在现场找到量程合适的功率表。因此, 上述两种方法不适用于中小型发电机。而其他测量方法如微机在线检测等先进技术, 由于结构及成本原因也不适用于中小机组。
实践证明, 对于中小型发电机使用电压分布法更简单有效, 因此本厂20多年来一直采用此法, 在3台机组中多次发现问题并迅速修复。
2 电压分布法试验实例
广东汕尾市南告电厂的1#至3#机组是韶关水轮机厂1982年生产的, 出力15MW, 额定电压6.3kV, 8磁极显极式转子, 转子额定励磁电压Un=172V, 属中型发电机。在历年预防性试验中, 由于转子单个磁极的试验电压较低 (约15V) , 一直未能找到量程合适的标准功率表, 采用常见功率表测试因量程较大 (75V×5A以上) , 存在指针偏转过小而误差很大的情况, 因此一直未能准确测试出单个磁极的功率损耗。针对这种情况, 在检查是否存在匝间短路时, 我们采用了电压分布法, 即在相同电流下测量各磁极线圈的电压降。实践证明, 该方法可以快速找出故障点。
在最近一次大修时, 将机组转子吊出膛外, 按图1接线进行匝间短路试验, 所测得数据见表1。
(1) 解体检查和故障分析
由表1得知, 第3极电压明显降低。排除其他可能的因素外, 判断该极存在匝间短路。拆下磁极撑块, 用探针测量每4匝之间的电压 (每极共80.5匝) , 发现最内面的4匝电压特别低, 再每匝测电压, 准确测出第2、3匝之间的电压为零, 确定了故障的具体位置, 示意图见图2。
(2) 故障排除
这种发电机的修理材料是由原制造厂提供的, 厂家为了证实我们的试验结果, 给单个磁极施加15A的交流电流, 监视磁极温度。由于短路的线圈会产生短路电流而迅速发热, 用手触摸绕组各部, 确定短路点在第2、3匝处无误, 并找出最热点在图2所示处。采用这种方法施加在磁极上的电压高达64V, 远高于规定的最高试验电压 (见下式) , 但其方法可以参考。
除去外绝缘, 看见匝间的云母绝缘层已破损, 2、3匝粘连在一起, 厂家对绝缘层进行修补后, 再次用电压分布法试验, 已恢复正常。
(3) 故障原因分析
该机组至今已运行了20多年, 因地处山区, 输电线路漫长且翻山越岭, 机组经受了无数次系统冲击, 转子在经常受到机械应力、离心力、热应力和电磁力的综合作用下, 层间绝缘被磨损而造成匝间短路。从该实例分析可知, 对于运行年久的机组, 除停产大规模更换部件外, 加强电气试验, 及时发现故障是降低成本、保证安全生产的关键。
3 结束语
在不具备常规试验条件时, 仅检查电压分布就可以间接反映阻抗分布。因为只需测量相对的电压值, 所以不一定要高精度的表计。只要操作得当, 确实是一种简单易行、迅速高效的方法。由于遍布全国山区的中小型水电站多采用显极式转子, 作为应急试验, 应为首选。
参考文献
[1]中华人民共和国电力工业部.DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].
发电机间 篇7
发电机转子匝间短路是一种常见的电气故障, 由于轻微的转子线圈匝间短路故障对机组正常运行影响不大或特征不明显, 故许多匝间短路故障都被忽略了, 但长期运行下去将必然导致一系列电气和机械故障。这些故障发展到一定程度时, 不仅对机组本身的安全稳定运行构成巨大威胁, 甚至危害电力系统的运行安全, 因此进行发电机转子绕组匝间短路故障的在线监测十分必要。
由于发电机的结构非常复杂, 而且饱和磁场是非线性的, 故直接利用发电机的数学模型从理论上取得故障特征的精确化结论是很困难的, 运用人工智能具有处理非线性映射问题能力的特点来解决此问题。可利用BP网络将发电机的输出有功功率P, 无功功率δ, 和定子电流I作为其输入量, 匝间短路匝数占总匝数的百分数α%为作为输出量, 从而达到故障诊断目的。还可通过建立BP神经网络来辨识励磁电流的理论计算值, 然后根据它与励磁电流实测值的相对误差量大小达到故障诊断的目的。但BP神经网络天生具有收敛速度慢, 学习精度不高的缺点, 而且BP神经网络是一种静态神经, 其网络结构是预先设定的, 对网络的训练只是对权值的调整;另外对于网络结构的确定问题至今仍没有一种有效的理论方法为指导, 通常只能靠经验和试凑来给定, 这使得这些方法的实用性受到了限制。
动态模糊神经网络是一种结合模糊推理和神经网络的优点于一身的动态神经网络, 其结构不是预先设定, 而是动态变化的。在开始学习前, 没有一条模糊规则, 其模糊规则在学习过程中逐渐增长而形成。较之常见的模糊神经网络方法, 该方法所得到的模糊规则数并不随输入变量的增加而按指数增长, 特别是该方法无须领域的专家知识就可以对系统自动建模及抽取模糊规则 (知识) 。动态模糊神经网络除了上述特点另外还有在线学习方法、简单且有效的学习算法、学习具有快速性等优点。
以下对汽轮发电机转子线圈匝间短路的故障机理进行了分析, 利用基于扩展径向基 (RBF) 神经网络的动态模糊神经网络D-FNN为推理工具, 以在线采集到的发电机转子电流、定子电压、定子电流、有功输出和无功输出作为特征量对D-FNN进行训练, 由训练好的D-FNN推理识别出发电机转子正常运行和不同短路程度下的运行工况。经Matlab仿真实验说明了该方法在线检测和故障识别的正确性和高效性。
2 发电机转子绕组匝间故障分析
2.1 故障原因
汽轮发电机长期处于高速运转状态, 且受非常大的电磁力和机械力作用;启、停时的离心力或负荷变化所引起的热胀冷缩, 使转子线圈发生位移、变形或局部绝缘损坏;冷态启动机组转子电流急增, 铜铁温差引起绕组铜线蠕变导致匝间绝缘和对地绝缘的损伤;内冷转子绕组堵塞造成局部过热, 烧损匝间绝缘;检修或运行时, 在转子绕组的通风槽内落入异物, 造成转子线圈匝间短路等是发电机在运行过程中引起的;转子端部绕组固定不牢、垫块松动;绕组铜导线加工成形后不严格的倒角与去毛刺;转子护环内残存的金属切削、护环绝缘衬垫的老化等是由于发电机制造工艺较差引起的。
2.2 电磁特性分及故障特征量分析
从能量守恒的角度来看, 匝间短路不影响原动机的机械功率输入, 故对输出的有功功率影响不大, 此处将有功功率作为一个特征输入量可作为辨别发电机在不同负载运行工况下的依据。沿转子圆周分布的磁动势是阶梯形波, 匝间短路会使短路段磁势局部缺失, 可以认为是退磁的磁势分布。电磁功率是通过耦合的气隙磁场送出的, 退磁的磁势分布使励磁绕组提供磁场的能力减弱, 导致气隙磁场能量交换能力下降, 无功输出必然下降;定子电压是气隙合成磁动势的电磁感应电势, 在考虑电枢反应的情况下, 退磁的励磁磁势分布也会使气隙合成磁势减小, 因为原动机拖动转子转动的转速是不变的, 所以这就使定子电磁感应电势减小, 即定子电压降低;定子电压的降低也必将影响定子电流值, 在原动机输入功率维持不变的情况下, 根据能量守恒, 定子电流将有上升趋势;由于实际的励磁控制系统比较复杂, 且对转子绕组的短接不够灵敏, 如果将其作为故障特征输入量会使D-FNN在产生模糊规则时增加的计算负担与所得回报相比得不偿失, 所以假定励磁电压恒定不变而不将其作为输入特征量是合理的;由于匝间短路使得励磁绕组有效匝数减少, 电阻线性减小, 实际中的励磁电压增加弱于电阻线性减小, 故励磁电流必然增大。综上所述, 本文将发电机输出有功功率、无功功率、励磁电流、定子电压、定子电流作为D-FNN输入故障特征量是合理的, 这在后面的仿真结果中能够体现。
3 动态模糊神经网络D-FNN
3.1 D-FNN的结构
图1是动态模糊神经网络D-FNN的结构图, 图中x1, xx, …, xr是输入变量, y是系统输出MFij是第i个输入变量的第j个隶属函数, Rj表示第j条模糊规则, Nj是第j个归一化节点, wj是第j个规则的结果参数或者连接权, u指系统总的规则数。
第一层为输入层, 每个节点分别表示一个输入的语言变量。第二层为隶属函数层, 每个节点分别代表一个隶属函数, 该隶属函数用如下的高斯函数表示:
undefined
其中μij是xi的第j个高斯隶属函数的中心, σj是xi的第j个高斯隶属函数的宽度, r是输入变量数, u是隶属函数的数量, 也代表系统总的规则数。第三层称为T-范数层, 每个节点分别代表一个可能的模糊规则中的IF-部分。第j个规则Rj的输出为:
undefined
其中, x= (x1, x2, …, xr) ∈Rr,
c= (c1j, …, crj∈Rr
是第j个RBF单元的中心, 由式 (2) 可以看到, 该层的每个节点即代表了一个RBF单元。第四层称为归一化层, 称这些节点为N节点。第j个节点Nj的输出为:
undefined
第五层称为输出层, 该层中的每个节点分别表示一个输出变量, 该输出是所有输入信号的叠加:
undefined
其中, y是变量的输出, wk是THEN-部分 (结果参数) 或者第k个规则的连接权。本文采用TSK模型, 对于此模型:
wk=αk0+αk1x1+…+αkrxrk=1, 2, …, u (5)
把式 (2) 、式 (3) 和式 (5) 代入式 (4) 得到:
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3.2 学习算法
3.2.1 系统误差
为了使D-FNN的性能和泛化能力达到最佳, 就必须取定合适的规则数。输出误差是确定新规则的重要因素:对于第i个观察数据 (xi, ti) , 其中, xi是输入向量, ti是期望的输出根据式 (6) 计算D-FNN现有结构的全部输出yi。
定义‖ei‖=‖ti-yi‖ (7)
如果‖ei‖>ke (8)
则增加一条新规则。这里的ke值是根据D-FNN期望的精度预先设定的。
3.2.2 可容纳边界
可容纳边界判据是增加新的高斯单元的依据:对于第i个观测数据 (xi, ti) 计算输入值xi和现有的RBF单元的中心cj之间的距离di (j) , 即
di (j) =‖xi-cj‖j=1, 2, …, u (9)
其中, u是现有模糊规则或者RBF单元的数量。
找出dmin=argmin (di (j) ) (10)
如果dmin>kd (11)
则要考虑增加一条新的规则。否则, 观测数据xi可以由现有的最近的RBF单元表示。这里, kd是可容纳边界的有效半径。
3.2.3 算法流程
文章采用文献[15]提出的误差下降率 (ERR) 方法作为修剪策略。给定n对输入—输出{x (i) , t (i) , i=1, 2, …, n}, 把计算得到的erri (i=1, 2, … (r+1) u) 排列为矩阵Δ= (δ1, δ2, …, δu) ∈R (r+1) ×u, Δ的第i列δi就是与第i个规则相关的 (r+1) 个误差下降率。定义
undefined
那么, ηi反映第i个规则的重要性, ηi越大, 表示第i个规则越重要。如果ηi
4 仿真实验
为了使仿真尽量符合发电机并网状态下的实际运行工况, 文章用Matlab软件中的Simulink仿真工具箱搭建了一个单机—无穷大系统, 系统的等值接线图如图3所示。图中 为发电机电势, 为传输线路的电抗, 为无穷大母线电压。
Simulink下的SPS (SimPowerSystems) 是针对电力系统的工具箱, 其中提供了六阶模型的发电机模块, 为了使D-FNN输入输出参数大小统一, 文章选择其中的标幺值电机模块, 通过改变其转子相应的电阻参数和电抗参数来近似模拟转子绕组匝间短路。因为绕组的电阻值与其匝数成正比, 所以电阻减小的百分比按照绕组匝间短路百分比来设定;而绕组的电抗值与其匝数的平方成正比, 所以电抗减小的百分比按短路匝数的平方减小。具体仿真模型图见图4。
模型简化为在两种电压等级下的一台发电机在零状态时刻, 原动机的输入功率和励磁电压不变的情况下, 经变压器和输电线路与无穷大电网母线相连。发电机的机端电压为13.8kV, 视在功率为187MVA, 频率60Hz, 原动机输入功率0.8583pu, 励磁电压源0.8678pu, 变压器容量200MVA, 变比为13.8kV/230kV, 输电线路长110km, 无穷大电网母线电压230kV。
由于仿真的是发电机类刚性系统, 所以采用了ode15s 算法, 因ode15s是刚性系统的变阶次多步解法。因此, 仿真结果较准确。仿真采用变步长方式, 相对容差 , 绝对容差auto, 最大阶数5阶。
按照图2所示流程图, 在matlab环境下编写一个M函数文件D_FNN_diagnosis.m, 该文件功能是按照D-FNN的算法对其进行训练并输出诊断结果。训练样本数据是由Simulink下搭建的仿真模型而来, 以不同短路情况下各个特征量的多组输入输出值作为训练样本数对D-FNN进行训练。表1列出了发电机转子绕组9种不同匝间短路程度下诊断结果, 从诊断结果可以看出D-FNN可以较准确、高效地映射出发电机转子绕组的匝间短路情况。
5 结束语
文章针对前人在利用神经网络对发电机转子绕组匝间短路故障诊断时存在的不足, 利用基于扩展径向基 (RBF) 神经网络的动态模糊神经网络D-FNN为映射工具, 并根据汽轮发电机绕组匝间短路故障的特征变化, 选择了多个特征量作为诊断依据对匝间短路故障进行了诊断。由于D-FNN能对规则 (网络结构) 进行新建和剔除, 与BP网络或其他的静态神经网络相比D-FNN的网络结构具有了动态可变性, 使得网络结构确定有了一定可依性, 同时还有效避免了BP网络容易陷入局部最小和收敛速度慢的不足。诊断结果表明了该方法的有效性和实用性。但样本的取得是来自于matlab仿真, 鉴于模型的精确程度, 这与实际工况下的数据可能会有出入, 所以还需要对样本的可靠性进行进一步研究。
参考文献
[1]刘念, 谢驰等.基于小波分析的发电机转子匝间短路故障诊断方法研究[J].电力自动化设备, 2008, 28 (6) :49-51.
[2]李永刚, 李和明.汽轮发电机转子匝间短路故障分析与诊断新方法[J].电力系统自动化, 1998, 22 (6) :21-23.
发电机间 篇8
海上石油钻探是一项高难度、高风险、高投入的高新技术产业。这种油田行业野外作业的大型设备的动力来源以及平台成员的生活用电都依靠主发电机组提供,可以说发电机是为海上平台提供电力的“心脏”,其可靠运行是平台安全、持续生产的基础。但随着海上油田运行时间的不断延长,很多大型发电机组都面临着长期服役后出现可靠性降低、故障率升高、使用风险增加的难题。
渤海某油田于2010年12月对一台累计运行时间超过10万小时的发电机组进行了在线检修,成功诊断其转子匝间短路并对其进行了国产化翻新,笔者在此就实施检修的经验谈谈一些认识和体会。
1 海上油气平台主发电机转子匝间短路的表现形式及诊断方法
1.1发电机组的主要构成
本次检修的发电机组服役已超过10年,其运行小时数超过100 000 h。自2005年2月起出现高振动。其主要表现形式为励磁端高振动,该振动空载时比较稳定,但振动幅值随着有效负载的增加而明显增加,有功功率越大,振动越大,无功功率越大,振动越大。励磁端振动幅值(轴振动位移峰-峰值最大达到72 μm)明显高于驱动端(42 μm)。其轴承座振动速度有效值(RMS)最大达到7.58 mm/s。其具体检测情况如下:
(1)该发电机组由燃气轮机、齿轮箱和发电机组成(如图1所示),三部分分别用地脚螺栓紧固在公用机撬中。燃气轮机为轴流式双轴燃气轮机,压缩机轴转速10 780 r/min,输出轴转速9 500 r/min,发电机转速1 500 r/min。
(2)发电机为美国Ideal Electric Company的产品(发电机参数如表1所示)。直流励磁机直接安置在发电机的自由端,为悬臂结构。
1.2振动检测及频谱分析
本研究利用CAMD-6200型旋转机械状态监测与故障诊断系统对机器的振动信号进行分析[1,2]:
(1)对励磁端的测试结果,如图2所示;
(2)对驱动端的测量结果,如图3所示。
根据上述的测试结果可见,机组的振动与负荷密切相关[3]。一般而论,这是较为普遍的规律。但发电机负载运行时励磁端振动明显超标,且发电机励磁端的2倍频振动分量在带负荷时很显著,两个测点分别为13.16 μm和22.42 μm,均超过1倍频分量。甩负荷后则分别降为1.49 μm和2.35 μm。但发电机驱动端的振动中2倍频分量很小,且随负荷变化不变化。特别值得注意的是,不论驱动端,还是励磁端,1倍频相位差不随负荷发生变化。这一规律可能会排除不对中的可能性。
同时可见,在带负荷时,励磁端的2倍频振动分量以正进动为主。另外,考虑到对励磁端壳体轴向振动速度的测量结果,可以认为,励磁端的2倍频振动是由励磁电流所产生的。
1.3对转子的电气检查
1.3.1 主转子直流电阻
测试方法:使用QJ44双臂电桥,将每一组线圈之间的连线绝缘剥开,表笔接到每一组线圈两端的引出端,进行每一组线圈的直流电阻测量。测量值如下:
4组分别测量直流电阻:
第1组线圈:0.393 5 Ω;
第2组线圈:0.393 0 Ω;
第3组线圈:0.392 0 Ω(该组电阻较小,说明内部存在短路);
第4组线圈:0.396 5 Ω。
总电阻值1.575 0 Ω。
1.3.2 主转子交流压降
测量方法:将4组线圈串联起来,从主转子的两根引出线处,通220 V交流电源,用万用表分别测量每一组线圈的分压,其检测值应该是各族线圈分压相等。实际测量值如下:
第1组线圈:57.7 V;
第2组线圈:50.9 V(该组压降较低,内部线圈短路);
第3组线圈:13.5 V(该组压降过低,内部线圈短路明显);
第4组线圈:59.0 V。
该机各线圈的直流电阻相对值较大,各线圈交流压降相对值过大,是由于在第3组线圈中发生了比较严重的匝间短路。经过机组对中、定子检查、振动探测回路等其他检查无误后,基本可以断定转子匝间短路是该发电机振动高的主因。
2 进口发电机转子国产化翻新
确定发电机转子出现严重的匝间短路后,对转子进行大修翻新势在必行。由于海上油气生产对电力的需求非常急迫,同时考虑到其他经济因素,最终选择对匝间短路的转子进行国产化翻新。而由于国外发电机厂家的导线外形、绝缘种类、绕线方式等方面与国内有较大的差别,因此在发电机转子的国产化翻新过程中,必须考虑对该转子进行国产化改造,使其既满足原有的性能参数,又适应国内的发电机检修资源。
2.1导线及绝缘种类的变更
原有发电机转子采用SBQB-23/155单玻璃丝包漆包方铜线。该导线绝缘存在以下问题:①导线是方形6.45 mm×6.50 mm,b/a<1.4时,国内做不了,而且绕线较大;②漆包方铜线四角的绝缘薄弱;③漆层容易出现针孔与气泡,影响绝缘;④由于单玻璃丝包太薄,很多地方容易漏缝或脱落,防护效果差;⑤有效绝缘厚度仅0.12 mm,击穿电压10 a 1 800 V,已不能满足海上油气生产对稳定性和安全性的需要。
在新导线的选择上,根据国家标准[1]要求,改用5.10 mm×8.15 mm导线,S=40.706与原导线的40.689截面积基本一致,同时新导线b/a=1.598符合国家标准要求,绕线也较小。导线用 MYFB-22.5/200 聚酰亚胺—氟树脂复合薄膜绕包烧结线。绝缘结构0.037 5 mm,复合薄膜 2/3迭包一层;绝缘厚度0.225 mm;4 a弯曲系数高于原有的10 a;标称击穿电压 4 a 6 000 V高于原有的10 a 1 800 V;耐热200级高于原有的180级。由此可见,在新绝缘导线的选择和变更上,各项主要指标均优于原有导线。
2.2新线圈匝数及层数的选择和计算
旧线圈共4极,每极275匝。其中:满匝数 11 层, 每层 23匝,11×23=253匝;减匝数1 层,每层 22匝,253+22=275匝。线圈尺寸:内部宽度292 mm,长度1 285 mm,厚度163 mm;外部宽度455 mm,长度1 475 mm,厚度163 mm。
因为新导线改用扁线,新线圈需减少每层匝数,增加层数。初步计划每层匝数19匝,层数计算:275/19=14.47层。实际绕法:1～13层:19匝;14层:15匝;15层:13匝;共计275匝。新线圈总宽度 (5.10+0.23+0.11)×15=81.60 mm;较旧线圈81.50 mm增加0.10 mm。新线圈总厚度 (8.15+0.23+0.20)×19=163.02 mm;与旧线圈163.0 mm一致。
3 转子翻新后的现场动平衡调试
3.1许用不平衡度的计算
根据相关国家标准[5]要求,按照转子半直径、重量与转速计算允许的不平衡重量。本次翻新的转子放平衡块位置半径365 mm,重量8 500 kg,转速1 500 r/min。许用不平衡度:
eper =2.5×1 000/(2×3.1416×1 500/60)= 15.90 (μm)
3.2最大许用振动幅值及不平衡量
本研究参照相关技术文献[6,7],对于同步转速1 500 r/min的电机的单位许用不平衡度, 一般电机40 μm,要求振动较小的小型电机 20 μm,则:
Uper≤m×eper=8 500×15.00=127 500 g·mm
允许的残余不平衡量:
前端:g=63 750/2×365=174.6 g;
后端:g=63 750/2×365=174.6 g。
3.3现场动平衡调整
驱动端增加平衡块:0°: 1 500 g 135°:270 g;
励磁端增加平衡块:225°:350 g。
动平衡调整后数据如表2所示。
从动平衡调整后的振动数据来看,原本负载振动很高的励磁端的振动数据非常优异,通过不同的测振仪器在现场(机撬内)实测的振动数据非常相近,说明本次进口发电机匝间短路转子国产化翻新的实际效果非常好。
4 结束语
海洋油气平台使用的船用发电机是由众多零部件组成的复杂系统,超期运转后,其运行状态与使用环境和维护保养密切相关。目前国内的船用发电机制造和维护水平与国外先进水平相比还存在较大差距,国外厂商技术服务收费高昂、周期过长,造成目前进口发电机的故障诊断和解决都存在较大的难度。
通过本次进口发电机转子匝间短路的故障诊断和国产化翻新,已经初步摸索出了一套发电机常见故障诊断方法和解决措施,为进口发电机等大型设备的国产化改造升级积累了宝贵的技术数据和经验。目前,正通过开展更多的发电机在线检修和国产化改造升级项目不断地掌握并完善相关检修数据和经验。
对于海上平台发电机组,其可靠性要求较高,只有做好运行管理、维护保养,结合各种在线检修技术,提高诊断精度,做好常规检查,是确保机组安全运行的必要手段。
参考文献
[1]胡宇达,邱家俊.大型汽轮发电机端部绕组整体结构的电磁振动[J].中国电机工程学报,2003,23(7):93-98.
[2]汤蕴蓼.电机内的电磁场[M].2版.北京:科学出版社,1998.
[3]RICHARD S,DUCREUX J P,FOGGIA A.A Three Dimen-sional Finite Element Analysis of the Magnetic Field in theend Region of a Synchronous Generator[C].IEEE ElectricMachines and Drives Conference Record,1997.
[4]国家标准化工作委员会.GB/T15548-1995中国标准书号[S].北京:中国标准出版社,1995.
[5]国家标准化工作委员会.GB9239-88中国标准书号[S].北京:中国标准出版社,1988.
[6]游善良,沈良伟,刘公直,等.电机工程手册[M].北京:机械工业出版社,1996.