大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

張學(xué)峰，李會(huì)軍，曹少飛，陳磊

（華能銅川煤電有限公司，陜西銅川 727031）

引言

大型汽輪發(fā)電機(jī)組投入電力生產(chǎn)以來(lái)，在我國(guó)電力生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。針對(duì)電廠的生產(chǎn)需求，在大型汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中必須對(duì)其運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控了解機(jī)組運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生[1,2]。目前我國(guó)大型汽輪發(fā)電機(jī)組真正能提前發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障隱患并能解決問(wèn)題的狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)比較缺乏[3]，故應(yīng)加快對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用。

近年來(lái)，歷屆國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）上，發(fā)電機(jī)的故障保護(hù)和監(jiān)測(cè)一直是旋轉(zhuǎn)電機(jī)委員會(huì)（SC-A1）的重點(diǎn)議題。國(guó)家能源局發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義》中，提出對(duì)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子絕緣狀況，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)及靜態(tài)匝間短路檢查試驗(yàn)，確認(rèn)匝間短路的嚴(yán)重情況，以此制訂安全運(yùn)行條件及檢修消缺計(jì)劃，為了保證發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)積極采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，持續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路狀況。圍繞發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的在線診斷的關(guān)鍵技術(shù)，密切結(jié)合我司的實(shí)際需求，選擇最有意義的監(jiān)測(cè)技術(shù)以消除故障，提高故障診斷的精度、實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性[4,5]。

1 大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)要求

（1）利用原有安裝在發(fā)電機(jī)定子鐵心汽端，距離鐵心端部大約30 cm的10點(diǎn)鐘或2點(diǎn)鐘位置安裝磁通探測(cè)傳感器，可同時(shí)采集徑向和切向磁通信號(hào)。

（2）借助于電機(jī)上的氣隙磁通探頭進(jìn)行磁通監(jiān)測(cè)，無(wú)需變換負(fù)載檢測(cè)同步電機(jī)中是否存在匝間短路，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子匝間絕緣狀況的信息。

（3）開發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一套。系統(tǒng)具備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)以太網(wǎng)連接到安裝有控制分析軟件的上位機(jī)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可與電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SCADA、MIS）、智能儀表進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，滿足不同系統(tǒng)之間交換信息共享數(shù)據(jù)的需要。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)可以與全磁通探頭(Total Flux Probe)和傳統(tǒng)磁通探頭(Flux Probe)的輸出連接，配備鑒相器連接端口。

（4）開發(fā)智能預(yù)警平臺(tái)配備轉(zhuǎn)子匝間短路采集和分析軟件。軟件具備發(fā)電機(jī)模型圖、磁通測(cè)量原始數(shù)據(jù)和磁通鏈峰值分布圖、磁通峰值對(duì)比圖、數(shù)據(jù)分析表、趨勢(shì)分析圖等。

（5）開發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)及診斷分析平臺(tái)一套，創(chuàng)建專家數(shù)據(jù)庫(kù)，建立在線監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析采集的磁通數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)警和診斷。

（6）系統(tǒng)具備監(jiān)測(cè)和控制界面管理、設(shè)備管理、預(yù)警管理、大數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)安全管理功能。系統(tǒng)Web化構(gòu)架便于遠(yuǎn)程管理。具有綜合故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能、故障分布圖譜、故障趨勢(shì)圖譜以及單槽線圈故障分析功能，便于直觀和多角度地觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

（7）監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)具有兼容性、可移植性、可擴(kuò)充性及界面的友好性；支持未來(lái)可能擴(kuò)展的其他在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，方便修改和維護(hù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)具有自檢測(cè)功能，提供預(yù)警平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)的自檢信息，記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障日志。同時(shí)提供方便、可靠的調(diào)試工具和手段，滿足現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)測(cè)試的要求。

（8）系統(tǒng)平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)J2EE開發(fā)技術(shù)，由JAVA語(yǔ)言開發(fā)，采用分布式部署服務(wù)框架，系統(tǒng)配置由XML技術(shù)完成;數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口服務(wù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，并使用連接池提高系統(tǒng)性能;通信協(xié)議采用HTTP、TCP/IP。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)、基于平臺(tái)化的分布式處理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)；支持三/多層構(gòu)架，表示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層分開；數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)。支持Windows以及Linux等操作系統(tǒng)；支持消息服務(wù)；考慮到系統(tǒng)基本功能實(shí)現(xiàn)后，以后會(huì)根據(jù)需要，不斷增加新的功能，要求系統(tǒng)采用組件或模塊化開發(fā)的技術(shù)，提供開放的標(biāo)準(zhǔn)接口，使后續(xù)開發(fā)的功能很容易地集成進(jìn)來(lái)，保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

1.2 應(yīng)用工作范圍和內(nèi)容

（1）工程內(nèi)容為研發(fā)和應(yīng)用相結(jié)合，依托銅川煤電，開展大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用。開展一體化平臺(tái)、智能化運(yùn)行控制、智能化巡檢的研究，進(jìn)一步研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一體化大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)并投入工程示范。

（2）智能預(yù)警平臺(tái)整合各子系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并預(yù)留可擴(kuò)展監(jiān)測(cè)其他在線數(shù)據(jù)功能。

（3）平臺(tái)具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸診斷功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、診斷、查詢、訪問(wèn)等功能；通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到一體化平臺(tái)統(tǒng)一管理及診斷。

（4）數(shù)據(jù)中心必須提供能夠支持集中處理、存儲(chǔ)、備份、管理各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)所需的軟硬件。

（5）基于先進(jìn)的監(jiān)測(cè)氣隙磁通理論基礎(chǔ)，建立專家診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，并可按照機(jī)組、日期、磁通量大小進(jìn)行查詢，并顯示短路信息。

（6）利用大數(shù)據(jù)與人工智能算法，基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析轉(zhuǎn)子匝間短路故障機(jī)理，識(shí)別故障波形，研究診斷方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的動(dòng)態(tài)預(yù)警和診斷。

（7）控制智能化的內(nèi)容包括：完成全磁通探頭數(shù)據(jù)采集應(yīng)用水平升級(jí)；完成全自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)；建立專家數(shù)據(jù)庫(kù)、診斷模型；預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)智能化。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）較高的檢測(cè)靈敏度。對(duì)于分布式轉(zhuǎn)子繞組，勵(lì)磁電流通入轉(zhuǎn)子繞組后，轉(zhuǎn)子表面的磁通包括兩部分：一是經(jīng)過(guò)定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙并與定子鐵芯相連的呈階梯型主磁通；二是不與定子相連而只與轉(zhuǎn)子繞組相連的槽漏磁通。當(dāng)磁路不飽和時(shí)，槽漏磁勢(shì)與各槽內(nèi)線包匝數(shù)成正比。一般情況下，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的開槽等分分度數(shù)為44，可見槽漏磁勢(shì)的傅里葉級(jí)數(shù)中一次以上的諧波分量迅速衰減。通過(guò)軟件計(jì)算分析，槽漏諧波函數(shù)幅值變?yōu)閚倍（諧波分量大幅度增加），它是轉(zhuǎn)子槽漏磁形成的轉(zhuǎn)子齒諧波，與轉(zhuǎn)子槽內(nèi)有效安匝數(shù)成正比，正是這高頻分量提高了故障檢測(cè)的靈敏度。

（2）實(shí)時(shí)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)。轉(zhuǎn)子繞組的絕緣狀況很難在發(fā)電機(jī)的小修或大修期間進(jìn)行評(píng)估。因?yàn)椴蝗〕鰮跞屠@組楔塊，很難檢查到繞組情況。更何況許多故障是與轉(zhuǎn)速有關(guān)的間歇性故障，因此傳統(tǒng)的脫機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路檢測(cè)和接地故障定位的檢測(cè)常常無(wú)法有效地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的絕緣問(wèn)題。通過(guò)本系統(tǒng)研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣狀況實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（3）無(wú)需變換負(fù)載。借助于永久安裝在電機(jī)上的氣隙全磁通探頭進(jìn)行磁通監(jiān)測(cè)，同時(shí)測(cè)量主磁通和漏磁通，可在不改變負(fù)載的情況下檢測(cè)同步電機(jī)中是否存在匝間短路，并給出轉(zhuǎn)子匝間絕緣狀況的信息。這個(gè)信息在安排維修，解釋異常振動(dòng)以及確認(rèn)新電機(jī)/重繞電機(jī)轉(zhuǎn)子的完好性時(shí)起到關(guān)鍵的作用。

（4）指導(dǎo)轉(zhuǎn)子狀態(tài)檢修。適應(yīng)狀態(tài)檢修，提升智慧運(yùn)行手段，貼合智慧電廠新思路。

（5）基于采集數(shù)據(jù)，建立發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷模型，實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集裝置滿足模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化要求，并預(yù)留足夠的通道擴(kuò)展能力，方便接入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集單元和鍵相傳感器，支持熱插拔和互換性要求。

（6）深入數(shù)據(jù)挖掘分析功能。提升數(shù)據(jù)采集和判讀能力，提高運(yùn)行效率，在不改變負(fù)載的情況下，依據(jù)磁通探頭的信號(hào)偵測(cè)出轉(zhuǎn)子是否有匝間短路。透過(guò)比對(duì)不同磁極相對(duì)應(yīng)槽在磁通探頭上的感應(yīng)電壓幅值，可判斷出轉(zhuǎn)子是否有匝間短路問(wèn)題。生成分布圖標(biāo)，同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)子匝間短路圖表之間的疊加對(duì)比功能可以定位出發(fā)生匝間短路的極。

（7）預(yù)警平臺(tái)結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)匝間短路的準(zhǔn)確辨識(shí)以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)的診斷，實(shí)現(xiàn)評(píng)估轉(zhuǎn)子匝間絕緣狀況、確定轉(zhuǎn)子匝間故障、評(píng)估故障的嚴(yán)重性。

2 智能預(yù)警平臺(tái)工作內(nèi)容

2.1 全磁通探頭數(shù)據(jù)采集應(yīng)用水平升級(jí)

傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是在不同的負(fù)載條件下對(duì)不同磁極的每一個(gè)槽的漏磁通進(jìn)行量測(cè)并比對(duì)。通過(guò)數(shù)字記錄每一磁通波形，使用軟件可以確定槽內(nèi)是否有匝間短路的現(xiàn)象及定位發(fā)生短路匝所在的槽。使用新研發(fā)的全磁通探頭可以在不改變旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載的情況下，通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組單槽內(nèi)的漏磁通密度與對(duì)應(yīng)槽內(nèi)的有效匝數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，匝間短路的發(fā)生導(dǎo)致特定槽的漏磁通降低。將兩個(gè)不同極但槽編號(hào)相對(duì)應(yīng)的漏磁通數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以直觀并準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子是否發(fā)生匝間短路。

2.2 全自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)

轉(zhuǎn)子繞組的絕緣狀況很難在發(fā)電機(jī)的小修或大修期間進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)椴蝗〕鰮跞屠@組楔塊，很難檢查到繞組情況。更由于許多故障是與轉(zhuǎn)速有關(guān)的間歇性故障，傳統(tǒng)的脫機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路檢測(cè)和接地故障定位的檢測(cè)常常無(wú)法有效檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的絕緣問(wèn)題，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣狀況實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2.3 完成專家數(shù)據(jù)庫(kù)，建立診斷模型

基于先進(jìn)的監(jiān)測(cè)氣隙磁通理論基礎(chǔ)及采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路診斷模型以及專家診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)，科學(xué)化評(píng)判轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)。深入挖掘分析數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)采集和判讀能力，提高運(yùn)行效率。

2.4 預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)智能化

建立在線監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障分布圖譜、故障趨勢(shì)圖譜以及單槽線圈分析功能，直觀和多角度地觀察各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)匝間短路的準(zhǔn)確辨識(shí)及對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣狀態(tài)的診斷。

3 系統(tǒng)可提供的研究方向

3.1 測(cè)量基礎(chǔ)原理研究

通過(guò)轉(zhuǎn)子表面的磁場(chǎng)分布可知，探測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形呈現(xiàn)階梯狀，而每一階梯的高低取決于對(duì)應(yīng)槽的磁通變化率，與匝數(shù)有關(guān)。若各槽繞組的匝數(shù)相等，正常運(yùn)行時(shí)各槽磁通變化率也相等，各階梯的高度也就相等；當(dāng)某槽內(nèi)有短路匝時(shí)，相應(yīng)匝數(shù)減少，那么階梯的高度就會(huì)降低。同時(shí)，利用微分電路將所有階梯降到同一水平面進(jìn)行比較，據(jù)此便可判斷某槽是否發(fā)生了短路。由于主磁場(chǎng)是由所有線圈共同產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子匝間短路雖然會(huì)影響主磁通的強(qiáng)度，但是由于所占比例很小不容易測(cè)量，而漏磁通分別交鏈于各槽的勵(lì)磁繞組，其大小與該槽內(nèi)線圈匝數(shù)成正比，能直接反映出各槽線圈匝數(shù)的變化。該系統(tǒng)的研究方法是在不改變負(fù)載的條件下，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子漏磁通的徑向分量和切向分量，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，比對(duì)不同磁極的每一個(gè)槽的漏磁通，數(shù)字記錄每一磁通波形，使用專業(yè)分析軟件確定槽內(nèi)是否有匝間短路的現(xiàn)象及定位發(fā)生短路匝所在的槽。因此，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法是在不同的負(fù)載條件下對(duì)不同磁極的每一個(gè)槽的漏磁通進(jìn)行量測(cè)并比對(duì)，通過(guò)數(shù)字記錄每一磁通波形，然后使用專門的軟件可以確定槽內(nèi)是否有匝間短路的現(xiàn)象及定位發(fā)生短路匝所在的槽。

3.2 全磁通探頭研究

研究能同時(shí)測(cè)量主磁通和漏磁通的全磁通探頭，在不改變負(fù)載的情況下檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中是否存在匝間短路，并給出轉(zhuǎn)子匝間絕緣狀況的信息。

3.3 建立診斷模型與專家數(shù)據(jù)庫(kù)

以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間磁通監(jiān)測(cè)技術(shù)及磁通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立轉(zhuǎn)子匝間短路診斷模型，建立發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障的專家數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.4 研究故障預(yù)警與診斷方法

融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)智能算法，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)匝間絕緣狀態(tài)，研究故障預(yù)警與診斷方法，并搭建在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

3.5 平臺(tái)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸診斷功能

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、診斷、查詢、訪問(wèn)等功能，通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到一體化平臺(tái)統(tǒng)一管理及診斷。

3.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示功能

在系統(tǒng)圖中，以顏色、運(yùn)行指示燈等方式綜合展示一次設(shè)備各種狀態(tài)參量，內(nèi)容包括：狀態(tài)參數(shù)、診斷結(jié)果等；顯示相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，根據(jù)故障曲線和波形，比對(duì)不同歷史時(shí)期曲線，形成專家分析報(bào)告。

3.7 功能擴(kuò)展

監(jiān)測(cè)平臺(tái)整合各子系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)，并預(yù)留可擴(kuò)展監(jiān)測(cè)其他在線數(shù)據(jù)功能。軟件系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)便于修改和維護(hù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)具有自檢測(cè)功能，提供自檢信息，記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障日志。提供可靠的調(diào)試工具和手段，便于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)測(cè)試。