核電機(jī)組旋轉(zhuǎn)整流器的狀態(tài)監(jiān)測與檢修研究

劉 念,謝 馳,劉 影,陳貴剛

(1.成都錦城學(xué)院機(jī)械電子工程系,四川成都 611731;2.電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,四川成都 611731)

0 前言

電能是目前應(yīng)用最為廣泛的一種能量形式,電力企業(yè)安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障,因而電力生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)舉足輕重的地位.核電機(jī)組的檢修工作不僅關(guān)系到核電企業(yè)的安全生產(chǎn),同時(shí)檢修耗費(fèi)也在核電站的發(fā)電成本中占了相當(dāng)大比重[1].如果核電管理人員根據(jù)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài),在不影響安全生產(chǎn)的前提下,將不必要的計(jì)劃性大修合理的降級(jí)為有針對(duì)性的小修及項(xiàng)修,這樣節(jié)省的經(jīng)費(fèi)將是相當(dāng)可觀的.因此,建立完善的檢修制度、科學(xué)地安排檢修計(jì)劃能大大削減檢修開支,大幅度提高核電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2].

智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修是近幾年發(fā)展起來的大型設(shè)備檢修模式,它是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測分析結(jié)果,判定設(shè)備的健康狀況,并預(yù)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化趨勢,以確定大型設(shè)備檢修的等級(jí)和日程安排.目前,智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修技術(shù)正在電力行業(yè)(發(fā)電、輸電和供電)中進(jìn)行應(yīng)用,取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

1 旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷分析

核電站的無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)整流器工作狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測需要轉(zhuǎn)子側(cè)旋轉(zhuǎn)整流器的相關(guān)信息.由于無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子取消了滑環(huán)和電刷,轉(zhuǎn)子側(cè)旋轉(zhuǎn)整流器的常見故障波形特征(故障特征量)的提取無法直接完成[3-4].大容量的核電機(jī)組的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流由無刷交流勵(lì)磁機(jī)的電樞電流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流后提供,該旋轉(zhuǎn)整流器所接的負(fù)載可以認(rèn)為是一個(gè)大電感負(fù)載,其六相無刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖,如圖1所示.一種獲取轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)整流元件故障特征的方法是直接采用與同步發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的交流勵(lì)磁機(jī)的定子勵(lì)磁線圈作為探測線圈,其優(yōu)點(diǎn)是省去了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)專用探測線圈的工作,而且便于現(xiàn)場采集信號(hào)數(shù)據(jù),同時(shí)轉(zhuǎn)子信號(hào)較強(qiáng),且含轉(zhuǎn)子故障信息量大,提取過程由圖1所示[5-7].

圖1 定子勵(lì)磁回路提取轉(zhuǎn)子故障信息Fig.1 The fault information of the rotor obtained by the stator excitation loop

在交流勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁線圈上并聯(lián)二個(gè)電容C1和C2,通過電容分壓采集電壓信號(hào),且每個(gè)電容C1、C2是一個(gè)獨(dú)立小電容.交流勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞電流產(chǎn)生的電樞磁場必然切割其定子勵(lì)磁線圈,并感應(yīng)電勢,然后通過電容C1和C2分壓,只需采集帶有轉(zhuǎn)子故障信息的電容C2兩端的電壓波形,進(jìn)行頻域分析,分解出不同幅值的各次諧波分量,作為故障診斷信號(hào).

設(shè)電容C2兩端的電壓信號(hào)波Uc(t)的周期為T,由傅立葉級(jí)數(shù)展開為

(1)

式中ω=2πf(或2π/T),f為交流勵(lì)磁機(jī)電樞電流的基波頻率,且有

(2)

(3)

由于傅立葉級(jí)數(shù)分解計(jì)算要進(jìn)行大量的加減、乘除運(yùn)算,故采用具有一定精度的復(fù)化梯形積分公式,式(1)傅立葉級(jí)數(shù)系數(shù)表達(dá)式為:

(4)

其中,N為在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù).

由于大容量的核電機(jī)組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)整流器高速運(yùn)轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)整流器經(jīng)常發(fā)生的故障是旋轉(zhuǎn)整流器橋臂開路故障和橋臂短路故障.故障發(fā)生后,旋轉(zhuǎn)整流橋輸出的直流電壓或電流下降,隨著故障擴(kuò)展到其他橋臂會(huì)出現(xiàn)短路,造成無刷交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電樞繞組燒毀,最后嚴(yán)重影響主同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行.

現(xiàn)以15 kW無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器一橋臂發(fā)生故障時(shí),其交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)定子極間探測線圈電壓信號(hào)波形進(jìn)行了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測,A/D數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)識(shí)別,并在圖2給出了計(jì)算機(jī)分析探測線圈電壓諧波信號(hào)的頻譜圖.

圖2 探測線圈電壓信號(hào)頻譜圖Fig.2 The spectrum map of voltage signal in the probe-coil

計(jì)算機(jī)識(shí)別的結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)整流器正常狀態(tài)下探測電壓信號(hào)波形含有較強(qiáng)的諧波分量.對(duì)于故障狀態(tài),電壓信號(hào)波形中均含有一定份量的f、2f、3f、...等各次諧波成分,且一臂開路時(shí)除了含有較大的基波頻率電壓信號(hào),還出現(xiàn)了幅值較大的2次諧波電壓信號(hào),它們?yōu)闊o刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的在線計(jì)算機(jī)識(shí)別提供了具有實(shí)際用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[8-10].

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能監(jiān)測與狀態(tài)檢修系統(tǒng)由這些子系統(tǒng)構(gòu)成:傳感器采樣子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、故障診斷與預(yù)測子系統(tǒng)、檢修評(píng)估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)及監(jiān)控管理子系統(tǒng)等.傳感器模塊把特征信號(hào)量從無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)傳感到數(shù)據(jù)采集模塊,然后進(jìn)行適當(dāng)處理后,經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換電路,數(shù)據(jù)進(jìn)入上位機(jī).最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理,并分析其故障特征,評(píng)價(jià)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的健康狀況和預(yù)測其工作狀態(tài)的變化趨勢.這些數(shù)據(jù)可以備份到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,并可以提供給其他工作站或輔助服務(wù)器繼續(xù)分析,或者傳送到其他廠站系統(tǒng)供參考,如圖3所示.

圖3 監(jiān)測與檢修系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall structure of the monitoring and maintenance system

2.2 系統(tǒng)功能

(1)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與顯示

智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)等功能,并建立機(jī)組的各種數(shù)據(jù)庫文件.特別是旋轉(zhuǎn)整流器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式由數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)控制,實(shí)現(xiàn)等時(shí)間或變時(shí)間步長采樣,并且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在監(jiān)控管理子系統(tǒng)上顯示.通過故障診斷與預(yù)測子系統(tǒng),無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的三級(jí)狀態(tài)指示(正常、開路故障、短路故障)能夠在監(jiān)控管理子系統(tǒng)上通過綠、黃、紅三種顏色數(shù)字顯示.

(2)信號(hào)分析與處理

信號(hào)分析是對(duì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的重要手段,可以對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理,并以數(shù)據(jù)或圖形的方式給出分析結(jié)果,主要包括:(a)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析;(b)啟停過程信息分析;(c)趨勢變化分析.

(3)故障征兆提取

(4)故障診斷分析

(5)故障處理對(duì)策及維修評(píng)估

(6)知識(shí)獲取與學(xué)習(xí)

(7)打印數(shù)據(jù)及報(bào)表

3 硬件與軟件設(shè)計(jì)

智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)量進(jìn)行了分類,對(duì)傳感器進(jìn)行了具體的選型,把傳感器歸類為一個(gè)子系統(tǒng).因?yàn)橐杉l(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)較多,為了保證采集數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)采集以高速采集系統(tǒng)為最適合.數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)的信號(hào)采集電路主要由預(yù)處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、讀寫控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成,并集成在一塊電路板上,配置實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路,即可實(shí)現(xiàn)等時(shí)間或變時(shí)間步長采樣.圖4為信號(hào)采集卡電路圖.預(yù)處理電路分離交流和直流信號(hào)并分別放大,送至AD轉(zhuǎn)換芯片MAX125.AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過接口電路送到工控機(jī),由工控機(jī)進(jìn)一步處理和存儲(chǔ).

圖4 信號(hào)采集卡電路圖Fig.4 The circuit diagram of the obtaining signal card

智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的100 M高速以太網(wǎng)作為連接系統(tǒng)的局域網(wǎng),采用TCP/IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議.接口轉(zhuǎn)換采用MWE485-HUB4四路高速隔離集線轉(zhuǎn)換器,該產(chǎn)品從技術(shù)指標(biāo)上完全能滿足設(shè)計(jì)要求.工作站主機(jī)的配置相對(duì)簡單,常規(guī)微機(jī)就完全可以勝任.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器選擇要求比較高,CPU應(yīng)選擇主頻在5 GHz以上,主內(nèi)存容量在500 M以上,硬磁盤在1 000 G以上.操作系統(tǒng)選擇成熟的NT系統(tǒng),各個(gè)子系統(tǒng)配置UPS電源.

在智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修系統(tǒng)配置的Windows操作系統(tǒng)下,對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集端口直接操作的子程序采用匯編語言編寫,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)中調(diào)用這些子程序就能夠完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集端口的直接讀寫操作.特別注意:智能狀態(tài)檢修系統(tǒng)配置的傳感器采樣子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)與監(jiān)控管理子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)異步串行通信方式完成.該監(jiān)控管理子系統(tǒng)根據(jù)這種異步串行通信方式的握手原理,配置一種通信協(xié)議,試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該協(xié)議可靠性較強(qiáng).應(yīng)用VC內(nèi)嵌MMsComm控件編程,在上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信[11-13].

故障特征表設(shè)計(jì)的思想是對(duì)每種故障類型,設(shè)計(jì)一個(gè)故障診斷的原始數(shù)據(jù)表;對(duì)相似類型的采集數(shù)據(jù)備份,原則上設(shè)計(jì)為一個(gè)表;對(duì)分析結(jié)果單獨(dú)列表,提高查詢效率;對(duì)知識(shí)庫單獨(dú)列表,防止沖突.

智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修系統(tǒng)的監(jiān)控管理子模塊與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊相連接,讀取發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并進(jìn)行快速處理后建立發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)庫文件,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測、檢修評(píng)估等功能.圖5所示為計(jì)算機(jī)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)整流器在單相短路時(shí)的診斷分析結(jié)果顯示,圖6所示為發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況報(bào)表顯示.

圖5 旋轉(zhuǎn)整流器單相短路時(shí)診斷分析Fig.5 The diagnostic analysis during thesingle-phase short circuit of the rotating rectifier圖6 發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表顯示Fig.6The reporting display of the generator operation data

4 結(jié)論

從監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)出發(fā),研究了核電機(jī)組監(jiān)測與狀態(tài)檢修的整體框架和實(shí)現(xiàn)方法,重點(diǎn)研究了核電機(jī)組旋轉(zhuǎn)整流器的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件,實(shí)現(xiàn)了大機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測與檢修技術(shù)所要求的大部分功能,具有一定的實(shí)用性.

智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修技術(shù)在國內(nèi)正處于應(yīng)用階段,本文研究的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)只是實(shí)際大型核電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與檢修技術(shù)的一部分.隨著我國核電技術(shù)的快速發(fā)展,智能狀態(tài)監(jiān)測與檢修技術(shù)將在實(shí)際大型核電機(jī)組的健康預(yù)測以及狀態(tài)檢修中發(fā)揮巨大作用.