发电机绝缘损伤监测诊断方法研究

王秋

(福建鸿山热电有限责任公司，福建 石狮 362712)

发电机绝缘损伤监测诊断方法研究

王秋

(福建鸿山热电有限责任公司，福建 石狮 362712)

发电机绝缘损伤是威胁发电机安全运行的主要原因，在发电机结构层次分析的基础上，重点对发电机绝缘振动损伤和发电机绝缘热损伤的机理、监测方法、分析诊断方法进行了探讨，最后阐明使用多特征属性距离诊断法对发电机绝缘状况进行综合诊断。

发电机；绝缘；振动损伤；热损伤；多特征数据诊断

1 引言

近年来，发电机事故率有上升趋势，200MW及以上发电机事故占事故总台次的比例不段上升。由于发电机的绝缘性能将影响电力系统的稳定性和安全性，并会带来直接和间接的社会经济损失。因此研究发电机的绝缘故障原因，对其故障状态进行评估，对电机的连续安全稳定运行，减少绝缘事故造成的停机是非常重要的[1-2]。

发电机运行安全的主要威胁之一来自其绝缘体系，这是由发电机的绝缘结构，绝缘的运行环境和运行条件决定的。发电机的绝缘结构是由不同耐热等级的绝缘材料组合而成的固体(槽部)和固一气(端部)结构，其绝缘强度没有自恢复性。虽然在设计时要求它具有相当的耐热等级、足够的电气强度、优良的机械性能和良好的工艺性，但制造过程中的偶然因素可能给它留下先天的缺陷，而运行过程中的放电、电磁力、热应力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘更会造成其性能的逐渐劣化，并且这种劣化过程是不可逆和不断加速的。一旦由于某种原因造成绝缘缺陷点，它就很可能发展成击穿短路事故[3-4]。

2 发电机结构层次分析

层次分析方法(Analytical Hierarchy Process， AHP)是一种定性的多准则决策方法，把系统复杂问题的本质、影响因素以及内在联系进行深入分析后，构建一个有序层次结构模型，使专家经验知识层次化，为求解多目标、多准则复杂系统故障诊断问题提供一种简便的分析诊断方法。发电机是机电的耦合系统，按其结构划分可以把发电机系统分为定子系统和转子系统两个子系统，子系统层下又可以划分为部件层。发电机系统的结构层次分析可以用图1 表示。

3 绝缘振动损伤监测诊断方法

振动作为每个机械都不可避免，可以作为反映设备健康状况的一个特征量，可以通过研究振动确定设备的状态。发电设备状态正常时，其表现出来的振动特征量如频率、振幅等变化不太明显。如果发现设备的特征量的数值变化比较大时，表明设备可能没有运行在正常的工作状态，可以通过分析这些振动特征量来判断设备的运行状态。发电机组振动特征主要有以下几点：

图1 发电机结构层次分析

(1)振动故障的渐变性

与其他的旋转机械相比，发电机组的转速比较低，一般每秒钟只有几转相对一些发电机的每秒钟几十转小很多。因此大部分故障特征不明显，是渐进性的，突发故障比较少，只是表现出一些磨损和疲劳特性，是一种量的积累过程。这些渐进性的故障特性，使得可以在早期发现一些故障的特征信号，进行相关趋势分析，从而做到早发现早治疗,提高设备的维护效率。

(2)振动信号的复杂多样性

发电机组动水压力形成的振动；设备内部机构各部分相互作用形成的机械振动；设备内部电磁作用力不平衡形成的电磁振动，这些因素是发电机组振动的重要原因，加上发电组的组成比较复杂、体积比较大，同时这些因素都是相互耦合的，可能是某一方面或者几个方面同时作用在机组上，导致振动组成复杂，表现出很强的非线性，很难用单一模型去描述。

(3)振动信号的因果非对称性

振动信号一个特征可能有多个因素导致的，同时单个振动因素可以在振动信号的多个方面反应。故障特征之间的交叉比较明显，故障和特性之间不存在明显的对应的因果关系。

(4)振动信号的不规则性

电厂的选址、设计、施工受地理位置和技术条件的限制，同时不同地区的电站的电网、水文、气候和安装调试环境不相同，使得不同电厂之间、不同机组之间的振动情况有很大的不同，特征的不规则性明显。所以，设计统一的振动状态分析系统来应对不同的电站环境非常的困难。振动信号的复杂、不规则等因素，使得工程研究人员很难使用具体的统一语言来描述设备振动故障的特性、位置、大小，难以建立具体、全面描述的数学模型，进一步导致振动故障诊断的发展比较缓慢。为了保证发电机组能够正常运行就必须有完善的信号分析和采集系统，通过提取振动信号的相关特征量来确定设备是否需要检修，使得振动监测真正意义上向状态检修转变。

信号采集是指通过传感器把能反映设备特征振动信号测量出来，使用模数转换设备变换成计算机可以识别的信息。信号分析是把数据卡采集回来的信号进行处理、综合、分析，使得处理后的信号可以反映出设备状态信息。使用现代信号采集与分析方法，可以极大地提高设备的维护效率，使得针对设备的问题的处理更有针对性，节约大量的人力和物力，提高发电设备的可靠性。目前很多信号分析技术都是随着快速傅里叶变换(FFT)的使用发展起来的，如传统用于发电机组故障诊断方法主要有频谱分析、功率谱估计和相关分析分析等。其中常用到的方法是频谱分析，被大量使用在各种工程技术分析领域。由于发电机组的振动比较复杂，通过对振动信号使用频谱分析经常只能粗略的知道发电机组是否存在故障、以及一些明显故障的严重程度的信息，很难对故障的发生的具体部位进行判断，一般只用于发电机的简易诊断。为了得到设备状态的具体信息，人们不断引入最新的信号分析方法包括短时傅里叶变换、经验模式分解、小波分析等。其中小波分析作为一种现代的时频分析方法，与传统的信号处理方法相比，更加适合处理非平稳信号和突变信号，突出信号在时域和频域的局部化特征，这些特征是后期故障判断的重要依据。现代信号采集和分析技术可以与专门的信号处理设备或者带有虚拟仪器软件的计算机相结合，继而实现多角度对故障信号进行观察。

4 电机绝缘热损伤与热应力分析方法

上世纪80年代，由于温度和热应力等引起的发电机发生故障不断出现，尤其在发电机起停过程中，电机温度骤变会引起很大的热应力，发电机很容易发生故障(如图2所示)。

4.1 电机温度场分析方法

电机的温度与热力学计算的发展，主要决定于电机温度计算的发展。近年来，瑞士阿尔斯通公司提出了一种基于迭代功率损耗，气流和温度的耦合计算方法，计算得到了一个完整定子在铁心的温度分布；英国学者对永磁电机转子涡流损耗及温度进行了计算，分析了非正弦电流谐波引起的损耗对温度的影响，并制作了样机，对计算结果进行了验证；挪威学者对变速异步电动机温度进行了研究，分析了电力电子器件、电压电流波形、开关频率等电机控制部分对电机温度的影响。

图2 发电机硅钢片故障实例图。

国内对电机的发热与冷却问题的研究始于 20 世纪 80 年代，中国电力科学研究院的李德基等人做了大量的工作，他分别采用等效热路法和等值热回路法计算了发电机稳态温度场和暂态三堆温度场。90年代，哈尔滨理工大学的汤蕴璆、张大为等用数值方法计算了大型水轮发电机定子最热段温度场，魏永田、张静等对水轮发电机定子温度及散热系数的计算进行了研究，李伟力等对水轮发电机定转子三维温度场进行了研究。

进入 21 世纪，电机温度场数值的计算开始向多元耦合物理场过渡。华北电力大学的罗应立，王红宇，李和明等分别采用非线性热-流体耦合网络和热-流体耦合单元的三维非线性有限元温度场模型，对两种模型的计算结果进行了比较研究；浙江大学的夏海霞，姚缨英等对大型发电机端部电磁场和温度场的耦合分析进行了研究；华北电力大学的李俊卿，采用混合单元法对发电机定子温度场进行了分析与计算；采用混合坐标系，研究了发电机的电磁场与温度场的耦合关系。

4.2 电机热应力分析方法

在电机热应力方面的研究以故障和寿命为主。澳大利亚学者对电场、热场和应力场的耦合计算进行了研究；西屋公司对超导发电机定子热应力进行研究；印度学者对发电机绝缘的热应力与老化进行了研究；加州学者对空载和负载两种情况下发电机的热应力和转子疲劳进行了研究；德国学者对双馈感应发电机转子温度与热应力进行了研究。

我国在电机热应力方面的研究起步较晚。对电机的热应力的研究停留在理论研究阶段，而且大部分研究是针对发电机转子的热应力。华北电力学院的杨昆，张保衡，黄仙等提出了一种汽温非线性变化条件下汽轮机转子热应力线图的确定方法。对汽轮机转子热应力的二维离散模型和自适应模型进行了研究。进入21世纪，浙江大学的盛德仁、蒋志强、李蔚、任浩仁、李剑、陈坚红等在电机热应力方面做了大量的工作，包括，水轮发电机定子铁心硅钢片外移事故的研究；对逆顺序混合算法进行了改进，分别计算了汽轮机转子有无中心孔和轴封槽简化对转子温度和应力分布的影响。2007年，哈尔滨工业大学的刘占生对汽轮机转子热应力及其寿命进行了研究，采用间接耦合方法计算了转子瞬态应力场。2010年，海军工程大学的王艳武等对感应电动机转子三维温度场及热应力进行了研究。

5 发电机绝缘多特征属性距离诊断法

多特征属性距离诊断方法是一种针对复杂设备的故障诊断方法，通过对专家经验知识的故障特征属性量化，建立起故障标准特征属性，通过求解被检故障特征属性与标准属性之间的距离，得到故障诊断结果。避免了采用单一属性进行故障诊断造成的诊断片面性和不准确性。假设反应设备故障状态的特征参数有n个，则故障模式Mi可以用特征属性的集合来表示，Mi={Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin}，其中Xij为标准的故障特征属性值。设备有m个故障模式集合，则故障模式集合R可以表示为R={M1，M2，M，…，Mm}，其中Mi(i=1，2，3，…， m)为故障特征属性标准集。建立的故障标准特征属性矩阵如下：

(1)

上式表示的故障标准特征属性矩阵包含了m个故障模式，每一个故障模式包含了n个特殊属性。

设被检故障特征属性集合为M′={x1，x2，x3，…，xn}，通过求解M′与Mi的特征属性距离，来判断M′与Mi的相似程度，得出诊断结果。多特征属性距离求解公式如下：

(2)当Di值最小时，表示M′与Mi的特征属性距离最小，即M′与Mi的相似程度最高，即可做出M′属于故障模式Mi的诊断。

6 结论

本文首先解析了发电机结构层次分析，其次分析了发电机绝缘振动损伤特征和监测分析方法，再次给出了发电机绝缘热损伤中温度场分布与热应力的分析方法，最后提出了应用多特征属性距离诊断发电机绝缘状况的方法。

[1] 李宪栋，唐新文，石月春，等.发电机局部放电在线监测系统现场应用探讨[J] .水电能源科学，2011，10:150-154.

[2] 姚林朋.发电机局部放电在线监测多代理专家系统设计与实现[D].上海交通大学，2007.

[3] 程养春.发电机定子绝缘局部放电非接触式在线监测方法的研究[D].华北电力大学(北京)，2005.

[4] 万元.大型发电机局部放电在线监测与分析方法研究[D].华中科技大学，2009.

Research on the Diagnostic Method of Insulated Damage Monitoring of a Generator

WANGQiu

(Fujian Hongshan Thermoelectricity Co.，Ltd，Shishi 362712,China)

The insulated damage of a generator is a main cause to threaten generator safe operation.On the basis of analysis of the generator construction step,the paper discusses the generator insulated vibrating damage and the mechanism,monitoring methold and analytical diagnostic method of the generator insulated heat injury.Finally,use multi-characteristic distance diagnostic method to carry out synthetic diagnostic to the generator insulated conditions.

generator;insulation;vibrating damage; heat injury; multi-characteristic data diagnostic

2014-09-04

刘建(1989-)，男，硕士，研究方向为电力系统及其自动化、智能电网。冉玘泉(1987-)男，硕士，研究方向为分布式发电、智能配电网控制技术。

1004-289X(2015)05-0070-04

TM31

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