第3章 水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷(《電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)》中國電力出版社2016年出版)課件_第1頁
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第三章水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷水輪發(fā)電機原理與結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測水輪發(fā)電機故障分析水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)水輪發(fā)電機是水電廠最關(guān)鍵的主電氣設(shè)備,它是否安全正常運行將直接關(guān)系到電廠能否安全、經(jīng)濟、可靠的運作。解決這些問題的有效措施就是實時準確了解水輪發(fā)電機機組的運行狀態(tài),及時準確診斷機組的故障,迅速可靠針對故障進行維修,以減少機組的突發(fā)故障,避免造成的電網(wǎng)事故。在水輪發(fā)電機的單機容量越來越大的情況下,對大型水輪發(fā)電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測,及時準確地發(fā)現(xiàn)故障征兆,做到防患于未然是大型水輪發(fā)電機檢修的發(fā)展方向。3.1水輪發(fā)電機的原理與結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機的原理水輪發(fā)電機是同步發(fā)電機的一種,它是由水輪機作原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),利用電磁感應(yīng)原理把機械能轉(zhuǎn)換成電能的電氣設(shè)備。水流經(jīng)過水輪機時,將水能轉(zhuǎn)換成機械能,水輪機的轉(zhuǎn)軸又帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子,將機械能轉(zhuǎn)換成電能而輸出。

水輪發(fā)電機通常有發(fā)電、調(diào)相和進相三種運行方式。發(fā)電運行時可輸出有功功率及無功功率;調(diào)相運行時吸收少量有功功率,輸出無功功率;進相運行時吸收系統(tǒng)中空載長線所產(chǎn)生的無功功率,同時又向系統(tǒng)送出有功功率。水輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)布置

水輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)布置方式,可分為立式、臥式兩種,大型水電站機組均采用立式的水輪發(fā)電機組。

立式布置的水輪發(fā)電機,主軸為垂直方向,即轉(zhuǎn)軸與地面垂直布置的水輪發(fā)電機。立式水輪發(fā)電機也有其獨特的之處,可以制成大容量機組:由于轉(zhuǎn)子直徑大,飛輪力矩較大;推力軸承為立式,運行的穩(wěn)定性好;安裝維修較方便。立式布置的水輪發(fā)電機,按其推力軸承的安裝位置不同,分為懸式和傘式兩大類。推力軸承位于轉(zhuǎn)子上方的立式水輪發(fā)電機稱其為懸式水輪發(fā)電機,圖3-4所示懸式水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)。推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方的立式水輪發(fā)電機稱其為傘式水輪發(fā)電機,圖3-5為半傘式水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)。1—推力軸承;2—上機架;3—轉(zhuǎn)子;4—定子;5—空氣冷卻器;6—下機架圖3-4懸吊式水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)1-上機架;2-上導軸承;3-轉(zhuǎn)子;4-定子;5-推力軸承圖3-5半傘式水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子極數(shù)多,采用凸極式,直徑大,軸向長度短,通常立式裝配。目前,水輪發(fā)電機組的最大單機容量已達100萬千瓦,將運行在我國金沙江上的白鶴灘水電站。

水輪發(fā)電機與汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)比較:水輪發(fā)電機軸向長度短,汽輪發(fā)電機軸向長度長;水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子極數(shù)多,直徑大,采用凸極式,汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子極數(shù)少,直徑小,采用隱極式;水輪發(fā)電機與汽輪發(fā)電機在定子結(jié)構(gòu)方面相同,均為三相繞組結(jié)構(gòu);水輪發(fā)電機與汽輪發(fā)電機在冷卻方式、勵磁方式均可相同。另外,注意一下,水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極低,而汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極低下面所示水輪發(fā)電機由定子、轉(zhuǎn)子、機架、推力軸承、導軸承、冷卻器、制動系統(tǒng)等部件組成:圖3-6水輪發(fā)電機主要結(jié)構(gòu)3.2水輪發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測

水輪發(fā)電機組作為一種大型旋轉(zhuǎn)的機電設(shè)備,表征其運行狀況的實時參數(shù)數(shù)目繁多,按其物理性質(zhì)可分為:電流、電壓、電功率、電頻率、電絕緣、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、流量、液位、振動、擺度、位移、噪聲等。根據(jù)國內(nèi)外水輪發(fā)電機組的運行經(jīng)驗,其狀態(tài)監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容有:發(fā)電機發(fā)電量監(jiān)測、發(fā)電機定子絕緣監(jiān)測、發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣監(jiān)測、發(fā)電機軸電壓監(jiān)測、機組溫度監(jiān)測、機組振動監(jiān)測、發(fā)電機氣隙監(jiān)測、水輪機水壓脈動監(jiān)測、水輪機流量監(jiān)測等。水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測主要包括以下任務(wù):(1)為水輪發(fā)電機的運行狀況積累資料和數(shù)據(jù),建立水輪發(fā)電機運行的歷史檔案。(2)對水輪發(fā)電機運行狀態(tài)處于正常還是異常做出判斷。根據(jù)歷史檔案、運行狀態(tài)等級和已出現(xiàn)的故障特征或征兆,判斷故障的性質(zhì)和程度。(3)對水輪發(fā)電機的運行狀態(tài)進行評估,并對這種評估進行分類。當一定的標準形成后,為狀態(tài)檢修的實施提供依據(jù)。

由于水輪發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容和汽輪發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容十分相同,其電氣量參數(shù)和非電氣量

參數(shù)的監(jiān)測方法可參照第二章的2.2節(jié)介紹的內(nèi)容,譬如發(fā)電機放電量監(jiān)測、發(fā)電機氣隙磁通密度監(jiān)測、發(fā)電機軸電壓監(jiān)測、發(fā)電機勵磁碳刷火花監(jiān)測、發(fā)電機氫氣濕度監(jiān)測、發(fā)電機振動監(jiān)測等。3.3水輪發(fā)電機的故障分析水輪發(fā)電機的絕緣材料長期處在潮濕和高溫的惡劣環(huán)境下,并且承受著巨大的機械應(yīng)力,極易發(fā)生電氣絕緣故障。與電力變壓器相比,水輪發(fā)電機增加了旋轉(zhuǎn)部分,故其影響安全的因素,除了絕緣故障外,還增加了各種機械故障。另外,水輪發(fā)電機本身機械結(jié)構(gòu)復雜,還有龐大的輔機設(shè)備,使得發(fā)電機組系統(tǒng)的任一部件發(fā)生故障都可能導致整個機組停止運行。根據(jù)國內(nèi)外對水輪發(fā)電機的故障統(tǒng)計和分析,大致可歸納為以下幾種典型故障:1.繞組主絕緣故障繞組絕緣發(fā)生故障主要有三個原因:(1)絕緣老化。主要發(fā)生在空冷的大容量水輪發(fā)電機定子槽內(nèi)。繞組線棒絕緣材料環(huán)氧云母絕緣因存在放電而受損傷,最后引發(fā)主絕緣事故。(2)絕緣的先天性缺陷。主絕緣中存在的空洞或雜質(zhì)引起局部放電,進一步發(fā)展,從而引起絕緣故障。2.定子繞組股線故障

定子繞組股線故障主要是股線短路故障,多發(fā)生在電負荷大、定子繞組承受較大的電、熱以及機械應(yīng)力的大型發(fā)電機。定子線棒通常由多根股線組合而成,股間有絕緣,并需進行換位。水輪發(fā)電機運行中,若發(fā)生嚴重的繞組機械位移,則可能損壞股線間的絕緣,導致股線間產(chǎn)生電弧放電,進而侵蝕和熔化其他股線,熱解定子線棒的主絕緣,可能發(fā)生接地故障或相間短路故障。當繞組振動過大時,也會引起槽口等處的定子線棒股線間的絕緣疲勞斷裂,從而導致電弧放電。3.定子端部繞組故障電機運行時,持續(xù)的機械應(yīng)力或因暫態(tài)過程產(chǎn)生巨大的沖擊力,可使定子端部繞組發(fā)生機械位移。大型水輪發(fā)電機中,此類位移有時可達幾毫米,從而使端部產(chǎn)生振動,引發(fā)疲勞磨損,使絕緣材料出現(xiàn)裂縫,從而發(fā)生局部放電。這類故障的先兆是振動和局部放電。4.定子繞組運行溫度過高定子繞組運行溫度過高主要是受端部漏磁和通風溝通風不暢的影響,由此產(chǎn)生的溫度會比平均溫度高8~15℃。端部漏磁會導致線棒的電流分布不均,進而導致股線出現(xiàn)溫度異常,其溫度差可達25~30℃。5.定子繞組絕緣老化污穢為保證定子繞組的安全性,其內(nèi)外都有多層絕緣,但是定子在運行過程中要承受來自于熱、電和機械三個方面的老化影響,并且這三個方面是相互促進轉(zhuǎn)化的。熱老化主要原因是運行溫度高于絕緣層的可承受溫度;電老化主要原因是防暈結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障或是絕緣內(nèi)部存有空氣隙;機械老化主要是原因是由于電磁振動導致的絕緣松散和磨損。6.定子繞組單相接地故障由于水輪發(fā)電機組在運行過程中發(fā)生的機內(nèi)或是機外故障時,會導致單相接地故障的發(fā)生,如果故障不能及時排除,故障會迅速發(fā)展成為相間或是匝間短路,進而對電機造成嚴重的損毀。導致定子繞組單相接地故障的主要原因有繞組接頭開焊、鐵芯斷裂和絕緣內(nèi)部電老化嚴重等因素。7.轉(zhuǎn)子繞組故障水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障的主要原因有勵磁電流引起的過熱和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的離心力。這些原因都會造成絕緣損壞從而引起繞組匝間短路,引起線圈局部過熱,進而損壞絕緣。8.轉(zhuǎn)子本體故障水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的離心力同樣也可能引起轉(zhuǎn)子本體故障,例如轉(zhuǎn)子自重力的作用導致高頻疲勞,使轉(zhuǎn)子本體及與之相連的部件的表面發(fā)生裂紋。9.勵磁回路多點接地水輪發(fā)電機組在運行過程中由于磁極線圈振動、線圈內(nèi)絕緣污穢、接頭變形以及機組內(nèi)部積灰等影響,都會導致勵磁回路的絕緣能力下降,使得滅磁開關(guān)在過電壓情況下被擊穿,也有可能發(fā)生電弧接地,燒毀整個勵磁控制柜,擴大事故的損壞范圍。10.冷卻水系統(tǒng)的故障水輪發(fā)電機的冷卻水質(zhì)因不潔等原因會引起部分冷卻水管道堵塞,導致水輪發(fā)電機局部過熱,并最后燒壞絕緣。其先兆是定子線棒或冷卻水的溫度偏高,材料熱解使冷卻介質(zhì)中產(chǎn)生雜質(zhì)微粒,使發(fā)電機的放電量增加。3.4水輪發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)3.4.1監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),主要有監(jiān)測系統(tǒng)單元、前置數(shù)據(jù)采集處理單元、上位機系統(tǒng)單元和遠方專家系統(tǒng)單元等:(1)監(jiān)測系統(tǒng)單元監(jiān)測系統(tǒng)主要用到傳感器和智能儀表,對應(yīng)的傳感器和專用的智能儀表對機組的狀態(tài)進行實時監(jiān)測,獲得相應(yīng)的狀態(tài)量,反映機組的運行狀態(tài)。(2)前置數(shù)據(jù)采集處理單元通過監(jiān)測系統(tǒng)單元采集的信號,需要在本單元進行處理,向上位機系統(tǒng)傳送實時采集的信號。(3)上位機系統(tǒng)單元上位機系統(tǒng)由高性能計算機以及相應(yīng)的各種人機接口設(shè)備(顯示器、打印機、遠程通信設(shè)備等)構(gòu)成。上位機是在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心設(shè)備,在線監(jiān)測與故障診斷軟件系統(tǒng)就在上位機內(nèi)核運行。(4)遠方專家系統(tǒng)單元對于大型或巨型水電站實現(xiàn)電氣設(shè)備遠程開放式故障診斷,可以將數(shù)據(jù)傳送到遠方專家,進行異地故障的診斷,確保電站運行安全。如下圖所示,

水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3.4.2監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)功能及特點一個可靠的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)該能對水輪發(fā)電機組的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測,給出正確的狀態(tài)信息,對潛在的故障進行早期分析。事故發(fā)生時能夠保存事故發(fā)生前后的數(shù)據(jù),并能自動診斷,得出故障的原因和部位。同時,能夠根據(jù)保存的數(shù)據(jù),由運維人員進行分析,根據(jù)經(jīng)驗或知識得出更為詳盡的故障原因和推斷故障部位。譬如,水輪發(fā)電機定子繞組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的功能模塊如下圖所示。水輪發(fā)電機定子繞組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的功能模塊(1)實時狀態(tài)監(jiān)測模塊為系統(tǒng)實時監(jiān)測模塊的結(jié)構(gòu),對這些狀態(tài)量進行實時監(jiān)測,并給出定子繞組的運行的綜合監(jiān)測,同時通過模塊分別給出各個狀態(tài)監(jiān)測。實時狀態(tài)監(jiān)測模塊可以對定子繞組監(jiān)測點的參量預警、報警以及物理量上下限超限警示。實時狀態(tài)監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)定子繞組狀態(tài)監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)a.定子繞組放電量定子繞組局部放電類型主要是:定子繞組絕緣內(nèi)部放電、定子端部繞組放電和定子繞組槽部放電。局部放電量的在線監(jiān)測通常采用脈沖電流法。采用脈沖電流法測量局部放電,即是根據(jù)放電時在放電處會產(chǎn)生電荷交換,在與之相連的回路中產(chǎn)生脈沖電流,通過測量此脈沖電流來測量局部放電。直接監(jiān)測定子繞組局部放電的電流脈沖,測出幅值,在線監(jiān)測系統(tǒng)如下圖所示。利用安裝在定子繞組中性點等處的傳感器獲取放電脈沖,對脈沖進行分析處理,從而判斷發(fā)電機內(nèi)部絕緣的局部放電情況。

大型水輪發(fā)電機局部放電的在線監(jiān)測

對大型水輪發(fā)電機定子繞組中性點接地的結(jié)構(gòu)特點以及局放脈沖在繞組中傳播的特性,將寬頻帶電流傳感器安裝在發(fā)電機定子繞組中性點接地線上,通過監(jiān)測電路測得信號,經(jīng)相應(yīng)消噪處理后獲得局部放電信號。這種監(jiān)測的優(yōu)點是繞組中性點對地電位低,寬頻帶傳感器制作和安裝相對容易;缺點是對信號處理技術(shù)要求較高,所以必須采用較高精度的消噪或抑制干擾信號技術(shù)和局放信號識別方法。

b.定子繞組振動發(fā)電機定子繞組振動會造成定子槽楔松動,損傷定子槽絕緣。隨著定子繞組在槽內(nèi)固定程度的減弱,它將導致定子槽內(nèi)放電程度增加,振動幅度呈指數(shù)式增大則電侵蝕增強,繞組絕緣的電氣強度就會消弱。定子繞組振動監(jiān)測方法:定子繞組振動監(jiān)測的測點布置在定子內(nèi)壁的上端或上下兩部分的定子繞組槽內(nèi)埋入多個電容傳感器或加速度傳感器。在監(jiān)測發(fā)電機定子繞組振動時,繞組的徑向運動使傳感器與監(jiān)測目標之間的距離發(fā)生變化,這一變化量的可以監(jiān)測繞組與定子鐵芯的相對運動。由于振動在定子鐵芯的端部比較明顯,監(jiān)測定子繞組振動的傳感器,多安裝在發(fā)電機端部槽口處。采集信號通過一條三軸電纜輸入信號調(diào)節(jié)器,然后將監(jiān)測的信號輸入到發(fā)電機高速數(shù)據(jù)采集裝置,送至工作站進行分析診斷。c.定子繞組溫度定子繞組端部外表面溫度可采用埋設(shè)熱電偶測溫元件或光纖測溫元件進行測量。測溫元件應(yīng)埋設(shè)在發(fā)電機定子槽內(nèi)相鄰定子齒底部的位置上。定子繞組匯流排溫度也可采用埋設(shè)測溫元件進行測量,埋設(shè)部位在定子線圈中性點匯流排部位。繞組銅線溫度分布可采用直接將測溫元件與線棒包扎絕緣,制成直接測量銅溫的線棒,測溫元件的引線可沿著銅導體從兩端接頭處引出。d.冷卻水進出口溫度冷卻水溫度的監(jiān)測采用監(jiān)測進出口水溫的方法,在進出口各安裝1個溫度傳感器,分別監(jiān)測進口和出口的水溫。(2)信號分析模塊用傳感器對水輪發(fā)電機進行狀態(tài)監(jiān)測,測量獲取的信號中包含對定子繞組狀態(tài)識別的各種信息。有效地分析處理這些信息,獲取其特征量,建立它們與水輪發(fā)電機定子繞組狀態(tài)之間的關(guān)系,這是水輪發(fā)電機故障診斷的基礎(chǔ)。然而,信號中常伴有各種噪聲和干擾,要消除或是減少噪聲和干擾的影響,需對信號進行預處理,再對信號進行加工處理,抽取相應(yīng)的特征值。信號分析模塊結(jié)構(gòu),如下圖所示。

信號分析流程:(3)分析與預測模塊根據(jù)水輪發(fā)電機狀態(tài)量的信號采集與分析所獲得的數(shù)據(jù),發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能夠在故障未發(fā)生前完成對水輪發(fā)電機的狀態(tài)分析與故障預測,實現(xiàn)對機組故障趨勢或潛伏性故障的正確分析預測。因此,運維人員可以根據(jù)分析結(jié)果,有目的的進行水輪發(fā)電機的檢修,減少嚴重故障突發(fā)的概率,譬如預防大型水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)軸斷裂故障,從而提高發(fā)電機組運行的可靠性。在故障趨勢預測的過

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