（电机与电器专业论文）大型汽轮发电机在线监测与故障诊断技术的研究.pdf

华北电力大学硕士论文擒要 摘要 在大型汽轮发电机每根定子线棒慰嚣水处和线棒屡闻都装设有测温元件，如何 合理逡利用这些测温元件进行热故障在线鉴测与诊断故障是现阶段需要研究的课 题。鉴于就，本文建立发电祝定子绕组动态温度水力模型，对该模型进行推导与简 化磊，得到描述定予绕组动态温度水力模型的数学表达式，用径向基函数神经网络 ( r 8 f 黼) 对模型参数进行识别，求取单调连续的两个负蘅点闻线棒温度的过渡时 闻，以此作为益测发电杌运行状况的判据。通过对菜电厂一台6 0 0 m w 的汽轮发电机 进行计算，证骥了该方法的芷确性。用该种方法进行热故障在线监测最大的优点是 不受定子线棒温度延迟时间的影响。 另外，将小波多分辨率分析与小波能量谱分析方法运用到发电机转子发生匝间 短路时在定予并联支路产生豹电压差与环流信号的分析孛，并对信号进行了小波包 软阀值去嗓。采用m a l l a t 算法对信号进行快速分解与重构。采用了第6 高频细节 的小波能量作为转子匝间短路敏障的特征量。实验结果证明了该方法的正确性和有 效性。 关键词：在线监测，放障诊断，人工神经网络，小波变换，转子匮澜短路 a b s t r a c t 鼹l ee l e m e 嫩so fs 嫩e y 主n 塞t e m p e r a 锨r ea r e 蠢x e do 鼗搬ee n 纛嘏也es t a t 激b a 醛a 砖 泌乱张e 致斑es 招霪o fb & 塔趣l 掰麓e 霹辩r 毒e 沁r s 歉0 wf e a s o 娃a b l yl 薹s e s 攮e s e 砉e 趣p e f & u r e e l e l n e f 娃st ol 矬o n i t o ra 羔l dd i a g n o s et h et 歉e f l 鼓of a u l li st h et o p i ew 瓣c h 专h e 套r e s e l 娃s 攮窝。 矬e e d s 量os t 毯d v i nv i e wo f 重h i s ，嚣畦搬豫oh y d l 谊 l 娃c 芏n o d e l f 彘ew a 童e 芏_ e o o l e 纛s 长瞧c fb 鑫r si 鼓 l a r g 嚣g e n e r a t o ri sp r e s e 疵d ，也r o t l 豳e 越c u l 敷i n g 瓤通d e d u c i n 甾t h e 热溅试毪愆蚤e e 妇g 也e d y n a m i cm o d e li sg i v e n ，t h e mr a d i a l b a s i s 如n c t i o nn e u r a ln c t w o r k 僻b f n n ) i su s e d 协 i d e 娃娃也e 融o d e lp a 黻搬e 专e 搭勰莲e 蠢c 鑫耗壤e 糖搬s i e 嫩斑疆oo f 攮et e m p e 斑镪r ew 瓤e & o c c u r r e dt o 、张t e r c o o l e ds t a t o rb a r sf b ml o a d 1t ol o a d 2 a 触dm a k em et r a n s i e n tt i m ea sa t o o lt oi u 【d g et l l e 繇e n e r a t o r 、m o r k i i l gi ni l o 彻a lc o n d i t i o no ri nt h e r l n a lf - a u l tc o n d i t i o n a n e x 嬲：蔽p l e 、锇c hb 蠢s e so 致鑫6 0 0 m ws 豫e 渤黪l 瑟辩鑫e f 敷o fi s 璐e 莲毫op f o v e 搬i s 稔e 壤翅毽e r 糟c 谣y a n dt 王l e 碰s t i n c ta d w 激t a g eo f 撒i st e c q u ei s 伽a tt h ei u d g m e n tr e s u l ti sn o t a j 瓷c t e db yd e l a yt j 妇ew h i c hc a u s e db yt e m p e r a 瓴j r es i g m a l 。 m 醢l t i 鹅s o l 试i o 娃a 鼓鑫l y s i sa 珏dw a v e l e te 纛e r g ys e e 投嫩a 揩毪s e 鑫埝a 鞋a l y s i s 魄e s i g 藏a l so fd 封l 隐r e n c ev o l t a g ea n de i f e h l a rc u r r e n lw h e nt h of o t o rw i n d i n g sa r ef a u i t y a n d 珏s i n gw a v e i e 重p 鑫e 盐e 专t or e d u e e 薹l o i s eo fs i g n a i s 。氛哇a l l a 专sd e c o m p o s i t i o na l g o r i t i 激i s a p p l i e d 专。纛e e o l n p o s e 也es i g 箍a l s ，i 鼗t 撩e 致d ，饿ew i v o l e te n e r g y f 馕e6 也d e 专a i li s a d o p t e dt oe x 投a c 蠡：a 鼍l 臻eo ft h ef o l o rw i 纛g d i 疆g 瓤珏l 。 b a ng u o _ b 勰g ( 嚣l e e 域c a lm 拄e h i 致e r y 疑de l o e 城ca 弹l i a 娃e e ) d i r e c t e db yp r o f l i1 y b n g 喀a n g k e y w o r d s ：o 赡一l i n em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，a n n ，w a v e l e lt r a n s f e b 它l l 摊一s h 0 1 t e d o f 绣el 奄垂0 1 w i 矬g d i 程g 声明尸明 本入郑重声明：此处所提交的硕士学攮论文大型汽轮发电槐在线监测与 故障诊断技术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文孛特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书弱使震过蛉材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被鲞阅或借 阕；学校可以学术交流为目豹，复铡赠送和交换学位论文；犀意学校可以熙 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 渺密的学位论文在解密后遵守此裁定) 作者签名： 华艺电力犬学硕士学袋论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章引言 随着圜民经济的持续发展，现代电力工业向高参数、大容量方向发展，电力系 统中发电枫的单枫容量越来越大，大型发电机在电力生产中处于绝对主力位置。同 时大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，一旦遭受损坏，需要的检修期长，因此要 求有极高的运行可靠性。发电机的故障和停运，不仅会损坏昂贵的电机本身，造成 壹接巨大经济损失，而且会寓接威胁整个电力系统的安全和可靠供电，造成恶劣的 社会影响。因此对大型机组进行在线监测与故障诊断，做到早期预警以防止事故的 发生或扩大具有重要的现实意义。 2 0 0 3 年，全国_ 共有1 0 0 m w 及以上发电机1 0 7 2 台，全年共发生发电机本体故 障4 2 次，年故障率为3 。9 1 次百台年。另外还有异常故障6 1 次和外部故障1 4 次。在4 2 次发电机本体故障类型中，定子温度类故障总数为2 9 次，占6 0 以上。 其他年限的统计也大致如此【l l 。 自2 0 世纪8 0 年代以来的国际大电网( c i g r e ) 历届年会中，发电机的故障检 测和诊断被列为s c l l ( 旋转电机) 委员会的中心议题之一。在1 9 8 7 年，t a v n 髅e j 与p e n m a nj 提出了电机状态滥测的概念。汽轮发电枫状态篮测与蔽障诊断是 指在线监测汽轮发电机相关运行参数( 如电压、电流、磁通、转速、温度、振动、 嗓声、局部放电) ，并采用适当方法评估发电机当 ； f 的运行状态；若处于故障状态， 则进一步确定故障的类型、发生部位、严重程度及其发展趋势【2 】。监测系统的总体 框图如图1 1 所示珏l 。数据通过传感器将其他类型豹物理量转换为电气量，经信号 适配器进入多路转换器，这一过程一般在现场进行。进入多路转换器的信号需簧进 行采样保持，然后将模拟信号转换为数字信号，这一过程在距离设备比较近的地方 进行，这样做是为了减弱噪音对模羧信号的干扰。信号经过模数转换焉就可以传输 到较远距离的地方进行处理和诊断，因为数字信号不受到噪音的干扰。 电机状态监测技术可帮助运行维护入员摆脱被动检修和不太理想的定期检修的困 境，按照设备内部实际的运行状况，合理地安排检修工作，实现所谓“预知维修。这 样既可避免由于设备突然损坏，箨止运行带来的损失，又可充分发挥设备的律震。现阶 段，我国出现了缺电、用电紧张的状况。发电机的年运行小时数和满负荷率都较以往高 出很多，在备用容量很少的情况下，发电机运行可靠性显雩导尤为重要和突磁。因此对大 型机组进行在线监测与诊断，使设备从传统的预防性检修提高到预防性状态维修，傲到 早期预警以防止事故的发生或扩大具有重要意义。 华北电力大学硕士学位论文 卜磊卜、面r 竹距离 现场 短距离 一 图1 1 监测系统总体框图 。2 电机故障诊断技术研究的主要内容 3 0 多年柬，故障诊断技术不断吸收各门科学技术发展的新成果，诊断的理论与 应用有了很大的发展和进步，它涉及系统论、控制论、信息论、检测与估计理论、 计算机科学等多方面的内容，成为集数学、物理、力学、化学、电子技术、信息处 理、人工智麓等基磷学科以及各相关专监学科于一体的新兴交叉学科。故障诊断技 术研究的主要内容包括以下4 个方面：故障机理、故障信息处理技术、故障源分离 与定位技术、人工智能技术的应用研究p l 。 故障机理的研究，是以可靠性和故障物理为理论基础，研究故障的物理学或数 学模型，进行物理模拟或计算机仿真，其目的是了解故障的形成和发展过程，明确 故障的动态学特征，从而进一步掌握典型的故障信号，提取故障征兆，建立故障样 板模式。故障机理的研究是故障诊断的基础，是获得准确、可靠的诊断结果的重要 傈证。 故障信息处理技术是故障诊断的前提，它在提高诊断的准确性和可靠性方面处 于遗参常重要的地位。常规的放障信息处理技术包括故障信号检测和故障信号分析处 理两个部分。信号检测通常是指振动、噪声、温度、压力、电流、电压等信号中的 一种或几种，这需要各种各样的传感器来对信号进行测量；故障信号分析处理是对 检测到的各种状态信息进行加工、变换，以提取故障征兆。目前，应用最广泛的故 障信号分析处理方法是傅立叶( f o u r i e r ) 分析和相应的f f t 快速算法。借助于f f t 算法实现的信号处瑗有频谱分析、相关分析、相干分析、传递函数分析、细化谱分 析、时间序列分析、倒频谱分析、包络分析等。这些分析方法在故障诊断过程中起 到? 重要的作用，但傅立时分析方法只适合予分析连续的、乎稳的时域信号。为了 2 华北电力人学硕+ 学位论文 有效地分析处理工程应用领域中大量的非平稳信号，人们把小波( w a v e l e t ) 和分形 ( f 豫e t 羹 这两种新的工具引入到故障信号的分析处理中。它们的理论和应用研究 十分活跃，预示着在故障诊断领域中将获得广泛的应用。 故障源分离与定位也称为故障模式识别，是将经过信号处理得到的有限的或不 完整的特征信号与故障原因对应起来，使故障源定位。故障源分离与定位技术是故 障诊断的关键技术，将故障源定位是故障诊断的最终网标。 。 智能诊断技术是大型复杂系统故障诊断发展筋重点方向。露静，尽管人钓在智 能诊断技术的研究方面做了大量的研究工作，但无论是在理论方面还是在实际应用 方面都还存在许多问题有待于研究解决。 1 3 国内外研究现状 目前，以美国为首的西方国家在开展大型汽轮发电机的在线监测与诊断技术的 综合研究方面处于领先地位。究其原因，主要是美国形成诊断技术产业化的时间较 早。如b c n t l v ，l r d ，b e i ，从事对大型电站机组的运行和监控的研究，以及对机组 可靠性、安全性、维修性与经济管理技术方筒的研究，已有了4 0 多年的历史，建 立了庞大的数据库管理系统，并开震了专家系统的研究，具有雄厚的数据与软件实 力。 我国大型汽轮发电枫组的在线监测与故障诊断技术从“七五 、“夕五 起 步，并在“九五”期间仍继续受到支持，由此可见其麓要性。西安交通大学、哈尔 滨工业大学、清华大学、华北电力大学等一些高校及西安热工研究院等一些研究单 位在大型汽轮发电机组故障机理及其诊断技术研究方面总体上处于国内领先水平。 在现场信号采集与故障诊断仪器及数据管理软件的研制方面，国内虽有一些大学及 研究所推出了自己的产品，如北京振通检测技术研究所推出的9 0 2 和9 0 3 便携式数 据采集器、重庆大学测试中心的q l s a w 型振动噪声测试分析仪、大连理工大学 推粥的p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪及管理软件等，僵随着计算机技术尤其是微处理 器及软件技术的飞速发展，上述装置及软件系统在性能指标、可靠性、软件对不同 公司数据采集装置的适应性等方面均存在一定的局限性瞪l 。 1 4 定子绕组热故障在线监测方法与应用 国际上针对发电机热故障状态监测是近十几年来兴起的，国内在这个领域的研 究也是近几年刚起步，公开发表的文章有几篇，它们有各自的特点。 4 基于发电橇状态运行参量的温度水力模型 1 ) 李永刚老师建立了一秘发电机定子绕组温度水力模型，建模时做了这样的 华北电力人学硕士学位论文 假设：定子线棒绝缘是绝热体，线圈导体不能通过绝缘和外界发生热交换，线圈产 生的热量全部由冷却承带走，线圈的热源为焦耳热，忽略线圈电阻受温度变化的影 响，忽略定子线棒的轴向传热。模型的结构如下： ；= 是生 ( 1 一1 ) 式中：f 冷却水进水温度；，定子电流；，考虑集肤效应后线棒的电阻；七与发电 机结梅有关的常数；：线捧出东温度：矿冷却水流量。除了参数壹为常数外，其 余的量都是发电机的运行参数。常数七可通过最小二乘法或神经网络中的bp 算 法，以发电机的运行参数作为样本训练求得h 】。 2 ) 蒲莹对李永刚老师的模型进行了改进，建立了一个新的模型，该模型的建 模思路和李永刚老师的建模思路相同，并考虑了温度变化对定子线棒电阻的影响， 认为导体的电阻是湓度的函数，发电机的线圈温度是变化的，把线圈电阻看作定值 所造成的误差不容忽略。该模型的结构如下： 础) _ ( 磊一扣纠瓦一扣+ 等o + 、 口掰l h，、 三【( 等) 2 + 磁k 4 h 式中：疋冷却水进水温度；，。定子电流；v 冷却水流量。其余的参数是和发电 机结构和丰芎料特性有关的常基，这些常数可以用最小二乘法求出，也w 以用人工神 经网络去辨识，训练样本为发电机正常运行时采集的数据陋j 。 3 ) 指纹系数判叛法俄罗斯学者v p o l i 威o v 根据经验建立了一种温度拳力 模型，特别适合于水一氢一氢冷却方式的电机进行在线监测。其主要的思路是：找出 影响定子空心线棒冷却水温度的若干因素，确定某一工况下这些影响因素的标准值 ( 在电机完全康复的状态下) ，改变工况，将这一工况下的稳态值与标准状况下相 比再乘以一系数( 这个系数就叫指纹系数) ，再把各影响因素叠加起来就可以得到 该工况下的温度，褥稍微改变几次工况，就可以得到该工况下的指纹系数。温度水 力模型如下的表达式： 谚= q + 岛眠+ 吾f 等+ 竽托。一巩) 】) ( 1 3 ) 露；反映了测量通道的状态，壤与测温元件的灵敏度有关，囊反映空心线棒的流通 状态( 其值越小则冷却效果越好，该系数对堵塞状况非常敏感，可以通过它的变化 来进行堵塞诊断) ，露，和气体现了附加损耗和分质散发热量对温度的影响程度，巍帮 色用来进行测温元件的接触性能诊断。式中，电流和冷却水流量采用标幺值。当然 各空心线棒由于结构不完全对称，指纹系数会不一样，但是如果电机处于健康状态， 各系数不会有太大差剐k q l 。 华，l 电力人学硕士学像论文 4 ) 数值计算法；根据传热学和流体力学的基本原理，采用热平衡方程将温度 模型离敖化为非线性方程组，联立求鳃定子绕组温度与冷却水温度的方程组，可求 出定子线棒中的温度分布。 兰t 罢) + 晏魄娶 + 晏( 走罢) + 鼙：心娶 呶呶魂。啪o zo zo 苫 叱2 瓦 ( 磊到：o q 4 ) 咖l ， c 磊飘= t h ， 式中：五五，爱分别为x 、y 、z 方向的导热系数；r 为定子线棒铜线的温度；g 为内部热源密度；矿为物体的密度；c 为物体的比热容：r 为时间；磊为一类边界 面墨上的给定温度；五为边界面外法线方向的导热系数；口，为对流换热边界面上岛 的换热系数；0 为对流换热边界西文周圈的冷却介旗温度；嚣表示边界面外法线方 向9 1 。 5 ) 许伯强老师提出了种基予参数辨识的发电机定转子绕组温度在线监测方 法，即首先辨识发电机定转予绕组电阻，然后根据金属电阻与其温度之间具有严格 线性关系这一规律，计算发电机定转子绕组温度，进面实现在线监测。 r = r 【l + 口( r 一五) 】 ( 1 5 ) 式中，r 为温度t 时的会属电阻：r 为参考温度露时的金属电阻：搿为电阻温度 系数，对于金属铜，掰= o 0 0 3 9 3 。在辨识出发电机定子绕组及转子励磁绕组电阻之后， 根据式( 1 5 ) 可以很容易地计算出绕组温度，从而对发电机定子绕组及转子励磁绕 组实现温度在线益测瓣羽。 1 4 2 定子绕组热故障在线监测各种方法的分析与比较 其中l 与2 的温度模型建模的思路相同，前者认为导体的电阻是温度的函数， 后学认为发电机的线圈温度是变化的，把线圈电阻看作定值所造成的误差不容忽 略。考虑到定子线棒产生的热量9 7 被冷却水带走。后者计算了一台3 0 0 m 疆汽轮发 电机定子水内冷线圈的出口水温度，最大误差不超过2 。模型3 的指纹系数有其 特定的含义，可以反映出测量通道的固有性能、冷却管路的通畅程度以及测温元件的 灵敏度。对各线圈( 或各槽) 的指纹系数的横向比较，可以诊断出具体的故障类型，避免 溢度比较法可畿产生的误判和漏判。是墨前较为实用的一种故障诊断方法；该模型 计算与上同一类电机定子线棒的出朋水温度，最大误差不超过1 ；模型4 可计算 出部分绕组和铁心的平均温度，若组成电机的部件增加，可以估算出电机的温度分 5 华j 电力大学硕士学位论文 布以及最高温度；模型5 的方法简捷实用，且有比较强的抗干扰能力，可集成于发 电厂现有的发电机状态监测与故障诊断系统，无需任何额外的硬l 牛投资，软件开销 很小。但采用参数识别方法只能计算一相绕组的平均温度。 众所周知，进行发电机的状态监测与故障诊断最重要的是故障机理分析，进而 提取发电机故障时的特征信号。汽轮发电机的3 类( 电气故障、机械故障以及冷却 系统故障) 故障都会导致温度的变化，因此温度作为一个很重要的参数用于汽轮发 电机的在线蓝测与故障诊断中。其它的诊断理论、诊断模型( 主要是非温度的数学 模型) 与温度模型一起应用，使故障类型与故障的特征一一对应，通过故障树或者 现代智能方法( 如神经网络) 对发电枧故障进行诊断。同时，诊断理论与诊断模型 应该要多元化，这样有利予提高故障诊断的抗干扰能力的提高。 5 本文的工作 本文在参考大量国内外文献的基础上，对汽轮发电机定子故障与转子故障作如 下的研究： 1 ) 比较指纹系数法模型与蒲莹温度水力模型在确定发电机定子绕组温度标准 值时的准确度，透过实际计算，采雳l e v e 曲锻g - m 嘲u a f d 的优化算法改进3 p 神经 网络，以m a t l a b 为计算的软件平台进行编程，计算得到某定子线圈出口水温与 槽内检温计温度标准值，采用指纹系数温度模型神经网络的输入量为：定子电流平 方，定子电流，定子入口水温。通过计算得到的最大误差分别为0 3 1 和0 4 3 ， 采用另一个模型得到的最大误差分别为o 3 6 和o 5 4 ，证明指纹系数模型在确 定定子绕组温度标准值时有更高的精度。 2 ) 建立定子水内冷方式发电机定子绕组的动态温度水力模型，通过推导与计 算，得到描述动态澄度水力模型的解析表达式。用r 嚣f 神经嬲络对模型参数进行识 别，求取单调连续两个负荷点线棒温度的过渡时间，以此作为监测发电机运行状况 的判据。遴过对菜电厂一台6 0 0 m w 的汽轮发电机进行计算，证盟了该方法的芷确 性。用该种方法进行热故障在线监测最大的优点是：不受线棒温度延迟时间的影响。 3 ) 详细地分耄跨转子绕组发生匿间短路时定子并联支路出现的环流；将小波多 分辨率分析与小波能量谱分析运用到发电机转子发生匝问短路时在定子并联支路 产生的电压差与环流信号的分析中，通过采集现场的试验信号，用小波变换的方法 对采集到的信号进行了分解，最后采用小波能量的方法对转子匝闯短路弓| 超的定子 并联支路2 倍频环流进行了提取，得到反映转子匝间短路不同程度的能量谱。 6 毕北电力人半硕 “学位论文 第二章汽轮发电机定子绕组稳态温度水力模型 本章丰要介纠发电机定子结构以及定了故障的成网。选择定r 绕组稳态温度水 力模型指纹系数温度水力模翻，用肚于ma j l a b 工具箱函数的改进b p 神鲐叫 络对该模型进行参数泌别的方法，最时确定在线l 箍测发电机定子绕组的温度标准 值。小章仃承前肩后，既埘i j l 章内容进行r 扩展，义足f 章内容的基础。 21 汽轮发电机的结构 汽轮发电机大多采用水氢氢冷却力式即发 u 机定r 绕组采用水内冷，定子铁 心表面氢外冷和转千铁心氢内冷。 汽轮发电机的机座士要是支撑和固定铁心等部件的作用，整个铁心和定了线圈 通过它安装并固定在基础上，而且设用风道和风室，以便冷却发电机的铁心。定子 铁心为豳筒形。为了减少发电机运行时的损耗和发热，铁心聚片j 高导磁率玲轧无力 向性的优质硅铡片，硅钢片的两面涂以绝缘漆，可以长期在高温f 运行，另外，为 了满足铁心通胍的要求，铁心轴向分为了一些细段，段间设有通风沟。立【】图2l 22 所示。 削21 汽轮发电机定手机座和定于铁心 为了改善端部的磁场分布，铁心两端设有若1 。阶梯式的叠”段，如图22 所示。 有的发电机还在这儿段冲片的齿中怕】冲有狭长槽，以降低端部漏磁在齿中引起的涡 流损耗【”“”。 华北电力人学硕1 学位论文 1 ，a 嘲22 定于铁心端部的阶梯曾片段 发电机定于绕组由许多定子线棒连接m 成，何根线棒用铜线制作成型后外包绝 缘。线棒分为直线部分和端线部分，占线部分放在槽内，如图2 3 所示，它是切割 磁力线感应电势的有效边。端线部分起连接作用。大型汽轮发电机槽内线棒电流密 度搬大，周围存在气体介质会投生放电现孽，称之为电晕。电晕的存在将对发电机 的绝缘介质产生腐蚀作用，为了防止电晕的产生，通常采川的方法肯电阻分压法与 电容分脏法。电阻分压法使通过对定子线棒表面涂不同电导率的半导体漆的方法， 柬减小线棒表面和铁心之旬的电位差，从而线棒表面电场分御均匀防止电晕：电容 分脏是在线棒绝缘层内部没置内屏蔽层 生。 l蜊厂蓠 利用串联电容分挺的原理防止电晕的产 圈23 定于线棒结构及其槽内定 槽内每根线棒由宅心铜线与实心铜线编制而成，通常是每隔几根实心股线夹一 根空心股线，如图23 所示。空心铜线内通入冷却水以实现定r 绕组的水内冷。在 线圈的端部为了使水电回路分开，需要个换排的装置，即水电接头( 图24 所示) 。 为了减小线圈中的附加损耗，备锕线需要沿轴向进行换位。中间换位后的空心铜线 按定方向弯头并溜焊成整体，接八到水 u 接头内，水电接头通过引水管与总汇 水管相连，形成水的通道，往机组要进入投运阶段，需要进行检漏与流量试验。上 下层线棒的实心铜线两两相对焊接在起，形成电的川路，同时，左右实心股线排 r 华j 电力人学硕十学t = ) ：论文 琐层各增加两根实心股线，即所谓的“假线”，以减小上r 层线棒电气连接头的电 流密度1 。 幽24 定子绕的水l u 连接幽 冷正| 】水经过法兰进入发电机的励端圆环形的汇水总管，再从汇水管分成多个支 路，通过绝缘引水管流到各线嘲的空心制线中，对发电机定子绕组进行冷却后从汽 端汇水管然后流卅机外。图25 为定了绕组水系统连接幽。 圈25 定f 绕纽水系统连接圈 22 汽轮发电机定子线棒测温元件的设置 为了掌握发电机内部存处在i 耋行中有无危及安全的异常现象，如过热。发电机 预先要埋设电测温元件。在发电机定于的每个槽内rr 展线棒f 目埋设一个测温元 件，测温元件预先埋置在屡t i 挚条巾，升与垫条连接成一整体。兀件的引线呆用凹 氟己烯绝缘屏蔽线，从靠汽端边段铁心的通风道处引出，到铁心轭部后汇集r 蛇形 保护管中，引到机瞳腹部的测温接线板上。 在靠近发电机定_ f 绕组出水汇流管的各个水接头上，各设簧个端面测温元件， 用以测量每槽线棒的出水温度，如图25 所示。元件的引线沿汇流管汇集后，用蛇 形保护管引至机座腹部的测温接线板e 。在定子引出线出水汇流管的各水接头= ， 华i 艺遁力大学矮士学健论文 各相各设置一个出水测温元件，定子线棒及引出线的进水温度测温元件，均设鬣在 枫外的进水管路上f 1 2 l 。 2 3 定子常见故障与形成原因 定子常见的故障类型大致分为：定子铁心故障、绕组绝缘故障、定子绕组股线 故障和定子端部线圈故障。 定子铁心故障并不常觅，出于发电规定子铁心质量大，工 筝磁密商，当叠片之 间存在较小的短路时，就形成了潜在故障点。其原因是在制造过程在中或是在穿转 子的过程中损伤了定子膛内的铁心，形成片阏短路。环路电流不断流过定子膛内铁 心短路的地方后，定予铁心硅钢片则会出现熔化现象，然后钢水流入定予槽中，烧 坏绕组绝缘，零l 发定予绕组接地故障，导致发电祝继畦保护装置动作。弓l 发这类故 障的原因还可能是电机自身的振动过予激烈，也有可能是轴承的损坏导致定子与转 子之闻发生摩擦，导致定子铁心片间绝缘损坏。 现代绕组制造中，盘于采用了热翳性环氧云母技术或真空加压浸渍绝缘技术， 从而使绝缘系统具有较好的机械坚韧性与电气可靠性。但是，由于在制造过程中绝 缘缺陷的露有存在，主要包括绝缘中酶空洞、杂质、绝缘中从其健地方混入的杂质 油或是金属。这类缺陷引发的故障，都会导致电机发电量的增加。绝缘故障还常常 出现在电气孳| 线的套管上，在汽轮发电机上，孳| 出线套管安装与发电机的压力密封 机壳之上，因此它们必须能够承受发电机在运行中的压力。导致绝缘套管损坏的原 因可能有以下几种：种是作用于套管弓l 线上的机械应力或振动引起套管破裂；另 一种是沉积于套管外表面的污垢导致套管表面爬电。这类故障最萌显的先多毫是活动 性发电量的增加。 为了减小定子绕组附加损耗，股线阕要进行换位。这样傲可以使电流分布均匀， 股线之间的电压差降至最小。然而，有些电机的股线换位是在定子绕组的连接头上 实现的，因此股线之间的电筮差菲常大，有效值甚至可达5 0 伏左右。如果发毫机在 运彳亍中引起绕组严重的机械位移，则可能发生股线间绝缘损坏，导致股线问的短路， 产生电弧放电，热解主绝缘。如果这耱情形出现在槽部或是靠近其他接地金属部件 的位置上，剐会出现接地故障。另外，由电弧燃烧区产生的碎片可能构成绕组相间 的导电通道，从而弓l 发更为严重的相间短路故障。当电弧放电发生在水内冷方式的 定予空心导线上时，则会导致导线毒穿，由于导线由定压力麴冷却气体，所以这 类故障将会导致气体进入水冷系统。 定子端郝线匿出于要承受暂态过程较大的冲击力，两其固定于支撑往往比较脆 弱。如线棒绑扎松弛，受较太的冲击力时线棒就有可能产生较大的位移，引发端部 绕组的绝缘磨损故障。另外，进入电枧的终来异物，如螺母，钢垫壁或小块绝缘材 1 0 华i 电力大学硕士学位论文 料等被转予打飞，直接击伤发电机的定子端部绕组，从而损坏电机。这些碎片还有 可能在电磁力的作用下，侵入端部绕缀的绝缘屡，侵蚀绝缘，孳 发端部绝缘故障嘲。 2 4 建立定子绕组温度水力模型的必要性 实际运行中的发电机，在每根定子线棒出口水处和线襻层闯都装设有测温元 件，如何合理地利用这些测温元件进行热故障在线监测与诊断故障是现阶段需要研 究的课题。弱翦，汽轮发电枫的国际标准和我圈标准都对上述测温点的温度限馕俸 了明确的规定，如我国的汽轮发电机运行规程规定：f 级绝缘的发电机，定子绕组 层闻电阻测湿元件( 搪内捡温计) 的允许最高温度为1 4 0 ，定子绕缰澎水温度的 允许最高温度为8 5 h 】。而这些国标中规定的限值只是绝缘材料和冷却系统所承受 的最高温度，并不是发电枫运行的实际温度，实际温度与发电机冷去器介质的进水进 氢温度和发电机的设计温升有关。当然，更不是状态监测及故障诊断中所需的标准 值。另一方蕊，由于器线圈在制造工艺上的差异、附加损耗的不同、是否有引线等， 在同一工况下，各测点的温度不尽相溺，甚至差异较大，从现场获取的数据可以证 明这一点。所以，对各测点制定状态监测所需的温度标准值显得尤为重要。 另外，走于温度信号稻对手电气信号存在时闻延迟，焉实际运行中豹发电枫负 荷是不断变化的，用当前的运行状态参量去计算定子绕组的温度标准值，不能准确 反映当酶定子绕组真实的温度，甚至会雩| 起诊断装置误报警。所以，如何更加准确 地建立定子绕组的温度水力模型显得非常必要，而这诋是本章及其下一章节讨论的 问题。 2 5 汽轮发电机定子绕组稳态温度水力模型 现阶段，基于发电枫运行状态参量的稳态的温度水力模型在这晕主要讨论指纹 系数法建立的模型和蒲莹的温度水力模型。 2 5 指纹系数法模型 2 s 。1 1 模型的建立 俄罗斯学者v p 0 l i a k o v 根据经验建立了一种温度水力模型，国内学者在此基础 上作了一些改进，比如增加攒纹系数。考虑了测量通道、测温元件的灵敏度对恕水 温度的影响，可以用来克服硬件故障带来的误判问题。这种模型特别适合于水一氢一 氢冷却方式的电机进行在线监测。其主要的思路是：找出影响定子空心线棒冷却水 温度的若于嚣素，将这些影响因素分别乘以不丽的权值最后叠拥起来就褥到某处线 棒的冷却水温度值或是槽内检温计的温度值，各个影响因素的“权”就叫相应的指 纹系数。温度水力模型如下的表达式： 华北电力入学硕+ 学位论文 幺弧州吼+ 等【等+ 竽托( 咆) 】) 1 ) 1 l # 式中：q 反映了测量通道的状态，岛与测温元件的灵敏度有关，q 反映空心线棒 的流通状态( 其值越小则冷却效果越好，该系数对堵塞状况非常敏感，可以通过它 的变化来进行堵塞诊断) ，口r 和g ；体现了附加损耗和介质散发热量对温度的影响程度： 抚和e ，用来进行测温元件的接触性能诊断。电流和冷却水流量采用标幺值。当然各 空心线棒函子结构不完全对称，指纹系数会不一样，但是如果电机处于健康状态， 各系数不会有太大差别睁引。 槽部溢度模型如下： 霉= 吩f + b + 鲁 等+ 竽+ ( 一钆) 】) ( 2 2 ) 工 j g 上p 表达式本身的意义及各参数的意义同上。 当槽部的局部过热点位予测温元件附近时，测温元件可以灵敏的反应出来；一 旦局部过热点远离测温元件，则难以检测到。 2 。5 1 2 指纹系数的确定 方法1 是采用解方程的方法，在电机“健康”的状态下，取5 组工况下的数据， 这些量为公式中的瓯、，、j 、翰和墨，求解方程组即可得到相应的指纹系数。 将系数回代至式( 2 一1 ) 或式( 2 2 ) ，就得到标准温度的计算公式。这种方法求取的标 准温度的精度取决于5 组样本数据的选取。在样本数据选取时，应使其覆盖面尽可 能宽，例如可以选取负载分剃为额定负载的9 5 篱1 0 0 鹚，8 5 g o 篙，? 5 羹8 篙， 6 5 7 0 ，5 5 6 0 等情况下的工况数据，为了确定p 巾还要求其中2 种工况的 负载接近，但冷却介质的温度不同。 方法2 是采用最小二乘法进行参数估计，或采用参数识别的方法进行估计，只 要有适量的发电机菠常情况下运行的样本数据。 2 5 2 蒲英的温度水力模型 此湿度模型在文献 4 】基础上，考虑了温度变化对定子线棒电阻的影响，认为 导体的电阻是温度的函数，发电机的线圈温度是变化的，把线圈电阻看作定值所造 成的误差不容忽略。该模型的数学表达式如下： 瓦( 工) = ( 瓦一二) + 【瓦一( 气二) 】e 乒 ( 2 - 3 ) 展开为关于x 的泰勒级数并代入x = z 后得到； 则) - ( 磊一扣州不一扣+ 篙冉圭【( 筹) 2 + 糍n ( 2 _ 4 ) 1 2 华i 艺电力人学硕七学位论文 其中：善：垫墨丛掣；为初始时刻空实绕组温度；为流过空实绕组 的电流；g 为空实绕组空心部分湿周；彳为空实绕组实心部分横截面积；v 为冷却 水流量；最建入承蹬冷却承瀣度；瑗梵考虑集默效应的空实绕缀在全长上的电阻增 大系数；搿为电阻温度系数，表达式为口= 必2 3 5 + 不) 。风为瓦时的电阻率；c 为 冷却承眈热；喁为铜管对水的表面散热系数，其计算表达式可参照文献阱l ；+ ( ) 为 冷却水出口水温度；z 为线棒出口水端测温元件处距离入口水处的线棒长度。 式( 2 4 ) 代表了冷却水出口水温度与发电机的运行状态量之间的关系，除状态 量之外的其他参数是发电机固有的参数值或者是一些变化不大的物理量，这时就可 以采用人工神经网络对这些参数进行识捌。 同样，可以得到铜温沿线棒长度的表达式，表达式与式( 2 4 ) 反映的是一个相 戳的函数关系，只是某些系数不同。丽耱志捡温计蛉溢度与镉漏豹关系较为复杂， 需要采用有限元等数值计算的方法才能确定。为了找出识别用的初步模型，可以近 似遗认为槽痣检温计测得的是上下层线捧各空实绕组温度的某种平均值与线棒绝 缘温降之差，线棒温度也近似地与定予电流的平方成藏比关系p 】。因此，当用人工 神经网络进行参数识别时，神经元的输入与定子出口水温度模型的输入是完全一样 的，只是目标值不同而己。 2 6b p 神经网络算法 2 6 。1b p 神经网络的结构 b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络作为前向网络的核心，体现了神经网络最精华 的部分，并被运用予函数逼近、模式识别、分类与数据压缩等。其网络结构见图2 6 ， b p 网络通常有一个或多个隐含层，隐含层中神经元采用s i 班o i d 型变换函数，输出 层神经元采用纯线性变换函数。 输出层 隐含层 输入层 图2 6b p 神经网络结构拓扑圈 其孛：神经元的网络输入为： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 神经元的输也为： 对上式进行求导得到： 刀e = 一彬f + 艺r + 一睨f ( 2 5 ) 。= m 们= 专 ( 2 6 ) 厂( 盯口f ) = 一石j 南( 一秽一n 订) = 。一。2 = 。( 1 一。) ( 2 _ 7 ) 画出神经元的输出函数与求导后的函数图像如图2 7 ： j 。厂。 ：o o s ) nn 、 ，( 删) 轨2 7 八| | | | ，r 0 o 5 圈2 。7 专枣经元激励蘧数及其导数 由此可见：要想使网络快速收敛，应该将n e t 的值尽量控制在收敛比较快的范 围内f ”l 。 2 6 ，2 训练过程 b p 斡溺络训练经过两个阶段：向蘸传播阶段与目后传播阶段，其中向后传播酚 段又称为误差传播阶段。在正向传递过程中输入信息从输入层经隐含层逐层计算传 向输出层，每一层神经元的输出作用予下一层神经元的输入。如果输出层没有得到 期望的输出，则计算输出层的误差变化值，然后转向反向传播，通过网络将误差 信号沿原来的连接通路反传网来修改各层的权值直至达到期望目标。向前传播阶段 中，权值矩阵需要用一些小随机数进行初始化，在训练时，每次的输入样本必须“不 同 ，才能保证网络可以学习。 ( 1 ) 向前传播阶段： 从样本集中取出一个样本( 石。，艺) ，将x ，输入网络，计算出相应得实际输出： 吃= z ( 左( z x ，汐) 矿2 ) ) 驴 ( 2 8 ) 其中矽1 ，矿2 ，缈7 为各层输出的权值矩阵。z ，以，z 为各层相应的激励函数。 ( 2 ) 向后传播阶段： 1 ) 计算实际输出d 。与相应得理想输出匕的差。 2 ) 按极小化误差的方式调整权值矩阵。 1 4 牮，l 艺电力入学硕士学位论文 3 ) 计算网络关于第p 个样本的误差测度： 互尹= 睾窆( y 一。) 2 山 ，= i 4 ) 计算网络关于整个样本集的误差测度： e = 西 输出层权值的调整： 尸 隐含层权值的调整： 第b l 层第l 层 图2 8 神经元输出层权值的调整示意图 咳= + = 峨d p = “( 挖g 乞) ( 鬈一如心 = 哆( 1 一气) ( o 晕) o 户 第k - 2 层 第k 1 层 图2 9 隐含层权值调整示意图 一，的值帮点；，磊。，露有关，不妨认为& 。： 通过权。对峨。做出贯献， 通过权氍：对杰；徽囊贡献， 通过投对如做出贡献。 1 5 第k 层 ( 2 。9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 惜1 2 ) 华北电力人学硕士学位论文 颤一。= 一。( ”g f 卢) ( 蛾。+ ：最。+ 晚。) ( 2 一1 3 ) = + ( 2 一1 4 ) = 口吒七一。吼。一2 = 口疋。( 以p f p ) ( 。4 。+ 2 嚷量+ 二既。) 七一2 = 9 9 霹一l ( 1 一秽砖一1 ) l 馍量2 龟囊厶) 一2 2 6 。38 p 神经网络的改进算法 ( 2 。1 5 ) 传统的b p 神经网络算法基本的梯度下降法，往往误差下降缓慢，调整时间长， 迭代次数多，进而影响收敛速度；另外，按误差梯度调整权值时，当误差梯度为o 时，训练常陷入极小点而不能收敛。接受样本的顺序不同对训练结果也会有较大的 影响，它更“偏爱较后出现的样本瓣舅。在实际应用中，传统的b p 算法很难胜任 工程项目的要求，因而出现了很多改进的算法【l 引，途径有两种：一种是采用启发式 的学习方法，另一种是采用更有效的优化算法。 1 9 8 6 年r u m e l h a l l t 等人提出了以下的改进算法： 甥= 鸣g + 必嘭 ( 2 一1 6 以为上一次的修改量：口为学习率；为冲量系数，一般可取到0 9 ；西为节 点；的误差；d ，为节点；的神经元输入。 1 9 8 7 年s e j n o w s k i 与r o s e n b e 唱等人提出了以下算法： 矗。g l 一历芬o + 蜃轰嘭) 形也是上一次的修改量；口为学习率；p 在。和l 之间取值： 误差；g 为节点；的神经元输入。 ( 2 一1 7 ) 拶，为节点j 的 以上算法是在连接权后面加入动量项的学习方法，它的思想是连接权的本次修 改要考虑上次修改的影响，以减小抖动问题，使收敛速度加快。当误差豳现局部极 小区域时，由子加入动量项使其跳出该区域，从而降低了网络对于误差局部细节的 敏感性，有效地抑制了局部极小点的逃离问题【i 7 1 。 传统转p 算法收敛速度慢的一个重要原因是学习率选择不当。当误差进入变仡 缓慢的区域时，学习率太小会使训练次数增加，而在误差变化剧烈的区域，学羽率 太大会毽调整过量使训练出现振荡，反露使迭代次数增麓影响收敛速度。嚣此囊现 了臼适应调整学习率的改进算法。主要目的就是要找到最佳学习率，如采用批处理 模式对网络进行训练，用样本产生的“总效果”来修改连接权值，从而提高了学习 速度并增加了算法的可靠性。 1 6 华北电力人学硕+ 学位论文 2 6 4m a t l a b 神经网络工具箱中各种b p 算法函数 在m 斌淞b 神经网络工具箱中，重要丞数及功麓简介如表2 1 所示。一些熏要 的训练函数及其性能如下： 表2 。l 享孛经网络l ：具籍中主要函数 函数名 功能简介 l o g s i g ， t a n s i g ，p u r e l i n神经元变换函数，其中p u r e l i n 为线性传递函数。 其余楚s 型变换醺数 n e w f f b p 网络生成函数 l 羹l 鼍 初始纯函数，对连接权拳l 阙值进行初始佬。 l e a m g dl e a l l l g d m 学习函数， j 来修正权值和阀值 m a e ，m s e ，m s e r e g ，s s e计算网络的输出误差 t r a l n训练函数 t r a i n l m 利用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 规则训练前向网络 l f a i 赫g d基本梯度f 降法豹训练溺数 t r a i n 窟d m 带动髓项的梯度卜降法训练函数 t r a i n 塞d x带动壤项的自适应算法 t r a i n c 窑f ，t r a i n c g p ，t r a i n c g b使硝共轭梯度法训练的函数 t r a i n b f g基于拟牛顿法的训练函数 s l 搬网终模叛函数 1 ) t r a i n 西：最基本的b p 算法。反向传播采用的是梯度下降法，按照梯度下降的方 向修正各连接权的权值。 2 ) t r a i n g d m ：附加动量的梯度下降法。该方法是在反向传播法的基础上，在每一 个权值变化上加上一项正比予前一次权值变化的值，并根据反向传播来产生新的权 值的变化。 以上两种是最原始