（电力系统及其自动化专业论文）水轮发电机状态监测与诊断研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i n f o r m a t i o nt op e r f o r mc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c ei nh y d r op o w e rp l a n t s t h eh a r d w a r e p l a t f o r ma n d s o f t w a r ef r a m e w o r ka f ed e s i g n e d t h ee x p e f lk n o w l e d g e a c q u i s i t i o nm e t h o d s a n dam i x e d e x p r e s s i o nw a y f o rt h ee x p e r tk n o w l e d g ea r ed e t a i l e dr e s e a r c h e da n dt h e nt h e m a i ni l l a t i o nm e c h a n i s mi sd e s c r i b e d f i n a l l yt h ef e a t u r e so ft h i ss y s t e ma r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d s h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o rc o n d i t i o nm o n i t i o na n d d i a g n o s i s f a i l u r em o d ef a i l u r em e c h a n i s m e x p e r tk n o w l e d g e l l i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 提要 全面概述了水轮发电机的状态监测与诊断研究与应用现状 从检修角度详细研究葛洲坝发 电机的结构特点其维护现状 分析对其实现状态检修的意义及要求 从而引出本文的研究目的 意义和内容 1 1 水轮发电机状态监测与诊断的现状 实行状态检修是水电厂检修体制发展的必然趋势 l i 而对设备进行状态监测与诊 断则是实现状态检修的技术基础 对于水轮发电机 目前我国已丌展的状态监测工作 j i 要包括发电机工况参量 振动 绝缘 气隙 温度等方面 其中发电机工况 温度 量的i 监测主要出计算机监控系统完成 其他内容则依靠专门的监测装置进行监测 绝缘不良是电机事故率最高的原因之一 因此绝缘监测在发电机状态监测中占有 重要地位 监测的方法有离线的绝缘参数测量与试验及在线监测等 离线试验与检测 项f 在检修舰程中已有详细规定 广泛应用的检测方法有外观检查法 测量绝缘电阻 沿 测量绝缘泄漏电流法 高电压试验法 测介质损失角法和局部放电法t 2 1 等 在线 监测是目前研究与应用的重点 其中在线局部放电分析又是在线绝缘监测的主要方法 i 存研究发 i z 村l 局放特性 波形特征和在线舱测力 法撼础上1 4 1 1j 已有很多单位研 制了发电机局放在线监测装置f m h j 这些装置利用安装在定子绕组或出线上的成对耦 合i u 容获取局放脉冲 然后对所得信号进行处理与分析 判断发电机内部绝缘局部放 i 乜f 青况 它们与国外研究的典型系统 结构上相差无儿 都是传感器 采集单元和 拧制计算机组成的分层结构 但在数据采集与结果分析功能上与国外产品如加拿大 a d w e l 公司的p d a p r e m i u m 在线局放监测仪等还存在一定差距 此外 由于定子 咂问故障可以引起序阻抗不平衡 使得中性点各相电压代数和不为零 因而也可通过 测最r f i 性点电压瞬时值来判别是否产生匝问故障j1 6 j o 在气隙监测方面国内的研究与应用水平还比较低 尤其进行动态气隙监测的不多 气隙监测 般利用电容测量技术 将平板式电容传感器粘贴到定子内壁上 电子采集 泳元进行信号采集与传输 计算机控制测量模态和进行过程分析 国内相关产品报道 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 提要 全面概述了水轮发电机的状态监测与诊断研究与应用现状 从检修角度详细研究葛洲坝发 电机的结构特点其维护现状 分析对其实现状态检修的意义及要求 从而引出本文的研究目的 意义和内容 1 1 水轮发电机状态监测与诊断的现状 实行状态检修是水电厂检修体制发展的必然趋势 l i 而对设备进行状态监测与诊 断则是实现状态检修的技术基础 对于水轮发电机 目前我国已丌展的状态监测工作 j i 要包括发电机工况参量 振动 绝缘 气隙 温度等方面 其中发电机工况 温度 量的i 监测主要出计算机监控系统完成 其他内容则依靠专门的监测装置进行监测 绝缘不良是电机事故率最高的原因之一 因此绝缘监测在发电机状态监测中占有 重要地位 监测的方法有离线的绝缘参数测量与试验及在线监测等 离线试验与检测 项f 在检修舰程中已有详细规定 广泛应用的检测方法有外观检查法 测量绝缘电阻 沿 测量绝缘泄漏电流法 高电压试验法 测介质损失角法和局部放电法t 2 1 等 在线 监测是目前研究与应用的重点 其中在线局部放电分析又是在线绝缘监测的主要方法 i 存研究发 i z 村l 局放特性 波形特征和在线舱测力 法撼础上1 4 1 1j 已有很多单位研 制了发电机局放在线监测装置f m h j 这些装置利用安装在定子绕组或出线上的成对耦 合i u 容获取局放脉冲 然后对所得信号进行处理与分析 判断发电机内部绝缘局部放 i 乜f 青况 它们与国外研究的典型系统 结构上相差无儿 都是传感器 采集单元和 拧制计算机组成的分层结构 但在数据采集与结果分析功能上与国外产品如加拿大 a d w e l 公司的p d a p r e m i u m 在线局放监测仪等还存在一定差距 此外 由于定子 咂问故障可以引起序阻抗不平衡 使得中性点各相电压代数和不为零 因而也可通过 测最r f i 性点电压瞬时值来判别是否产生匝问故障j1 6 j o 在气隙监测方面国内的研究与应用水平还比较低 尤其进行动态气隙监测的不多 气隙监测 般利用电容测量技术 将平板式电容传感器粘贴到定子内壁上 电子采集 泳元进行信号采集与传输 计算机控制测量模态和进行过程分析 国内相关产品报道 华中科技大学硕士学位论文 极少 水利 j 咆力部机 u 研究所研制了f q ji 扩e 隙测量系统i 7 实际应用中有些机 纽装备了v i b r o s y s t m 公司的a g m s 系统i 擂j 该系统除了提供气隙的数值 包括 最火值 最小值 平均值 还能进行综合分析 检查气隙不均匀度 识别和诊断异 常情况 给出定 转子圆度和偏心等参数 是一种功能比较完善并得到广泛应用的系 统 发电机振动监测包括 主轴x y 两方向摆度 上 下导轴承处 上 下机架垂 氲与水平振动 推力轴承支座垂直与水平振动 定予铁心垂直与水平振动等 摆度测 精的方法是将传感器安装在轴承壳体上进行相对测量 固定部件振动测量也依靠安装 传感器采集振动信号 振动监测由于已有执行标准故而已经广泛应用于水电机组 九 一年代仞我国就已经研制出一批水电机组振动监测分析仪 如b z y 水电机组振动摆 度监测仪 n w 6 2 3 1 型水电机组振动监测分析仪 水电机组振动在线分析系统等0 9 1 有应用面广 功能比较全面的特点 不仅进行监测 还可以指导安装 调整 但是 州时存在豁测量与监测点少 诊断功能弱的缺点 国外产品如c s i 公司的2 1 2 0 系统 b e n f l yn e v a d a 公司的3 3 0 0 系统等可靠性商 数据准确 具有多种分析诊断功能 其 中德国b k v d b o 公司的v i b r o c o n t r o l4 0 0 0 在我国多家水电厂得到应用 是较为理想的 振动监测产品 2 0 1 定予线棒振动以往只能采用锤击法进行定期检查 现在通过在线棒槽内安装电容 传感器的方法可以进行动态测量 v i b r o s y s t m 公司推出的定子线棒振动测试器就 属这种产品 此外近年来出现了能够监测多个i 员目的综合监测系统 如v i b r o s y s t m f f jz o o m z e r oo u t a g eo n 1 i n em o n i t o r i n g 系统 它在前述a g m s 系统基础上扩展而 成 可测量参数包括 气隙 定子线棒振动 定子铁芯 导轴承 推力轴承的振动 摆度 温度 导叶尖端间隙 水轮机叶片转角 导叶丌度 水流量 压力 温度 水 头和尾水水位 水头损失 励磁电流和磁场强度 有功功率和无功功率 定子电压 分棚i 乜流等 总结这些装黄的特点可以看出 国产设备信息采集功能已经比较全面而精度稍差 f i 足分析诊断功能比较欠缺 进口设备则具有比较健全的分析功能 但是这些系统都 存在监测与诊断内容比较集中于某一特定方面 无法全面掌握水轮发电机的运行状 华中科技大学硕士学位论文 态 f 能提供综合状态信息进行jr 作性能分析和渗断的问题 而状态检修的实现 首 先就要求全面掌握发电机的状态信息 由此判断其运行性能和健康状况 进而才能做 趋势分析 故障诊断及维护建议 1 2 葛洲坝s f l 2 5 9 6 1 5 6 0 0 发电机特点分析及其维护现状 水轮发电机是水电厂的电力生产主设备 它的健康稳定运行是保证电力系统正常 运行 提高设备使用寿命和利用率 降低维护成本 增加经济效益的重要条件 只有 深入分析发电机的结构及特点 才能有针对性的确定状念监测测点布置 监测内容与 j 法 才能有效的获取状态信息进行分析诊断 1 2 1 葛洲坝发电机结构特点分析 葛洲坝s f l 2 5 9 6 1 5 6 0 0 发电机为立式半伞型三相交流同步发电机 由于只有上 导而没有下导 且推力轴承位于转子下方 因而为半伞型 主要由永磁发电机 上 导轴承 上机架 定子 转子 推力轴承等部件组成f 2 2 i 如图1 1 所示 图1 1 水轮发电机结构剖视图 l 定予 定子由机座 铁芯和线圈等部件组成 1 机座 机座是一个承重和受力部件 承 受上机架荷重著传到基础 支撑着铁芯 线圈 冷却器等部件 此外 机座还承受径 向力 磁拉力和铁芯热膨胀力 和切向力 葛洲坝发电机的机座外径为1 7 7 m 高3 5 m 华中科技大学硕士学位论文 态 f 能提供综合状态信息进行jr 作性能分析和渗断的问题 而状态检修的实现 首 先就要求全面掌握发电机的状态信息 由此判断其运行性能和健康状况 进而才能做 趋势分析 故障诊断及维护建议 1 2 葛洲坝s f l 2 5 9 6 1 5 6 0 0 发电机特点分析及其维护现状 水轮发电机是水电厂的电力生产主设备 它的健康稳定运行是保证电力系统正常 运行 提高设备使用寿命和利用率 降低维护成本 增加经济效益的重要条件 只有 深入分析发电机的结构及特点 才能有针对性的确定状念监测测点布置 监测内容与 j 法 才能有效的获取状态信息进行分析诊断 1 2 1 葛洲坝发电机结构特点分析 葛洲坝s f l 2 5 9 6 1 5 6 0 0 发电机为立式半伞型三相交流同步发电机 由于只有上 导而没有下导 且推力轴承位于转子下方 因而为半伞型 主要由永磁发电机 上 导轴承 上机架 定子 转子 推力轴承等部件组成f 2 2 i 如图1 1 所示 图1 1 水轮发电机结构剖视图 l 定予 定子由机座 铁芯和线圈等部件组成 1 机座 机座是一个承重和受力部件 承 受上机架荷重著传到基础 支撑着铁芯 线圈 冷却器等部件 此外 机座还承受径 向力 磁拉力和铁芯热膨胀力 和切向力 葛洲坝发电机的机座外径为1 7 7 m 高3 5 m 华中科技大学硕士学位论文 l i 六瓣组装而成 是利用合缝板及螺栓把合成圆的 机座为钢板焊接结构 机座项环 5 j j 机架联接 底环与基础联接 2 铁芯 铁芯是磁路的主要组成部分并用以固定线 圈 葛洲坝发电机的铁芯由0 5 r a m 厚的扇形硅钢片叠压而成 在沿铁芯高度方向分 成若干段 段与段之间隔以通风槽片 供通风散热之用 铁芯上下端有齿压板 通过 拉紧螺杆将叠片压紧 铁芯内圆有矩形线槽 用来嵌装定子线圈 3 定子线圈 定子 绕组从形式为编织条形波绕组 月j 于感生交流电势及通过交流电流 线圈用扁铜线绕 制而成 在外丽包有绝缘材料 2 转子 葛洲坝发电机的转子外径1 4 9 6 0 m m 重6 0 0 t 如图1 2 所示 图卜2 水轮发电机转子结构图 转子主要由转子支架 磁轭和磁极等部件组成 1 转子支架 葛洲坝发电机转子 支架由轮毂和8 个盒形支臂组成 轮毂为锻焊结构 2 磁轭 磁轭是发电机磁路的 组成部分 也是固定磁极的结构部件 发电机的飞轮力矩也主要出磁轭产生 磁轭在 运转时承受扭矩和磁极与磁轭本身的离心力作用 葛洲坝发电机的磁轭是将3 r a m 厚 的冲片利用交错叠片方式一层一层进行叠装而成 沿轴向分为若干段 段间用通风槽 隔丌 形成通风沟 上下端通过拉紧螺杆将磁轭紧固 磁轭外缘设有 t 型槽 用以固定磁极 3 磁极 磁极是提供励磁磁场的磁感应部件 当直流励磁电流通入 磁极线圈后就产生发电机磁场 葛洲坝发电机的磁极由磁极铁芯 磁极线圈 上下托 华中科技大学硕士学位论文 板 极身绝缘 i ll j t i 绕 j 等零i i f j f i f l 成 磁极铁芯 1 5 m m 冲片叠压而成 两端有 磁极压板 通过拉紧螺杆与冲片紧固成整体 磁极线圈多采用裸扁铜排绕成 匝间用 讣钒玻璃一l 胶坯靠做绝缘 阻尼绕组装在磁极的极靴i i j l 阻尼条和两端的阻尼环组 成 转子组装时 将各极之问的阻尼环用铜片制成的软接头搭接成整体 形成纵横阻 尼绕组 阻尼绕组的主要作用是当水轮发电机发 l 振荡时起阻尼作用 使发电机稳定 运行 在不对称运行时 它能提高不对称负载的能力 3 上机架 葛洲坝发电机的上机架为辐射型结构 有1 2 个支臂 各支臂顶端装有千斤顶 上 机架承受的径向负荷有转子径向机械不平衡力 气隙不匀造成的单边磁拉力 在轴向 卜要负荷有水轮机受油器 上导油槽 永磁机定子 t 盖扳及自重 4 推力轴承 葛洲坝发电机的推力轴承承受水轮发电机组转动部分全部重量及水推力 推力负 荷3 3 0 0 t 轴承采用自循环冷却方式 推力油槽内分别装有1 8 个抽屉式冷却器进行 热油冷却 推力轴承布置在水轮机顶盖支持架上 由推力头 镜板 推力瓦 油槽和 高压油减载装置等部件组成 1 j 往力头 推力头是承受轴向负荷传递转矩的结构部件 用键固定在转轴上 随 轴旋转 2 镜板 镜板是固定在推力头下面的转动部件 是推力轴承的关键部件之 葛洲坝发电机采用镜板和推力头分丌的结构 当推力轴承运行时油膜厚度只有 00 3 0 0 7 r a m 因而要求镜板有较高的精度和光洁度 在镜板与推力头结合面之间有 绝缘氆 主要用于安装时调整机组轴线和防止轴电流通过 3 推力瓦 推力瓦为双层 瓦结构 轴承瓦较薄 厚度5 0 m m 它由刚度较大的托瓦承托 由于轴瓦较薄 沿瓦 的厚度方向的温度变化较小 因而热变形小 托瓦刚度大 可减小轴瓦的机械变形 每块推力薄瓦有水内冷装置 5 t 导轴承 上导轴承为具有单独油槽的分块瓦式滑动导轴承形式 主要承受机组转动部分径 向不平衡力和电磁不平衡力并防止机组中心线移动 由上导轴瓦 上导支柱螺丝 上 导油槽 套筒 座圈和轴领等部件组成 华中科技大学硕士学位论文 i2 2 葛洲坝水轮发电机的维护现状 建国以来 在学习前苏联经验的基础上 各水电厂 长期实行的是预防性计划检修 j 事后维修相结合的检修体制 葛洲坝水电厂也不例外 其水轮发电机的检修工作分 为四类口3 1 维护检查 小修 大修和扩大性大修 维护检查是在机组运行不停机的情 况下进行的经常性的维护工作 目的是消除和防i l 8 l 组运行过程中可能发生的故障 小修一般在停机状态下进行 大部分是发生了设备故障或事故需立即处理的项目 或 旨是有目的地检修或修理机组某一重要部件 大修全面地检查机组各组成部分的结构 及其技术数据 主要是为了解决运行中出现的并经小修无法消除的严重设备缺陷 并 按规定的数值进行调整工作 这步工作往往在刁 吊出水轮机转轮的情况下进行 不进 行机组解体 只是局部拆修 拆卸部件多少 视机组设备磨损或损坏的程度而定 扩 大性大修全面 彻底的检查机组每一部件 包括埋设部件 的结构及其技术数据 并 按规定数值进行处理 这是一种消除运行过程中出于零部件的严重磨损 损坏 导致 整个机组性能和技术经济指标严重下降的机组修复工作 扩大性大修要吊出发电机转 一f 和水轮机转轮 通常要将机组进行解体 拆卸 检修所有被破坏的零部件 有时还 要进行较大的技术改造工作 协调机组各部件和各机构间的关系 修复和改造机组的 某些部分 这种检修方式的优点在于可保持供电的基本稳定性和人力 物力 资金安排的计 划性 生产管理者基本上做到心中有数 在这种检修体制下 大修间隔3 5 年 小修 州隔4 8 个月 检修项目 工期安排和检修周期均山管理部门根据经验制定 但是 这种基于时间的计划性检修方法也存在很大的缺陷 主要表现在f l j 1 临 时性检修频繁 一些缺陷较多的机组往往不能适应由管理部门统一制定的计划捡修安 排 运行不到下一个检修时间就必须强迫停运 进行事故性检修 导致全网发电 供 电与检修计划经常被打乱 2 维修不足 机组由于各种原因在检修期未到时产生局部 故障 但受至 检修计划制约 不得不带病运行 有时故障的继续恶化造成维修代价和 维修费用增大以及不必要的事故损失 甚至严重事故损失 3 维修过剩 对于设备状 态较好的机组 进行了不必要的维修 由此造成设备有效利用时间的损失和人力 物 力 财力的浪费 甚至引发维修故障 4 盲目维修 根据计划检修的标准项目和依靠 华中科技大学硕士学位论文 经验制定的部分非标准项f i j 进行检修 对机组并不一定能作到对症下药 由此导致不 该修的修了 而该修的未修或没有修好的问题 1 3 水轮发电机状态检修的意义及要求 1 3 1 葛洲坝发电机实行状态检修的意义 状态检修方式以设备当前的实际工作状况为依据 而非传统的以设备使用时间为 依据 它通过先进的状态监测手段 可靠性评价手段以及寿命预测手段 判断设备的 状态 识别故障的早期征兆 对故障部位及其严重程度 故障发展趋势做出判断 并 根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修 由于科 学地提高了设备的可用率和明确了检修目标 这种检修体制耗费最低 它为设备安全 稳定 长周期 全性能 优质运行提供了可靠的技术和管理保障 近年来科技水平的 提高为状态检修的实现提供了保证 而推行状态检修的巨大经济效益满足了企业节省 r 支提高效益的要求 于是状态检修的研究与应用成为目前国内外的热点 2 卯 葛洲坝电厂的发电机均在二十世纪八十年代投入使用 至今已将近二十年 部件 磨损及老化现象逐渐增多 维护费用将不断增加 加之全厂机组数量较多 达2 1 台 维护 作量f 二f 益加大 原先的计划性检修方法已不能满足保证机组可靠运行 提高经 济效益的要求 状态检修方法则在节约维护开支 提高机组可靠性和利用率 延长发 乜机使用寿命方面具有突出优点 因而对葛洲坝发电机实行状态检修能够非常显著的 发挥状态检修的特点 提高企业的经济效益并在整个行业起到示范作用 状态检修在理论上是比预防检修层次更高的检修体制 但是 必须认识到状态检 修并不能完全取代预防性计划检修 目前在水电厂完全依靠状态检修是不现实的 并 且预防性计划检修仍在某些场合与设备中具有不可替代的适用性 因而现阶段实际的 设备检修体制应该是积极采用先进监测诊断技术 可靠性和寿命评价技术 预防性计 划检修和预知性状态检修相结合 以提高设各利用率及可靠性为目标 以经济效益最 大化为最终目的的优化检修体制 华中科技大学硕士学位论文 允分利用现有资源 降低系统复杂性 提高经济性和可靠性 实现功能升级和实现技 术的平滑过渡 这就要求对监测内容及方法进行系统分析与总结 闵为研究及应j i l 水s l 的限制 发i l j o l 状态监测与诊断还存在某些不能实现的方面 这些问题将随着传感器技术 信号处理技术 诊断分析理论与实现等的发展而逐步得 到解决 同时为了检验分析方法和诊断结论的汇确性 加强设计 制造 运行 维护 发科研部门的交流 需要共享数据 因此水轮发电机状念监测与诊断系统还必须在结 构及技术上具有丌放性 以满足技术升级和信息共享的要求 1 4 本文的主要研究内容 本文结合 葛洲坝电厂最优检修信息系统 项目中的 技术资料与专家知识库 超媒体二号家工作站 和 水轮发电机状态监测与诊断单元 等子项目 以向大型水 电厂提供帮助实现最优检修的技术支持工具为目标 在分析总结困内外水轮发电机状 态监测与诊断研究与应用现状的基础上 分析了最优检修信息系统中水轮发电机状态 躲测与诊断的信息需求 在大容量水轮发电机的物理结构 检修方法及内容 机组技 术资料与专家知识 机组运行可靠性与故障模式 监测信息内容与途径 发电机运行 状念的监测与指示等方面进行了深入细致的基础研究 这些内容是最优检修信息系统 建设的基础 其结果将直接关系到整个信息系统功能的实现与完善 本文提出了大型 水轮发电机监测与诊断单元的系统设计方案 实际开发工作正在进行中 全文共分五章 第一章全面概括总结了水轮发电机状态监测与诊断的研究与应用现状 分析了葛 洲坝发电机的结构特征及其维护现状 阐明了对水轮发电机实行状态检修的意义 在 此基础上引出本文的主要研究工作 第二章对水轮发电机技术资料与领域专家知识进行收集整理和分析表达 分析技 术资料与专家知识的类型与内容并研究了获取专家知识的方法 对葛洲坝发电机进行 了结构分层分级研究 分析了其常见故障类型及故障原因 对其进行故障模式 影响 与致命度分析 f a i l u r em o d e s e f f e c t sa n dc r i t i c a l i t y a n a l y s i s f m e c a 在此基础 上建立发电机技术资料库 可视模型库和专家知识库 9 华中科技大学硕士学位论文 第三章研究了水轮发电机状态临测的内容与方法 在总结与故障类型对应的水轮 发电机状态监测内容基础上 研究了葛洲坝发电机需要进行监测的状态参量 并详细 研究了符参景的雌测途径 第四章在上述研究基础上设计了以实现状态检修为目的的水轮发电机状态监测与 珍断系统 设计了系统的硬件平台和软件框架 研究了诊断专家系统的知识获取方法 知识表达方法和主要推理机制并概括了系统的特点 第血章总结全文 总结了需要进一步进行的工作 指出了水轮发电机状态监测与 渗断系统在实现状态检修中的实际意义 应用前景和发展方向 华中科技大学硕士学位论文 2 水轮发电机技术资料与专家知识建模 提要 系统收集整理水轮发电机技术资料与专家知识 分析其类型 内容及获取方法 研究葛洲 坝发电机结构层次 分析其常见故障类型及其原因与影响 在此基础上通过f m e c a 对技术资 料与专家知识进行研究 分析与提炼 最后进行知识表达形成发电机技术资料库 可视模型库和 毒 家知识库 2 1 技术资料与专家知识 研究发电机状态监测与诊断系统的主要工作之一是收集整理有关的技术资料和专 家知识 并把这些知识组成智能系统中的知识库加以利用 知识是决定智能系统性能 高低的主要因素 水轮发电机的技术资料和专家知识有文字 数据 曲线 图片等形 式 它们存在于书籍 期刊 设计手册 j 艺标准 产品说明书 试验报告 运行与 维护规程和记录中 还存在于领域专家的头脑中 必须把这些知识与经验转变为诊断 系统能够应用的形式 将技术资料与专家知识进行研究 分析 归纳 并以标准化的 表达方式和存储方式将其整理 表达和鹰斤j 是整个监测与诊断系统研究及开发的基础 和重要内容 2 2 1 分类及内容 发电机状态监测与诊断系统的技术资料和专家知识涉及设备和人两大要素 结合 发f f l 机运行与维护的特点 人类专家认t 埘缘和实际应用知识的经验 可将水轮发电 机技术资料和专家知识分为以下类型 1 1 设备结构知识 结构知识是指发电机的构成与部件连接关系 结构知识具有层 次性 发电机子系统级的结构有定子 转子 上机架 上导轴承等 单元级的结构有 定f 的铁芯 绕组等 f 2 设备功能知识 功能知识是指发电机及其部件在设计时要实现的一些行为 如 发f 王机的功能是实现机械能向电能的转化 而转予绕组的功能则是通过励磁电流在空 n j 产生磁场 f 3 设备行为知识 行为知识是指发电机及其部件输出的表现形式或状态 可以通 华中科技大学硕士学位论文 2 水轮发电机技术资料与专家知识建模 提要 系统收集整理水轮发电机技术资料与专家知识 分析其类型 内容及获取方法 研究葛洲 坝发电机结构层次 分析其常见故障类型及其原因与影响 在此基础上通过f m e c a 对技术资 料与专家知识进行研究 分析与提炼 最后进行知识表达形成发电机技术资料库 可视模型库和 毒 家知识库 2 1 技术资料与专家知识 研究发电机状态监测与诊断系统的主要工作之一是收集整理有关的技术资料和专 家知识 并把这些知识组成智能系统中的知识库加以利用 知识是决定智能系统性能 高低的主要因素 水轮发电机的技术资料和专家知识有文字 数据 曲线 图片等形 式 它们存在于书籍 期刊 设计手册 j 艺标准 产品说明书 试验报告 运行与 维护规程和记录中 还存在于领域专家的头脑中 必须把这些知识与经验转变为诊断 系统能够应用的形式 将技术资料与专家知识进行研究 分析 归纳 并以标准化的 表达方式和存储方式将其整理 表达和鹰斤j 是整个监测与诊断系统研究及开发的基础 和重要内容 2 2 1 分类及内容 发电机状态监测与诊断系统的技术资料和专家知识涉及设备和人两大要素 结合 发f f l 机运行与维护的特点 人类专家认t 埘缘和实际应用知识的经验 可将水轮发电 机技术资料和专家知识分为以下类型 1 1 设备结构知识 结构知识是指发电机的构成与部件连接关系 结构知识具有层 次性 发电机子系统级的结构有定子 转子 上机架 上导轴承等 单元级的结构有 定f 的铁芯 绕组等 f 2 设备功能知识 功能知识是指发电机及其部件在设计时要实现的一些行为 如 发f 王机的功能是实现机械能向电能的转化 而转予绕组的功能则是通过励磁电流在空 n j 产生磁场 f 3 设备行为知识 行为知识是指发电机及其部件输出的表现形式或状态 可以通 华中科技大学硕士学位论文 过发r 乜机运行过程l f 的各种性能参数 设计参数及试验参数表现出来 例如发电机的 培本技术数据 空载特性 短路特性及外特性等 f 4 故障机理知识 故障机理是发f 乜机及其部件各种故障形成和发展的规律 必须 利 f j 结构 功能和行为等方面知识的综合分析爿 能了解到 有时要通过模拟试验或仿 真试验才能获得 如定子绝缘放电的特性 定子机座振动的原因等 f 5 1 入的经验知识 经验知识是指领域专家或运行人员在长期的研究 设计 运行 维护等实践中积累起来的 关于如何通过观测到的行为特征 来对发电机运行状态及 挺康状况进行分析 对故障进行猜测 判断 识别 验证和消除等正反两个方面的启 发式知谚 是领域专家的经验总结 常以规则的形式存在于专家的头脑星而被专家非 常灵活地应用 它主要表现在放障与故障 故障与征兆 征兆与征兆之间的复杂关系 经验知识作为诊断知识的一个重要组成部分 虽然缺乏充分的理论依据 但是在解决 复杂的实际问题时却往往十分有效 6 背景知识 背景知识是指与发电机 领域专家有关的当前和过去所处的特定环 境因素 如设备的制造工艺 安装标准 投运时间 负荷情况 大修情况等记录 发 l 乜机曾经发生过的故障部位和处理方法 处理结果等知识 21 2 专家知识的获取方法 弩家知识的获取在系统的基础研究阶段应当依靠人工方法 因为此时对发电机的 认识还不够深入 收集的技术资料还不够全面 对知识的特点也没有完全掌握 自动 获取的水平也没有达到在实际系统中有效应用的程度 专家知识获取应从基本技术资料的收集入手 包括发电机的原理 设计手册 国 家标准 产品说明书 设计图纸 运行规程 检修规程 试验规程 运行记录 检修 记录 试验结果 技术改造情况 辅助设备 现场接线方式 基本技术参数等 这些 文献或资料包含了发电机最基本的原理 概念 分析方法和技术参数 是所有专家知 识的基础 表2 1 表示了与发电机定子电流相关的信息 额定值由产品说明书得到 实测值来自运行记录 高限值来自运行规程和产品说明书 各参量单位和电流频率值 柬e j 国家标准 短路比来自设计手册和试验报告等 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 发电机定子电流相关知识 名称额定值实测值 高限单位 a 相电流 5 9 8 04 i l l6 2 0 0 h b 相 b 流 5 9 8 04 1 1 66 2 0 0 c 相 乜流 5 9 8 04 1 4 36 2 0 0 a 频率 5 05 05 0 2h z 短路比 1 1 这些知识的内容比较固定和单一 只给出了状态参量确定性的描述和正常范围 i 面对如何检查判断 辨别故障和查找故障部位及原因没有说明 领域专家的经验与知 u 包括了专家通过运行维护实践总结出的判断发电机及零部件运行状态和健康状况 的标准和方法 这些知识存在于专家的头脑中 往往比较模糊和多样化不利于表达 n 系统理解和概括基础知识后 还需要深入挖掘整理专家的经验性知识 在了解领域的基本概念和系统目标的基础上 准备问题提纲 和领域专家进行讨 沦 详细了解专家进行故障诊断的各个环节 在充分理解的基础上对收集的经验知识 进行整理和分类 成为系统可用的精炼的知识 最后还需经过有关专家的确认 在收 集整理专家经验知识过程中 为了将模型试验 理论分析 领域专家经验等不同方式 的研究成果整理成诊断规则的形式 本文对故障与征兆 征兆与征兆之间的关系以及 规则的内容和表示方法提出了以下要求 f 1 如果机组存在某种故障 则将出现和不出现哪些征兆 其可信度如何 并要求 说明故障的严重程度对征兆的影响 2 如果机组出现某个征兆 则机组可能存在哪些 陂障 j e 可信度血 何 j r 说明征兆的 俏 i 对削断敝障可信皮的影i 晌 3 当诊断菜一 故障时 出现哪些征兆是其必要条件 哪些征兆是其充分条件 哪些征兆是其充要条 中f 并尽可能根据经验给出规则的排序 4 当信息不充分时 为了进一步判断是否存 舀 某一故障 还需要向计算机输入哪些补充信息 或需要对机组做哪些试验 5 当故 障确渗后 应采取哪些措施以排除故障 或机组可在监护下运行 此外 对涉及到的各类信号的定量或定性描述也有如下具体要求 1 确定各类信号的预警值 报警值和紧急停机值 如上导和推力的油位的低限与 高限 定子铁芯温度的低限与高限等 2 确定各类信号的特征量 如局部放电的频率 和强度 3 确定各类信号的严重程度 如轴电压大小 华中科技大学硕士学位论文 22 发电机的f m e g a 22 1 任务与目的 所谓故障模式 影响及严重度分析 f m e c a 就是对发生故障或性能降低的发 f 乜机进行分析 找出零部件或系统可能发生何种失效模式 鉴别或推断其失效的机理 研究该失效模式对发电机运行或健康状况可能产生的影响 以及分析这些影响是否是 致命性的 即影响和后果分析 1 2 6 1 葛洲坝发电机f m e c a 的任务有如下几个方面 2 7 1 1 研究发电机的组成特点及各部件问的联系关系 找出组成发电机的全部零部件的所 f i 故障模式并确定每种故障的机理 2 用归纳推理的方法研究各种故障模式对发电机 择功能级造成的影响和后果 由此建立起各种故障与部件之间 故障与功能之问的逻 辑关系 f 3 确定相应故障的检查及维护方法 对发电机进行f m e c a 的目的是深入认 识和了解研究发电机的结构和功能特点 对其故障模式 机理 影响 检查方法 维 护手段进行全面细致的分析研究 使发电机状态监测与诊断的内容更加明确具体 为 测点布置 传感器选择 分析方法选择提供参考标准 同时对水轮发电机进行f m e c a 的过程也是与领域专家互相交流 深入挖掘诊断专家知识的过程 因此 本文的发电 机f m e c a 是对技术资料与专家知识进行分析 概括 提炼的过程 通过故障模式 影响及严重度分析 发电机及其部件的结构关系和功能组成得到逐一明确 专家经验 知识得到应用和验证 不同的方面与层次的专家知识通过故障影响及结构功能关系发 生联系 f m e c a 是逐个分析系统的组成部分 旦发生故障时对系统所产生的影响 划分 各种故障模式的等级 并预先研究查找各种故障的方法 这种方法在本质上是一种定 性的 逻辑推理的方法 其特点是结合考察故障的性质 利用一定格式的表格进行分 析 发电机f m e c a 的程序包括数据资料的准备 发电机系统物理结构与功能结构的 划分 故障模式 机理及影响的确定 检查与维护方法的研究 结果输出等步骤 可 以j 甘图2 1 来表示发电机f m e c a 的流程 该流程及内容既参考了f m e c a 分析的一 4 华中科技大学硕士学位论文 般步骤 又针对水轮发电机的特点做了特殊修 例如 水轮电机作为电力生产设备 其 i j 件的功能都是为了实现机械能向电能的转化而确定的 相互作用联系紧密且分工 j j 确 故零部件的功能分析就可以结合组成结构的研究进行而不必构造部件功用图 2 2 2 数据资料的准备 图2 1f m e c a 内容及实施步骤 对发电机进行f m e c a 时 首先需要掌握分析对象 所需要的关键资料是设计资 料 除此之外还应包括 零部件的可靠性数据 设计 尘产 安装和运行阶段的试验 运行与故障汜录等资料 在设计 制造及运行单位的协作下 在研究过程中广泛收集 丁水轮发电机的设计和运行资料 这些资料包括 水轮发电机设计手册 相关的国 家标准 葛洲坝水电厂发电机运行规程 检修规程 生产事故汇编等 还通过在生产 现场跟踪机组扩大性大修过程的手段 收集第一手现场资料 加强对水轮发电机结构 的研究与掌握 其次要研究分析层次和重点故障内容 所谓分析层次是指硬件产品的组成层次 如零r f 部件 予系统等 确定重点故障就是根据原始资料研究总结发电机系统的常 见故障模式及可能的故障机理 上述两个研究内容即是对原始资料的初步概括与提 华中科技大学硕士学位论文 炼 也是进行发电机f m e c a 的基础 原始资料中的内容是以图纸 数据 文字描述 等形式彳 在i n 删擞星众多内容繁杂 小利于分析的有效丌展 2 2 3 发电机结构分层分级列表的设计 葛洲坝发电机是山数量众多功能各异的零部件组成的复杂系统 在不同层次上同 个故障的表现和影响都不同 为了能清楚的认识和表达发电机部件的功能 故障模 式 机理及影响等 必须建立一种能有序反应发电机及各部件物理组成及功能的结构 形式 山f 立式水轮发电机在空间结构上的分稚具有比较清晰的层次关系 而各组成 部件在功能上比较明确 所以本文以发电机的物理结构为主线 同时考虑部件功能作 川 进行发f 乜机分层分级列表的设计 这样的分层分级首先层次关系符合现场专家的 f 作习惯 便于诊断专家知识的收集与表达及后续实现的系统的应用 其次结构联系 j 功能组成能够得到较好的统一 分层的线索是物理结构 而这种物理结构的内容或 者说出下层部件组成上层模块或系统的原因则是为了实现功能的需要 此外 这种分 层分级方式还可以向上扩展 例如以水轮发电机组为上一级 以厂房为更上一级 这 样可以与整个最优检修信息系统对电厂的研究分析取得一致 使整个研究工作的框架 与流程都更具整体性 以发电机整体为最高级 可以确定其功能为将机械能转化为电能 按照葛洲坝电厂机组在厂房内的位置前j 胃关系 结合电机理论及设计手册对发电 机的通用描述 可以将葛洲坝发电机按照山上至下的空间顺序分解为永磁发电机 上 机架 上导轴承 转子 定予 推力轴承等六个予系统 对应物理结构的分析 在子 系统功能上它们分别完成转速测量 支撑盖板及上导油槽 固定转动轴线 产生旋转 磁场 感生交流电流 支撑转动负荷的功能 这些功能是上级能量转化功能的进一步 分解 是保证应用电磁感应定律进行机电能量转换能够实现和稳定实现的条件 子系统由单元层组成 结构关系仍是确定单元的主要线索 以定子为例 可以分 为定子机座 定子铁芯 定子绕组等单元 分别完成固定铁芯 固定绕组及形成磁路 感 及通过交流电流的功能 单元层的下一级为模块层 它的确定需要同时考虑物理结构和功能组成 因为此 华中科技大学硕士学位论文 时址然物理结构依然比较l j 确 似是如果4 i 考虑各 i 什的功能组成就会隔断功能上的 层次性分和关系 所以这里的分层分级就体现了结构与功能共同的作用 以上导为例 结构卜可以亢接划分到单个元件 而根掘功能就可以划分为上导轴瓦装配 上导轴瓦 吏持调节设备等模块 体现了轴瓦固定轴线而支持调节设备调整轴瓦位置的作用 按照同样的方法可以一直划分到最终的单个零部件 形成完整的发电机系统设备 的分层分级列表 列表的局部如表2 2 所示 表2 2 水轮发电机结构分层分级列表 系统了系统单 g模块部件 发l 乜机 定了定丁机座定了 基础板 定了铁芯硅钢片 铁芯雎板 拉紧螺杆 定了绕纰线槽线棒 槽楔 转了转了支架 22 4 f m e c a 表格设计 f m e c a 的特点是利用表格的形式分析故障的影响 所以表格格式的设计是一个 l i 要的环节 f m e c a 的表格要根据分析对象的特点确定内容 我们对发电机进行 f m e c a 的目的是深入认识和了解研究发电机的结构和功能特点 对其故障模式 机 p 影响 检查方法 维护手段进行全面细致的分析研究 使发电机状态监测与诊断 的内容更加明确具体 为测点抑置 传感器选择 分析方法选择提供参考依据 同时 要能够反映出所挖掘的领域专家知识与经验 便于把这些诊断专家知识转化为能够实 际使用的诊断知识与规则 因此 表格的设计需要综合考虑上述要求 本文的发电机f m e c a 表格形式如表2 3 所示 华中科技大学硕士学位论文 表2 3f m e c a 表格 f m e c a l f a i l u r em o d e s e f f e c t sa n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s 系统名称 分析 r 代 问 i 序吁 部件部件故障敞障 彬响 危害检查处理 名称功能模 机理 程度方法手段 序号是按照系统 子系统 单元 模块及部件等级对分析对象进行的排列顺序的 襄示 故障模式指发电机故障的表现形式 故障机理则是导致故障发生的原因 通过 对原理及运彳亍维护资料的分析 并根据领域专家的经验确定故障的表现形式 故障机 理的确定途径有理论分析 专家总结等 同 故障可能由不同的机理引起 在系统不 同等级部件的故障与机理之间存在密切的传递与依存关系 上级系统的故障机理往往 足f 级部件的故障模式 并且结构上不一定直接联系的部件或单元 模块的故障模式 i 机理通过故障肘其他部分的影响而相互联系起来 形成了可供逻辑推理的通道 危 害程度反应了故障的严重性 可作为控制推理进程或推理程序的参考标准 检查方法 他括了对部件及其故障现象的检测 试验的项目和方法等内容 处理手段指针对不同 的故障机理采取的维护 纠正 改进等措施 故障模式 机理 影响 检查及处理等 内容的确定 都出系统研究人员与领域专家共同完成 不同层次部件的故障模式 机 理 影响之间的传递关系有助于诊断规则的形成 各层次全部部件对应的故障模式 机理 影响 检查和处理内容均建立在对专家知识与经验的深入挖掘与分析基础之上 舀 这个意义 l 也可以说是完成了部分知弘 获取与表达的任务 2 2 5 水轮发电机常见故障类型及机理 水轮发电机是大型机电能量转换装置 其结构复杂 零部件及外部辅助设备众多 i 连续工作时间长 因而故障类型非常多且故障原因繁杂 为t x 十发电机进行全面深 入的f m e c a 本文在系统收集了大量理论知识与实际数据 涵菇设计 制造 运行 维护等多个部门的大量基础数据资料 这些资料出于来源广泛 依据的标准不一 采 用的表达方式各异 不利于在f m e c a 中的直接应用 所以需要先对它们进行研究分 析 找出发电机常见的故障类型 根据数据记录总结故障的表现形式 发电机的故障 华中科技大学硕士学位论文 类 钽按照现场对故障类型分类的习惯呵以概括为f u 气和机械两类 对原始资料的研究 分析从故障类型 导致故障的原因 该故障常导致的后果三个角度进行 研究的结果 表达形式与现场专家习惯的表达方法类似 不完全等同于f m e c a 表格的项目 但 是已经具有很好的易用性和灵活性 是f m e c a 的主要基础资料之一 葛洲坝发电机主要的电气故障类型有 f 1 定予绕组过热 原因有冷却系统故障 过负荷等 容易导致定子接地 定予绕 组绝缘损坏 三相短路等后果 2 定子绕组绝缘损伤 原因是电 热 机械 环境等 各种因素导致的绝缘老化或损坏 后果是导致定子绕组绝缘击穿 匝间短路或相间短 路 绕组烧损 铁芯烧伤等故障 3 定孑绕组单相接地 原因是绝缘损坏 电流比较 火时能在故障点引起电弧 烧坏绕组绝缘和定子铁芯 且容易发展成匝问短路或相间 短路 f 4 转子绕组绝缘电阻过低 产生原因有线圈积灰 绝缘老化等 容易导致绝缘 出穿 造成接地或匝问短路 5 转子一点接地 原因是线圈与铁芯间绝缘损坏 造成 线圈直接与铁芯相碰或局部绝缘电阻降低到相当程度 容易导致转子两点接地 转于 绕组匝阃短路等后果 f 6 转子绕组匝阃短路 绝缘损坏 线圈表面污垢和粉尘是故障 原吲 其后果有转予两点接地 绕组烧损和失磁等 7 阻尼绕组故障 包括阻尼环与 连接板接触不良 阻尼环与阻尼条连接处局部开焊 阻尼条断裂等 它们由失磁或频 繁启动在阻尼绕组中产生的大电流及转子转动的离心力引起 从而导致振动与噪声 f 8 转子引线故障 包括绝缘表面脏污 引线绝缘破裂 固定卡子松脱 引线在离心力 作用下甩出以及焊锡面破坏和腐蚀等 会造成转子接地 失磁等故障 端洲坝发f 乜机主要的机械故障类型有 f 1 机组振动 机组振动的原因很复杂 有水力 机械 电磁三个方丽 例如转子 绕组短路引起的磁拉力不平衡 定转子圆度不好和转子有摆渡引起的气隙不均匀造成 的磁拉力不平衡等 上述不平衡力的大小还与励磁电流的大小有关 转子质量不平衡 轴承缺陷等则是机组振动的机械方面的可能原因 2 轴瓦损坏 包括瓦温过高 各瓦 1 日j 温差过大 轴瓦磨损或变形 轴瓦烧损等 原因大致有各块瓦受力不均 冷却系统 故障 冷却油温差过大等 轴瓦损坏会损伤轴颈 加大振动甚至造成定转子擦碰 3 定予振动 其原因是定子铁芯合缝不严或铁芯松动 会对定子绕组绝缘 绕组紧固造 9 华中科技大学硕士学位论文 成破坏 4 定子线圈松动下沉 j 原因足线圈 槽楔 挚条等长期处于高温中运行 收缩造