发电机_故障诊断_大型汽轮发电机故障特征规律的研究_史进渊

1、第20卷第7期2000年7月中国电机工程学报P ro ceedings of the CSEEVol.20No.7Jul.2000文章编号:0258-8013(200007-0044-04大型汽轮发电机故障特征规律的研究史进渊,杨宇,孙庆,程道来(上海发电设备成套设计研究所,上海200240S TUDY ON FAULT CHARAC TERISTIC S LAW FORLARGE C APAC ITY TURBOGENERAT ORSSH I Jin-yuan,YANG Yu,SUN Qing,CHEN Dao-lai(Shanghai Pow er Equipment Research I

2、nstitute,Shanghai200240,ChinaA BS TRAC T:This paper describes the main research results for site fault characteristics law of large capacity turbogenerators.The fault mode and the fault effect,characteristics sig nals,symptoms and rules for diagnosing the following12kinds of failures:Cut off the w a

3、ter for stators,water leakage of stators,water leakage of ro tors, stators wind ing's overheating,insulation damage of stators,stator g round ing,one-point grounding for rators,short-circuit between rotor turns,rotor unbalance,bearing oil whip,bearing bush dam-age and stator shell vibration are

4、given togather with the formula for calculating the failure probability of the failures of large capacity tur-bogenerators.T he d iagnosises of electric faults,mechanical faults and leakage faults for large capacity turbogenerators are made by means of electric signals,vibration signals and fluid pr

5、essure and so on parameters of water/hydrogen cooling subsystem and lubricating oil subsystem with the purpose of accurate identification of s ite prac-tical fault for large capacity turbogenerators on power station. KEY WORDS:turbogenerator;fault diag nosis;failure proba-bility;reliability analysis

6、.摘要:介绍了大型汽轮发电机现场故障特征规律分析研究的结果,给出了大型汽轮发电机的静子断水、静子漏水、转子漏水、静子线圈过热、静子绝缘损坏、静子接地、转子一点接地、转子绕组匝间短路、转子不平衡、轴承油膜振荡、轴瓦损坏、机座外壳振动等12种常见故障的模式与后果、特征信号、征兆和诊断规则,以及基于可靠性理论的发电机常见故障发生概率的计算公式。文中使用电气信号、振动信号以及水或氢冷却子系统和润滑子系统的液压等参数来诊断大型汽轮发电机的常见电气故障、机械故障和泄漏故障,旨在准确识别大型汽轮发电机的电站现场实际故障。关键词:汽轮发电机;故障诊断;故障概率;可靠性分析中图分类号:T M311文献标识码:A

7、1引言汽轮发电机是火电站的关键设备之一,汽轮发电机的故障停运严重影响火电机组运行的可靠性。随着科学技术的发展,故障诊断技术已逐步发展成为保证发电设备安全可靠运行的重要手段之一,因而成为国内外许多单位正在研究的一门新技术。然而,国内一些单位研制的故障诊断装置在使用中都碰到了故障诊断结果准确性差的技术难题,故障“漏诊”和“误诊”时有发生,其原因是诊断软件中所使用的诊断规则是通过实验室模拟或理论计算得出的,与发电机的实际情况有较大的差异。因此故障诊断规则的研究已成为大型汽轮发电机故障诊断系统研制的“瓶颈”问题1。国际上使用振动特征分析法来诊断旋转机械故障较有权威的故障特征规律是J.Sohre的振动征

8、兆表2和白木万博的振动得分表3,为了进一步提高大型汽轮发电机故障诊断结果的准确性,现将70多台大型汽轮发电机现场故障案例调研和现场故障特征数据分析研究得出的大型汽轮发电机现场故障征兆规律的一些主要结果列于以后各节,以便在使用中不断完善。2常见故障的模式及后果通过分析研究大量电站现场事故案例,经统计分析发现大型汽轮发电机的常见故障有以下3类12种。下面给出这12种故障的故障模式(故障的表现形式和故障后果(该故障模式所引起的主要后果。2.1水冷却子系统的故障(1静子断水。故障模式为静子冷却水中断或冷却水流量降低。故障后果有静子绕组过热;机组减负荷或强迫停运。(2静子漏水。故障模式为发电机静子绝缘引

9、水管漏水或静子绕组水电接头漏水。故障后果有静子绕组绝缘降低;静子接地;绕组短路或烧损。(3转子漏水。故障模式为转子绝缘引水管漏水或转子绕组与引水管拐角接头漏水或水箱与绝缘引水管接头漏水。故障后果有转子绕组绝缘降低或接地;静子绕组接地;两相短路;三相短路;静子绕组或静子引出线烧损;发电机烧毁。2.2静子和转子电气故障(1静子绕组过热。故障模式为静子绕组温度高或过热。故障后果为静子接地;静子绕组绝缘烧损;三相短路;爆炸事故。(2静子绝缘损伤。故障模式为静子绕组绝缘降低或损坏。故障后果有静子绕组绝缘击穿;静子绕组匝间短路或相间短路;静子绕组烧损;静子铁芯烧伤;引起火灾或爆炸事故。(3静子接地。故障模

10、式为静子接地。故障后果有静子绝缘烧损;静子铁芯局部灼伤;静子绕组相间或匝间短路。(4转子一点接地。故障模式为转子一点接地。故障后果有转子两点接地;发电机和汽轮机部件磁化;转子绕组匝间短路;转子绕组烧损。(5转子绕组匝间短路。故障模式为转子绕组匝间短路。故障后果有转子两点接地;转子绕组烧损;发电机失磁;发电机和汽轮机部件磁化。2.3静子和转子机械故障(1转子不平衡。故障模式为转子不平衡振动或转子热不平衡振动。故障后果有轴瓦和挡油环或密封瓦磨损;紧固螺栓松动或断裂;绕组绝缘磨损引起接地或短路,大的不平衡会引起毁机事故。(2轴承油膜振荡。故障模式为轴承油膜振荡。故障后果有轴瓦烧损;机组强迫停运,还可

11、能导致毁机事故。(3轴瓦损坏。故障模式为轴瓦磨损或轴瓦烧损。故障后果有轴颈损伤;密封瓦磨损;发电机或励磁机动静碰磨。(4机座外壳振动。故障模式为发电机机座外壳或端盖振动。故障后果为机座焊缝开裂;静子铁芯与机壳之间隔振弹簧钢板断裂;机座结构间连接螺栓松脱或断裂。3特征信号、征兆和诊断规则汽轮发电机故障诊断的主要步骤为:先监测发电机的特征信号;再从所监测的特征信号中提取征兆,有些特征信号本身也可作为征兆;然后根据征兆和其它诊断信息来识别发电机的状态,完成故障诊断。确定故障征兆和诊断规则是大型汽轮发电机故障诊断的技术难点之一。通过70多台大型汽轮发电机在电站现场故障案例的调研和大量现场故障特征数据的

12、分析研究,得出了以下大型汽轮发电机常见故障的特征信号、征兆和诊断规则。3.1水冷却子系统的故障诊断与发电机静子断水、静子漏水、转子漏水等3种故障有关的特征信号、征兆和诊断规则列于表1。表1中的6个特征信号均可作为征兆。在表1和以后各表中,y i 表示故障发生的阈值,y oi 表示正常值。3.2静子和转子电气故障的诊断与发电机静子绕组过热、静子绝缘损伤、静子接地、转子一点接地、转子绕组匝间短路等5种故障有关的特征信号、征兆和诊断规则列于表2。在表2的9个特征信号中,有7个特征信号可直接作为征兆。在诊断静子接地时,从所监测的静子3个相电表1水冷却子系统故障的征兆Tab .1Symptoms for

13、 leakage faults of water cooling subsystems故障模式发电机冷却方式特征信号征兆诊断规则静子断水水氢氢双水内冷冷却水流量y 1冷却水压力y 2y 1y 2y 1减小且<y 1y 2减小且<y 2静子漏水水氢氢内冷水箱氢压y 3发电机氢压y 4y 3y 4y 3增大且>1.50y o 3y 4减小且<0.90y o 4转子漏水双水内冷检漏仪绝缘电阻y 5 y 5y 5减小且<y 5增大且>y 45第7期史进渊等:大型汽轮发电机故障特征规律的研究压中,用较低相电压与另一相电压之比y12作为静子接地的征兆之一。在诊断转子绕组

14、匝间短路时,对所监测的转子振动特征信号进行频谱分析,得出转子振动工频分量的峰-峰值y15作为转子绕组匝间短路的征兆之一。3.3轴系机械故障的诊断与发电机转子不平衡、轴承油膜振荡、轴瓦损坏、机座外壳振动等4种故障有关的特征信号、征兆和诊断规则列于表3。特征信号x15、x16、x17和x21进行频谱分析后可确定征兆y15、y16、y17和y21。表2静子和转子电气故障的征兆Tab.2Symptoms for electric faults of stators and rotors故障模式发电机冷却方式特征信号征兆诊断规则静子绕组过热水氢氢双水内冷静子绕组温度y7静子绕组出水温度y8y7y8y7增

15、大且>y7y8增大且>y8静子绝缘损伤水氢氢双水内冷氢氢氢绝缘放电强度y9绝缘过热分解产生冷凝核导致发电机冷却气体电离电流下降值y10y9y10y9增大且>y9y10减小且<y10静子接地水氢氢双水内冷氢氢氢机端PT开口三角零序电压y11静子相电压x12y11y12=较低相电压与另一相电压之比y11增大且>y11y12减小且<y12转子一点接地水氢氢双水内冷氢氢氢转子绕组绝缘电阻y13y13y13减小且<y13转子绕组匝间短路水氢氢双水内冷氢氢氢转子电流y14轴颈振动信号x15y14y15=轴颈振动工频分量的峰-峰值y14增大且>1.05yo14

16、y15增大且>y15表3轴系机械故障的征兆Ta b.3Symptoms for mechanical faults of roto r-bearing systems故障模式特征信号征兆诊断规则转子不平衡轴颈振动信号x15轴承振动信号x16y15y16=轴承振动工频分量的峰-峰值y15增大且>y15y16增大且>y16轴承油膜振荡轴承振动信号x16轴承油膜压力x18y17=轴承振动低频分量的峰-峰值y18=油膜压力摆动值y17出现且>y17y18出现且>y18轴瓦损坏轴瓦金属温度y19轴承回油温度y20y19y20y19增大且>y19y20增大且>y2

17、0机座外壳振动外壳振动信号x21y21=外壳振动倍频分量的峰-峰值y21增大且>y214故障概率的计算公式在发电机的上述12种常见故障中,有2种故障模式与征兆为单映射,有10种故障模式与征兆为多映射。对于表1、表2和表3给出的诊断规则,使用文4给出的基于可靠性理论的故障诊断模型,可以得出大型汽轮发电机常见故障概率的计算公式。(1静子断水的故障概率F1为F1=P(y1<y1·P(y2<y2(2水氢氢冷发电机静子漏水故障概率F2为F2=P(y3>1.50y o3·P(y4<0.90y o4(3双水内冷发电机转子或静子漏水的故障概率F3为F3=P(y

18、5<y5·P(y6>y6(4静子水冷发电机静子绕组过热的故障概率F4为F4=1-(1-F a·(1-F b式中F a=P(y7>y7;F b=P(y8>y8(5静子绝缘损伤的故障概率F5为F5=1-(1-F c·(1-F d式中F c=P(y9>y9;F d=P(y10<y10(6静子接地的故障概率F6为F6=P(y11>y11·P(y12<y12(7转子一点接地的故障概率F7为F7=P(y13<y13(8转子线圈匝间短路的故障概率F8为F8=P(y14>1.05y o14·P(y15

19、>y15(9转子不平衡的故障概率F9为F9=P(y15>y15·P(y16>y16(10轴承油膜振荡的故障概率F10为F10=1-(1-F e·(1-F f46中国电机工程学报第20卷式中F e=P(y17>y17;F f=P(y18>y18(11轴承损坏的故障概率F11为F11=P(y19>y19·P(y20>y20(12机座外壳振动的故障概率F12为F12=P(y21>y215故障的趋势分析及预测5.1故障趋势分析大型汽轮发电机的故障有一个产生和发展的过程,故障征兆也随时间的推移逐步暴露。在线检测发电机12种常见

20、故障的特征信号并提取征兆,同已存储的历史数据进行比较,可以发现征兆增大或减小的变化趋势。若征兆的变化趋势同表1、表2和表3的增大或减小的规律相符合,表明发电机状态异常,有发生故障的可能。再利用文中给出的公式计算故障发生的概率F,F愈大,表明故障发生的可能性也愈大。通过对征兆和故障概率变化趋势的分析,可对发电机故障进行早期跟踪或预测,有利于及时诊断发电机的故障并及时采取措施来预防故障的扩大,以减少经济损失。5.2实例发电机水冷静子线圈温度不正常升高是绝缘引水管或空心铜线有阻塞现象引起的。监测发电机静子线圈的温度作为特征信号,根据检修维护情况,从特征信号中去除由于测量元件失灵的数据点后剩余的各线圈

21、温度y7作为故障征兆。分布检验证实y7服从正态分布5;故障判据为:y7>y7;故障判据界限值为y7=y7+5,为常数。经统计分析确定y7的均值y7和标准差y7后,每槽静子线圈阻塞过热的故障概率F a= (t式中=(y7-y7/y7某汽轮发电机水冷静子线圈温度的统计结果列于表4。该发电机静子线圈在1989年未发生故障;在1990-07-02T2230发生32、53、54号槽线圈过热引起烧损故障,故障原因为滤网破碎后的碎块堵塞冷却水管,表4诊断结果基本符合实际情况。按照发电机运行规程要求,静子线圈温度高于80时报警,该发电机在1989年和1990年均未监测到y7>80情况。常规运行监测

22、技术未能及早发现该次故障,而采用文中方法,可以提早一天发现故障概率(若F b0,则F4F a;若F b0,则F4>F a明显增大,表明发电机静子线圈状态异常,有发生静子线圈过热故障的可能。表4静子线圈过热诊断结果Tab.4Diagnosis results of an overheated stator coil采集数据时间1989-07-0710:001990-07-0122:00静子线圈温度的均值y7(57.955.0静子线圈温度的标准差y7(1.64.0=(y7-y7/y7-3.13-1.20故障概率Fa0.0009040.105600 5.3分析讨论(1阈值y i的确定是大型汽轮

23、发电机故障特征规律研究的技术关键。为了确定y i需要进行大量的试验、监测和统计工作,特别是要注意监测和统计分析电站现场事故发生前故障特征数据和征兆的变化规律,并与无故障正常值进行比较,才能确定y i,长期地积累数据是大型汽轮发电机故障特征规律研究的一项基本工作。y i初步确定之后,还应在使用中加以验证并不断修改完善,以便更加符合实际情况。(2目前发电设备行业广泛使用振动分析法来诊断大型汽轮发电机的故障,振动分析诊断法应用于发电机轴系机械故障诊断是合适的。而发电机在现场的不少事故是水冷却子系统故障、静子和转子的电气故障,振动信号对这些故障反应不够灵敏,而水内冷系统、氢内冷系统的流体力学参数和电气

24、参数有可能对此类故障反应更为灵敏。本文把流体力学参数诊断法、电气参数诊断法和振动诊断法结合起来使用,克服了各自的不足,利用了各自的长处,能够较准确地识别汽轮发电机的现场故障。6结论(1通过现场故障案例调研和现场故障特征的统计分析研究得出了大型汽轮发电机12种常见故障特征的统计规律,符合大型汽轮发电机的实际情况。(2使用电气参数、振动信号和水冷却子系统、氢冷子系统及润滑油子系统的液压等参数,可以有效地识别大型汽轮发电机的实际故障,工程上是实用的。(3利用可靠性理论确定发电机的故障发生概率和预测发电机的故障发展趋势,具有物理意义明确、数学公式简单、诊断结果可靠的特点,便于在线监测和诊断。(下转第5

25、1页continued on page5147第7期史进渊等:大型汽轮发电机故障特征规律的研究表1测量速度方向角度和参考速度方向角度的比较Tab .1Comparisons between velocity angles fro m measurement and reference各次测量值/(°平均值/(°平均相对误差/%标准误差/(°a (参考值24.5°22.123.527.628.225.410.43.04b (参考值72.8°78.480.270.871.975.45.44.67c (参考值72.8°70.770.168.

26、177.171.54.853.90试验在参考速度W c 为5.6525.43m /s 工况下进行,结果表明在此速度范围内,用相关方法测速的准确性较好,且具有较高的稳定性。图4所表示的是参考速度W c 分别为9.41m /s 、13.65m /s 、15.07m /s 、19.10m /s 的4种典型工况。从图中可见,以上4个工况中测量的相关流速分别为10.22m /s 、14.28m /s 、16.01m /s 、20.49m /s ,相对误差在4.26%8.61%左右,说明试验的准确性比较好。从另一方面来看,相对误差虽然比较小,但是数值上都是正的,说明整个系统还存在比较明显的系统误差。有可能

27、存在的误差有:上、下游传感器间距的测量误差,管道内径尺寸测量误差,热电偶温度测量误差等。因此,如果在工业现场使用,应先做一些测量试验,然后整定出一个修正系数,用来修正系统误差。从图4中可见,各个工况相关速度的标准误差分别为0.429m /s 、0.267m /s 、0.488m /s 和0.615m /s ,相对标准误差分别为4.2%、1.83%、3.05% 和3.0%,标准误差小于0.615m /s ,相对标准误差小于4.2%;说明数据的测量值分散程度较低,同一工况下速度测量值的重复性较好。5结论三维高温烟气流速测量是实际测量中的一个难题,针对其无法精确在线测量的现状,相关流速测量方法是一个较好的补充。它利用高温烟气的压力脉动信号,经过适当的传感器和信号转换电路,利用计算机进行数据采