發(fā)電機(jī)_故障診斷_大型汽輪發(fā)電機(jī)故障特征規(guī)律的研究_史進(jìn)淵

1、第20卷第7期2000年7月中國電機(jī)工程學(xué)報P ro ceedings of the CSEEVol.20No.7Jul.2000文章編號:0258-8013(200007-0044-04大型汽輪發(fā)電機(jī)故障特征規(guī)律的研究史進(jìn)淵,楊宇,孫慶,程道來(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所,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:介紹了大型汽輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場故障特征規(guī)律分析研究的結(jié)果,給出了大型汽輪發(fā)電機(jī)的靜子斷水、靜子漏水、轉(zhuǎn)子漏水、靜子線圈過熱、靜子絕緣損壞、靜子接地、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子不平衡、軸承油膜振蕩、軸瓦損壞、機(jī)座外殼振動等12種常見故障的模式與后果、特征信號、征兆和診斷規(guī)則,以及基于可靠性理論的發(fā)電機(jī)常見故障發(fā)生概率的計算公式。文中使用電氣信號、振動信號以及水或氫冷卻子系統(tǒng)和潤滑子系統(tǒng)的液壓等參數(shù)來診斷大型汽輪發(fā)電機(jī)的常見電氣故障、機(jī)械故障和泄漏故障,旨在準(zhǔn)確識別大型汽輪發(fā)電機(jī)的電站現(xiàn)場實(shí)際故障。關(guān)鍵詞:汽輪發(fā)電機(jī);故障診斷;故障概率;可靠性分析中圖分類號:T M311文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

7、1引言汽輪發(fā)電機(jī)是火電站的關(guān)鍵設(shè)備之一,汽輪發(fā)電機(jī)的故障停運(yùn)嚴(yán)重影響火電機(jī)組運(yùn)行的可靠性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,故障診斷技術(shù)已逐步發(fā)展成為保證發(fā)電設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段之一,因而成為國內(nèi)外許多單位正在研究的一門新技術(shù)。然而,國內(nèi)一些單位研制的故障診斷裝置在使用中都碰到了故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確性差的技術(shù)難題,故障“漏診”和“誤診”時有發(fā)生,其原因是診斷軟件中所使用的診斷規(guī)則是通過實(shí)驗(yàn)室模擬或理論計算得出的,與發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況有較大的差異。因此故障診斷規(guī)則的研究已成為大型汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷系統(tǒng)研制的“瓶頸”問題1。國際上使用振動特征分析法來診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障較有權(quán)威的故障特征規(guī)律是J.Sohre的振動征

8、兆表2和白木萬博的振動得分表3,為了進(jìn)一步提高大型汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性,現(xiàn)將70多臺大型汽輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場故障案例調(diào)研和現(xiàn)場故障特征數(shù)據(jù)分析研究得出的大型汽輪發(fā)電機(jī)現(xiàn)場故障征兆規(guī)律的一些主要結(jié)果列于以后各節(jié),以便在使用中不斷完善。2常見故障的模式及后果通過分析研究大量電站現(xiàn)場事故案例,經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)大型汽輪發(fā)電機(jī)的常見故障有以下3類12種。下面給出這12種故障的故障模式(故障的表現(xiàn)形式和故障后果(該故障模式所引起的主要后果。2.1水冷卻子系統(tǒng)的故障(1靜子斷水。故障模式為靜子冷卻水中斷或冷卻水流量降低。故障后果有靜子繞組過熱;機(jī)組減負(fù)荷或強(qiáng)迫停運(yùn)。(2靜子漏水。故障模式為發(fā)電機(jī)靜子絕緣引

9、水管漏水或靜子繞組水電接頭漏水。故障后果有靜子繞組絕緣降低;靜子接地;繞組短路或燒損。(3轉(zhuǎn)子漏水。故障模式為轉(zhuǎn)子絕緣引水管漏水或轉(zhuǎn)子繞組與引水管拐角接頭漏水或水箱與絕緣引水管接頭漏水。故障后果有轉(zhuǎn)子繞組絕緣降低或接地;靜子繞組接地;兩相短路;三相短路;靜子繞組或靜子引出線燒損;發(fā)電機(jī)燒毀。2.2靜子和轉(zhuǎn)子電氣故障(1靜子繞組過熱。故障模式為靜子繞組溫度高或過熱。故障后果為靜子接地;靜子繞組絕緣燒損;三相短路;爆炸事故。(2靜子絕緣損傷。故障模式為靜子繞組絕緣降低或損壞。故障后果有靜子繞組絕緣擊穿;靜子繞組匝間短路或相間短路;靜子繞組燒損;靜子鐵芯燒傷;引起火災(zāi)或爆炸事故。(3靜子接地。故障模

10、式為靜子接地。故障后果有靜子絕緣燒損;靜子鐵芯局部灼傷;靜子繞組相間或匝間短路。(4轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地。故障模式為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地。故障后果有轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地;發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)部件磁化;轉(zhuǎn)子繞組匝間短路;轉(zhuǎn)子繞組燒損。(5轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。故障模式為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。故障后果有轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地;轉(zhuǎn)子繞組燒損;發(fā)電機(jī)失磁;發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)部件磁化。2.3靜子和轉(zhuǎn)子機(jī)械故障(1轉(zhuǎn)子不平衡。故障模式為轉(zhuǎn)子不平衡振動或轉(zhuǎn)子熱不平衡振動。故障后果有軸瓦和擋油環(huán)或密封瓦磨損;緊固螺栓松動或斷裂;繞組絕緣磨損引起接地或短路,大的不平衡會引起毀機(jī)事故。(2軸承油膜振蕩。故障模式為軸承油膜振蕩。故障后果有軸瓦燒損;機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn),還可

11、能導(dǎo)致毀機(jī)事故。(3軸瓦損壞。故障模式為軸瓦磨損或軸瓦燒損。故障后果有軸頸損傷;密封瓦磨損;發(fā)電機(jī)或勵磁機(jī)動靜碰磨。(4機(jī)座外殼振動。故障模式為發(fā)電機(jī)機(jī)座外殼或端蓋振動。故障后果為機(jī)座焊縫開裂;靜子鐵芯與機(jī)殼之間隔振彈簧鋼板斷裂;機(jī)座結(jié)構(gòu)間連接螺栓松脫或斷裂。3特征信號、征兆和診斷規(guī)則汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷的主要步驟為:先監(jiān)測發(fā)電機(jī)的特征信號;再從所監(jiān)測的特征信號中提取征兆,有些特征信號本身也可作為征兆;然后根據(jù)征兆和其它診斷信息來識別發(fā)電機(jī)的狀態(tài),完成故障診斷。確定故障征兆和診斷規(guī)則是大型汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷的技術(shù)難點(diǎn)之一。通過70多臺大型汽輪發(fā)電機(jī)在電站現(xiàn)場故障案例的調(diào)研和大量現(xiàn)場故障特征數(shù)據(jù)的

12、分析研究,得出了以下大型汽輪發(fā)電機(jī)常見故障的特征信號、征兆和診斷規(guī)則。3.1水冷卻子系統(tǒng)的故障診斷與發(fā)電機(jī)靜子斷水、靜子漏水、轉(zhuǎn)子漏水等3種故障有關(guān)的特征信號、征兆和診斷規(guī)則列于表1。表1中的6個特征信號均可作為征兆。在表1和以后各表中,y i 表示故障發(fā)生的閾值,y oi 表示正常值。3.2靜子和轉(zhuǎn)子電氣故障的診斷與發(fā)電機(jī)靜子繞組過熱、靜子絕緣損傷、靜子接地、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路等5種故障有關(guān)的特征信號、征兆和診斷規(guī)則列于表2。在表2的9個特征信號中,有7個特征信號可直接作為征兆。在診斷靜子接地時,從所監(jiān)測的靜子3個相電表1水冷卻子系統(tǒng)故障的征兆Tab .1Symptoms for

13、 leakage faults of water cooling subsystems故障模式發(fā)電機(jī)冷卻方式特征信號征兆診斷規(guī)則靜子斷水水氫氫雙水內(nèi)冷冷卻水流量y 1冷卻水壓力y 2y 1y 2y 1減小且<y 1y 2減小且<y 2靜子漏水水氫氫內(nèi)冷水箱氫壓y 3發(fā)電機(jī)氫壓y 4y 3y 4y 3增大且>1.50y o 3y 4減小且<0.90y o 4轉(zhuǎn)子漏水雙水內(nèi)冷檢漏儀絕緣電阻y 5 y 5y 5減小且<y 5增大且>y 45第7期史進(jìn)淵等:大型汽輪發(fā)電機(jī)故障特征規(guī)律的研究壓中,用較低相電壓與另一相電壓之比y12作為靜子接地的征兆之一。在診斷轉(zhuǎn)子繞組

14、匝間短路時,對所監(jiān)測的轉(zhuǎn)子振動特征信號進(jìn)行頻譜分析,得出轉(zhuǎn)子振動工頻分量的峰-峰值y15作為轉(zhuǎn)子繞組匝間短路的征兆之一。3.3軸系機(jī)械故障的診斷與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、軸承油膜振蕩、軸瓦損壞、機(jī)座外殼振動等4種故障有關(guān)的特征信號、征兆和診斷規(guī)則列于表3。特征信號x15、x16、x17和x21進(jìn)行頻譜分析后可確定征兆y15、y16、y17和y21。表2靜子和轉(zhuǎn)子電氣故障的征兆Tab.2Symptoms for electric faults of stators and rotors故障模式發(fā)電機(jī)冷卻方式特征信號征兆診斷規(guī)則靜子繞組過熱水氫氫雙水內(nèi)冷靜子繞組溫度y7靜子繞組出水溫度y8y7y8y7增

15、大且>y7y8增大且>y8靜子絕緣損傷水氫氫雙水內(nèi)冷氫氫氫絕緣放電強(qiáng)度y9絕緣過熱分解產(chǎn)生冷凝核導(dǎo)致發(fā)電機(jī)冷卻氣體電離電流下降值y10y9y10y9增大且>y9y10減小且<y10靜子接地水氫氫雙水內(nèi)冷氫氫氫機(jī)端PT開口三角零序電壓y11靜子相電壓x12y11y12=較低相電壓與另一相電壓之比y11增大且>y11y12減小且<y12轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地水氫氫雙水內(nèi)冷氫氫氫轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻y13y13y13減小且<y13轉(zhuǎn)子繞組匝間短路水氫氫雙水內(nèi)冷氫氫氫轉(zhuǎn)子電流y14軸頸振動信號x15y14y15=軸頸振動工頻分量的峰-峰值y14增大且>1.05yo14

16、y15增大且>y15表3軸系機(jī)械故障的征兆Ta b.3Symptoms for mechanical faults of roto r-bearing systems故障模式特征信號征兆診斷規(guī)則轉(zhuǎn)子不平衡軸頸振動信號x15軸承振動信號x16y15y16=軸承振動工頻分量的峰-峰值y15增大且>y15y16增大且>y16軸承油膜振蕩軸承振動信號x16軸承油膜壓力x18y17=軸承振動低頻分量的峰-峰值y18=油膜壓力擺動值y17出現(xiàn)且>y17y18出現(xiàn)且>y18軸瓦損壞軸瓦金屬溫度y19軸承回油溫度y20y19y20y19增大且>y19y20增大且>y2

17、0機(jī)座外殼振動外殼振動信號x21y21=外殼振動倍頻分量的峰-峰值y21增大且>y214故障概率的計算公式在發(fā)電機(jī)的上述12種常見故障中,有2種故障模式與征兆為單映射,有10種故障模式與征兆為多映射。對于表1、表2和表3給出的診斷規(guī)則,使用文4給出的基于可靠性理論的故障診斷模型,可以得出大型汽輪發(fā)電機(jī)常見故障概率的計算公式。(1靜子斷水的故障概率F1為F1=P(y1<y1·P(y2<y2(2水氫氫冷發(fā)電機(jī)靜子漏水故障概率F2為F2=P(y3>1.50y o3·P(y4<0.90y o4(3雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子或靜子漏水的故障概率F3為F3=P(y

18、5<y5·P(y6>y6(4靜子水冷發(fā)電機(jī)靜子繞組過熱的故障概率F4為F4=1-(1-F a·(1-F b式中F a=P(y7>y7;F b=P(y8>y8(5靜子絕緣損傷的故障概率F5為F5=1-(1-F c·(1-F d式中F c=P(y9>y9;F d=P(y10<y10(6靜子接地的故障概率F6為F6=P(y11>y11·P(y12<y12(7轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的故障概率F7為F7=P(y13<y13(8轉(zhuǎn)子線圈匝間短路的故障概率F8為F8=P(y14>1.05y o14·P(y15

19、>y15(9轉(zhuǎn)子不平衡的故障概率F9為F9=P(y15>y15·P(y16>y16(10軸承油膜振蕩的故障概率F10為F10=1-(1-F e·(1-F f46中國電機(jī)工程學(xué)報第20卷式中F e=P(y17>y17;F f=P(y18>y18(11軸承損壞的故障概率F11為F11=P(y19>y19·P(y20>y20(12機(jī)座外殼振動的故障概率F12為F12=P(y21>y215故障的趨勢分析及預(yù)測5.1故障趨勢分析大型汽輪發(fā)電機(jī)的故障有一個產(chǎn)生和發(fā)展的過程,故障征兆也隨時間的推移逐步暴露。在線檢測發(fā)電機(jī)12種常見

20、故障的特征信號并提取征兆,同已存儲的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)征兆增大或減小的變化趨勢。若征兆的變化趨勢同表1、表2和表3的增大或減小的規(guī)律相符合,表明發(fā)電機(jī)狀態(tài)異常,有發(fā)生故障的可能。再利用文中給出的公式計算故障發(fā)生的概率F,F愈大,表明故障發(fā)生的可能性也愈大。通過對征兆和故障概率變化趨勢的分析,可對發(fā)電機(jī)故障進(jìn)行早期跟蹤或預(yù)測,有利于及時診斷發(fā)電機(jī)的故障并及時采取措施來預(yù)防故障的擴(kuò)大,以減少經(jīng)濟(jì)損失。5.2實(shí)例發(fā)電機(jī)水冷靜子線圈溫度不正常升高是絕緣引水管或空心銅線有阻塞現(xiàn)象引起的。監(jiān)測發(fā)電機(jī)靜子線圈的溫度作為特征信號,根據(jù)檢修維護(hù)情況,從特征信號中去除由于測量元件失靈的數(shù)據(jù)點(diǎn)后剩余的各線圈

21、溫度y7作為故障征兆。分布檢驗(yàn)證實(shí)y7服從正態(tài)分布5;故障判據(jù)為:y7>y7;故障判據(jù)界限值為y7=y7+5,為常數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計分析確定y7的均值y7和標(biāo)準(zhǔn)差y7后,每槽靜子線圈阻塞過熱的故障概率F a= (t式中=(y7-y7/y7某汽輪發(fā)電機(jī)水冷靜子線圈溫度的統(tǒng)計結(jié)果列于表4。該發(fā)電機(jī)靜子線圈在1989年未發(fā)生故障;在1990-07-02T2230發(fā)生32、53、54號槽線圈過熱引起燒損故障,故障原因?yàn)闉V網(wǎng)破碎后的碎塊堵塞冷卻水管,表4診斷結(jié)果基本符合實(shí)際情況。按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程要求,靜子線圈溫度高于80時報警,該發(fā)電機(jī)在1989年和1990年均未監(jiān)測到y(tǒng)7>80情況。常規(guī)運(yùn)行監(jiān)測

22、技術(shù)未能及早發(fā)現(xiàn)該次故障,而采用文中方法,可以提早一天發(fā)現(xiàn)故障概率(若F b0,則F4F a;若F b0,則F4>F a明顯增大,表明發(fā)電機(jī)靜子線圈狀態(tài)異常,有發(fā)生靜子線圈過熱故障的可能。表4靜子線圈過熱診斷結(jié)果Tab.4Diagnosis results of an overheated stator coil采集數(shù)據(jù)時間1989-07-0710:001990-07-0122:00靜子線圈溫度的均值y7(57.955.0靜子線圈溫度的標(biāo)準(zhǔn)差y7(1.64.0=(y7-y7/y7-3.13-1.20故障概率Fa0.0009040.105600 5.3分析討論(1閾值y i的確定是大型汽輪

23、發(fā)電機(jī)故障特征規(guī)律研究的技術(shù)關(guān)鍵。為了確定y i需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)、監(jiān)測和統(tǒng)計工作,特別是要注意監(jiān)測和統(tǒng)計分析電站現(xiàn)場事故發(fā)生前故障特征數(shù)據(jù)和征兆的變化規(guī)律,并與無故障正常值進(jìn)行比較,才能確定y i,長期地積累數(shù)據(jù)是大型汽輪發(fā)電機(jī)故障特征規(guī)律研究的一項(xiàng)基本工作。y i初步確定之后,還應(yīng)在使用中加以驗(yàn)證并不斷修改完善,以便更加符合實(shí)際情況。(2目前發(fā)電設(shè)備行業(yè)廣泛使用振動分析法來診斷大型汽輪發(fā)電機(jī)的故障,振動分析診斷法應(yīng)用于發(fā)電機(jī)軸系機(jī)械故障診斷是合適的。而發(fā)電機(jī)在現(xiàn)場的不少事故是水冷卻子系統(tǒng)故障、靜子和轉(zhuǎn)子的電氣故障,振動信號對這些故障反應(yīng)不夠靈敏,而水內(nèi)冷系統(tǒng)、氫內(nèi)冷系統(tǒng)的流體力學(xué)參數(shù)和電氣

24、參數(shù)有可能對此類故障反應(yīng)更為靈敏。本文把流體力學(xué)參數(shù)診斷法、電氣參數(shù)診斷法和振動診斷法結(jié)合起來使用,克服了各自的不足,利用了各自的長處,能夠較準(zhǔn)確地識別汽輪發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場故障。6結(jié)論(1通過現(xiàn)場故障案例調(diào)研和現(xiàn)場故障特征的統(tǒng)計分析研究得出了大型汽輪發(fā)電機(jī)12種常見故障特征的統(tǒng)計規(guī)律,符合大型汽輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況。(2使用電氣參數(shù)、振動信號和水冷卻子系統(tǒng)、氫冷子系統(tǒng)及潤滑油子系統(tǒng)的液壓等參數(shù),可以有效地識別大型汽輪發(fā)電機(jī)的實(shí)際故障,工程上是實(shí)用的。(3利用可靠性理論確定發(fā)電機(jī)的故障發(fā)生概率和預(yù)測發(fā)電機(jī)的故障發(fā)展趨勢,具有物理意義明確、數(shù)學(xué)公式簡單、診斷結(jié)果可靠的特點(diǎn),便于在線監(jiān)測和診斷。(下轉(zhuǎn)第5

25、1頁continued on page5147第7期史進(jìn)淵等:大型汽輪發(fā)電機(jī)故障特征規(guī)律的研究表1測量速度方向角度和參考速度方向角度的比較Tab .1Comparisons between velocity angles fro m measurement and reference各次測量值/(°平均值/(°平均相對誤差/%標(biāo)準(zhǔn)誤差/(°a (參考值24.5°22.123.527.628.225.410.43.04b (參考值72.8°78.480.270.871.975.45.44.67c (參考值72.8°70.770.168.

26、177.171.54.853.90試驗(yàn)在參考速度W c 為5.6525.43m /s 工況下進(jìn)行,結(jié)果表明在此速度范圍內(nèi),用相關(guān)方法測速的準(zhǔn)確性較好,且具有較高的穩(wěn)定性。圖4所表示的是參考速度W c 分別為9.41m /s 、13.65m /s 、15.07m /s 、19.10m /s 的4種典型工況。從圖中可見,以上4個工況中測量的相關(guān)流速分別為10.22m /s 、14.28m /s 、16.01m /s 、20.49m /s ,相對誤差在4.26%8.61%左右,說明試驗(yàn)的準(zhǔn)確性比較好。從另一方面來看,相對誤差雖然比較小,但是數(shù)值上都是正的,說明整個系統(tǒng)還存在比較明顯的系統(tǒng)誤差。有可能

27、存在的誤差有:上、下游傳感器間距的測量誤差,管道內(nèi)徑尺寸測量誤差,熱電偶溫度測量誤差等。因此,如果在工業(yè)現(xiàn)場使用,應(yīng)先做一些測量試驗(yàn),然后整定出一個修正系數(shù),用來修正系統(tǒng)誤差。從圖4中可見,各個工況相關(guān)速度的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.429m /s 、0.267m /s 、0.488m /s 和0.615m /s ,相對標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為4.2%、1.83%、3.05% 和3.0%,標(biāo)準(zhǔn)誤差小于0.615m /s ,相對標(biāo)準(zhǔn)誤差小于4.2%;說明數(shù)據(jù)的測量值分散程度較低,同一工況下速度測量值的重復(fù)性較好。5結(jié)論三維高溫?zé)煔饬魉贉y量是實(shí)際測量中的一個難題,針對其無法精確在線測量的現(xiàn)狀,相關(guān)流速測量方法是一個較好的補(bǔ)充。它利用高溫?zé)煔獾膲毫γ}動信號,經(jīng)過適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱托盘栟D(zhuǎn)換電路,利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采