发电机定子绕组端部振动监测系统课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本版式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汽轮发电机定子绕组端部振动监测系统,华北电力科学研究院有限责任公司,白亚民,教授级高级工程师,汽轮发电机定子绕组端部振动监测系统华北电力科学研究院有限责,一、前言,发电机正常运行时，定子绕组端部处于不停的振动当中，振源主要为双倍频交变电磁力。由于发电机定子绕组端部类似悬臂梁的结构特点，特别是汽轮发电机定子线棒端部伸展较长，因此防止因振动过大威胁发电机的安全运行，一直是设计、制造和运行人员共同关心的问题。大量的发电机事故统计分析表明，长期的振动可能造成发电机定子绕组端部紧固结构松动、线棒绝缘磨损，因振动还可导致机械疲劳引起的股线断裂，严重的故障将引发端部相间短路事故。因为造成振动的电磁力与发电机定子电流的平方成正比，随着发电机单机容量的增大，定子绕组端部的振动问题更为突出。,一、前言,运行中监测端部振动必要性,近代设计先进、工艺可靠的发电机，采用了许多防止端部振动过大的措施，发电机安装和检修工作也规定了相应的措施，如要求测试端部线棒和引线的固有频率及模态，绕组端部紧固结构的详细人工检查和处理，等等。实践表明，这些措施对防止发电机发生端部振动破坏事故是非常有效的，保证发电机能够承受端部的正常振动而长期无故障运行。,运行实践和检修经验表明，发电机定子绕组端部的振动状态不可能是一成不变的，在交变电磁力和热应力的长期作用下，可能因绝缘的微缩作用及磨损或紧固件的局部松动，使固有频率和振型发生变化，投运时完全合格的发电机，经长期运行使固有频率和振型落入与电磁力谐振范围内，造成振动状态逐步或突然恶化，而一般的电气监测和外部部件振动监测反映不出这种危险的振动变化，就难以完全避免突然事故的发生，因此，有条件时，直接监测定子绕组端部的振动幅值是非常有用的技术措施。,运行中监测端部振动必要性近代设计先进、工艺可靠的发电机，采用,运行中监测端部振动必要性（续）,如果检修中通过模态试验发现某台发电机端部动态特性不合格，存在有倍频附近的椭圆振型。经验证明，端部结构的局部简单改动对端部整体动态特性作用有限。重做定子绕组和端部紧固结构，代价昂贵，而且还不能保证改造一定成功。而实际情况是这台发电机或同型机已经运行了很长时间，并没有发生影响安全的严重问题，说明端部结构比较牢固，再继续运行很长时间也可能仍然没问题，但不能保证它今后不发生问题。对这种发电机最经济、最理想的处理方法，就是加装在线监测系统，监视运行中发电机定子绕组端部的实际振动状态，实现早期故障报警，进行端部的状态检修，可以有效防止突然事故的发生。,运行中监测端部振动必要性（续）如果检修中通过模态试验发现某台,我们的实践,1998年我们在一台200MW上安装了定子绕组端部在线振动监测系统，起因是发电机定子绕组端部动态特性试验结果不合格，存在107Hz108Hz的椭圆振型模态频率。,2003年我们在托克托电厂2台进口600MW发电机上因同样原因安装端部振动监测系统。,为此对该类监测技术进行了试验研究。,重点介绍监测系统和实际应用情况。,我们的实践1998年我们在一台200MW上安装了定子绕组端部,二、发电机定子绕组端部振动监测系统选型,发电机定子绕组端部监测环境非常恶劣，目前300MW及以上容量的发电机线棒工作电压达20kV左右，电流1万安培以上，因此是一个高电压、强交变电磁场的特殊环境。,通常进行振动监测使用的压电式或压阻式加速度传感器，因对电气环境敏感而限制了其在此环境下的应用。,在强电磁场的作用下，金属结构的普通传感器可能产生放电，并且引起磁场分布的变化，干扰自身的工作。,含铁磁性材料的传感器本身还存在剧烈的电磁振动和涡流发热，会对线棒绝缘形成严重威胁，降低了发电机安全运行的可靠性，增加了事故的隐患。,在发电机定子端部应当慎用含有金属结构的振动传感器。,由于采用光学原理和光纤材料的传感器可以抵御电磁干扰，目前国内外已经开发了几种光学振动测量系统，它们填补了在高电压、强电磁干扰，以及高度爆炸性气体等恶劣电气环境下测量仪器的空白。,光纤测振系统的价格昂贵，制约了其在商业上的应用。现在，国外对这种光学原理的振动传感器在发电机上的应用，已进入商品化，但总体上仍处于快速发展和完善之中。,二、发电机定子绕组端部振动监测系统选型发电机定子绕组端部监,1 美国WH公司的光学振动监测系统1）传感器基本结构和工作原理,传感器尺寸为1”1”3”，直接安装到被测部位上。传感器内部结构为一个舌簧和光栅组。光栅位于舌簧运动最高点的端部，承受振动时可间断遮光生成光脉冲。传感器设计为给定时间段上脉冲数量与被测振幅成正比。光脉冲信号通过光缆送到机外的主机中，经过数据处理在主机的液晶显示屏上显示振动峰峰值 。,1 美国WH公司的光学振动监测系统1）传感器基本结构和工作,图1 美国WH公司光学振动传感器内部结构图,图1 美国WH公司光学振动传感器内部结构图,2）WH公司监测系统的基本配置,系统的基本配置一般包括用于两侧的12个振动传感器和2根光缆束、两个光纤承压密封盒，以及一台多通道振动监视器。,光纤传感器通常用于测量径向振动，（轴向和周向的振动也可以测量），具体测量位置和方向取决于发电机的具体情况。,可以通过锤击试验寻找安装传感器的最佳位置。,传感器用浸环氧的玻璃编织带永久性固定在线圈端部。为避免发电机抽插转子和做检查工作时受损，典型的安装位置在上下层线棒连接鼻端，或下层线棒的外表面。光缆的典型安装走向是沿下层线圈支撑环的外表面布置，其目的也是为防止损坏。,多通道振动监视系统的电子回路由两种基本单元组成：,前置放大单元和主机单元，两部分组成的系统作为一个模块封装。以12个前置放大模块为例，它们都是可以互换的。模块化系统封装的优点是坚固、可靠并且因具有许多可换部件而使硬件易于维护，系统的故障处理也更为简单。,2）WH公司监测系统的基本配置系统的基本配置一般包括用于两侧,2）WH公司监测系统的基本配置（续）,前置放大单元的作用是把传感器上采集到的光学编码振动信号进行处理，提取出振动和系统状态信息。振动信息被处理并经由电路传输到主机中用数字显示。,前置放大部分包括12个单个的前置放大模块和对应的12个光学振动传感器（通常发电机汽侧和励侧各安装6个传感器）。,前置放大部分可选择扩展到16个前置放大模块。测点数是可以根据用户需要改变的，单台发电机最多曾安装到48个测点。,主机单元将来自前置放大器的交变频率编码信号转换为用于面板数显的直流电压电平，亦可用于数采计算机接收。,这个单元也含有当传感器通道处于低光状态时触发继电指示的回路。,为确保振动测量的准确度，主机单元自动校准在线测量的每个传感器，包括随着运行温度变化，或传感器老化等原因引起的传感器固有频率的漂移偏差。,主机架可安装在控制室、继电器室等处。每个主机单元一般配置12个通道。,2）WH公司监测系统的基本配置（续）前置放大单元的作用是把传,图2美国WH公司光纤测振系统在发电机上安装配置示意图,图2美国WH公司光纤测振系统在发电机上安装配置示意图,3）实际应用情况,大约10年以前，WH公司已经在100多台发电机上安装了定子绕组端部振动监测系统，其中80以上的发电机安装了12个测点，根据情况最少的安装了6个测点，最多的安装了48个测点。,典型的安装方式是12个测点，具体布置为汽侧和励侧各6个测点，全部为鼻端作径向测量。,3）实际应用情况大约10年以前，WH公司已经在100多台发电,2 加拿大VibroSystM公司的光学振动监测系统1）传感器基本结构和工作原理,VibroSystM公司生产的FOA-100型光纤加速度传感器，专门用于发电机定子绕组端部的振动监测。该光纤传感器设计原理与美国WH公司不同，测量方法靠的是探测单个光束入射角在一个弹性支架上的角度变化。其特点是利用光偏振原理，反射光束穿过一个双折射板到一个光极性分析器再返回以获得光干涉纹，振动峰峰值之间的距离就与被测角度成正比函数关系。,传感器头位于三根单股多模式光缆的一端。一根承载照射用光，可通过调节电子装置对其控制。传感器头通过另两条光纤返回两个强弱可变的光信号。当光纤加速度计承受振动时，受力与引起一个弹性支架的角度偏转对应的加速度成正比。支架角度的变化使支架上的一面镜子角度随之变化。射入镜子的光束就随加速度幅值成比例改变角度。电子调节装置由光电探测器回路、放大器和滤波器组成，其输出是一个被校准的模拟加速度信号。一个带通滤波器用于衰减噪声和支架的谐振频率。,2 加拿大VibroSystM公司的光学振动监测系统1）传,1）传感器基本结构和工作原理（续）,光传感器采集的信号通过光缆送到安装在机壳上的承压密封盒内的光电耦合器上，转变为电信号再送入AGM-P21信号处理模块和PCU-100型可编程信号处理器。PCU-100既可以处理普通的压电式加速度传感器采集的电信号，也可以处理由FOA-100光纤传感器送出的光信号转换出来的电信号，是一种通用型数据信号处理器。,注意：发电机外壳是光信号和电信号分界线，与WH公司的技术完全不同。,1）传感器基本结构和工作原理（续）光传感器采集的信号通过光缆,图3 FOA-100型光纤振动传感器、光缆及光电转换接头照片,图3 FOA-100型光纤振动传感器、光缆及光电转换接头照片,图4 在发电机定子绕组端部安装的光纤振动传感器（照片）,图4 在发电机定子绕组端部安装的光纤振动传感器（照片）,2）光纤加速度传感器的配置和基本参数,传感器本体由瓷质和聚苯类元件制造。光纤由5mm厚的聚四氟乙烯套管保护，最小弯曲半径为80mm，光纤长度为6m或10m或更长。,一般设计参数为：,传感器与电子装置之间的电气绝缘强度大于27kV（有效值）,测量频率范围：30 Hz350Hz5%,动态测量范围：在100Hz时040g（峰峰值01mm）,加速度测量灵敏度：100mV/g5%,传感器重量约30g,最大冲击加速度：600g半正弦，耐受1ms,传感器谐振频率：500Hz以上,横向灵敏度：相对轴向值的5%以内,残余噪声：30Hz350Hz之间总噪声3mV（RMS）,分辨率：100Hz时峰峰值1m,运行压力：氢气压力0.5MPa,传感器的连续最高工作环境温度90,2）光纤加速度传感器的配置和基本参数传感器本体由瓷质和聚苯类,3）VibroSystM公司实际业绩,至2000年底以前，VibroSystM公司开发的光纤加速度振动测试系统共售出并安装了36套，各套系统配备传感器数目如下：1个测点的9套、2个测点的3套、4个测点的3套、5个测点的2套、6个测点的2套、8个测点的4套、9个测点的1套、12个测点的10套、34个测点1套、36个测点的1套，其中包括了安装在我国陡河电厂6个测点的一套系统和山东黄岛电厂2个测点的一套系统。VibroSystM公司还生产SBV系列压电式振动传感器，应用也很广泛，在此不作详述 。,FOA-100型光纤加速度计现场应用结果表明它具有很高的灵敏度、准确度、可靠性和通用性，特别适用于汽轮发电机和水轮发电机绕组端部的振动监测。,3）VibroSystM公司实际业绩至2000年底以前，Vi,三、陡河发电厂7发电机上的应用实践1发电机历史情况,哈尔滨电机厂生产的QFQS-200-2型汽轮发电机，1986年11月投产，历史上共发生过4次定子线棒绝缘损坏事故，除了制造质量问题以外，定子绕组端部动态特性不好是事故的直接原因。,1998年大修中该发电机经模态试验证实定子绕组端部汽侧和励侧均存在107Hz108Hz的椭圆振型，恰处于最危险的频率范围上。,为保证发电机安全运行，避免突然事故的发生，应当对该发电机定子绕组端部采取一定的处理措施：,或者是发电机定子绕组端部结构彻底改造，使其改变振型和固有频率；,或者加装在线振动监测装置，监视发电机定子绕组端部的实际振动情况。,鉴于该发电机已经无故障运行了几年，定子绕组端部未见到明显的磨损和松动痕迹，说明振动阻尼较大，有效约束了振动的幅值，并且谐振频带较窄，共振现象不明显。这种情况可能还可以维持很长时间，但随着运行时间的延长，端部结构可能逐渐劣化，出现端部事故的危险就逐渐增大。,因此，加装在线监测振动的装置是明智的选择，可以以较少的投资实现定子端部故障的早期报警，避免重大事故的突然发生，达到保证发电机安全运行的重要目的。,三、陡河发电厂7发电机上的应用实践1发电机历史情况哈尔滨,2在线监测装置的选型和安装,经过综合考虑供货渠道、价格、业绩等因素，选择了加拿大VibroSystM公司生产的光纤振动监测系统。,其中光纤振动传感器为FOA-100型加速度计，共购置6只，励侧和汽侧各安装3只。,配套的数据处理和监测显示仪器为PCU-100型信号处理器。,整套设备的安装利用小修时间完成。,安装工作中很重要的是传感器的安装位置选择，由于是非金属材料，不必考虑安装位置的电位。主要考虑确保传感器和光纤引线不会在运行中脱落，检修时不致碰撞损坏。,为进行研究对比，安装光纤传感器的同时，还请哈尔滨大电机研究所安装了6只压电式加速度传感器。安装位置为汽侧和励侧各3只，布置在绕组低电位末端的引线上。传感器外壳加装了磁屏蔽。压电式传感器的引线连接到测温端子板上，可以用便携式信号分析仪定期采集数据。,2在线监测装置的选型和安装经过综合考虑供货渠道、价格、业绩等,3定子绕组端部振动监测设备的运行情况,从1999年夏季安装振动监测仪器以后，发电机运行和监测设备均未见异常，其中光学振动测量系统为实时在线监测，可以显示振动幅值和设置自动报警限值，并附加自动记录和追忆数据功能，压电式振动测量系统运行至今共采样测量三次，由于两套监测设备测点位置不同，测量结果不能直接比较，但仍具有很好的可比性，测量数据除个别点外都是合理的，显示的实际振幅都在允许的限值内。表1和表2分别为光学振动测量系统和压电式加速度传感器在不同时间的采样记录。,3定子绕组端部振动监测设备的运行情况从1999年夏季安装振动,P(MW),50,100,120,140,160,180,200,Q(Mavr),20,30,35,25,30,30,30,I(kA),2.0,4.4,4.9,5.5,6.1,6.8,7.5,#1(m),37,41,41,41,45,41,51,#2(m),27,22,25,25,29,22,29,#3(m),57,47,47,35,35,32,41,#4(m),75,186,79,73,91,95,83,#5(m),119,143,146,149,149,140,149,#6(m),116,92,89,95,92,105,99,注：#1、#2、#3测点分别为E侧#13线棒、#23线棒和#43线棒，#4、#5、#6测点为T侧#25线棒、#41线棒、#53线棒，其中1测点和6测点测量切向振动，其它测点测量径向振动。,表1 光纤加速度传感器测点记录，2002年7月3日,P(MW)50100120140160180200Q(Mav,P(MW),140,160,170,180,200,Q(Mavr),20,24,20,30,40,I(kA),5.3,6,6.5,6.8,7.6,1(m),57,55,72,56,57,2(m),45,40,59,46,56,3(m),45,46,48,53,51,4(m),62,58,78,59,71,5(m),17,15,33,22,33,6(m),13,12,15,12,17,注：#1、#2、#3测点分别为T侧#10线棒、#28线棒和#46线棒，#4、#5、#6测点分别为E侧#10线棒、#28线棒和#46线棒，全部测量径向振动。,表2 压电式加速度传感器测点记录，2001年1月11日,P(MW)140160170180200Q(Mavr)202,3定子绕组端部振动监测设备的运行情况,发电机运行中测到的振动最大值为178m，低于有关规定的250m。2000年11月机组运行中#43线棒振动数值增加75m，持续10天后又回到原数值，针对此情况检修中重点检查，发现#44#45线棒之间支架螺丝松动，及时进行了处理。,由于在线监测表明发电机运行状态始终正常，定子绕组端部虽然存在接近100Hz的椭圆振型，但实测振动幅值一直处于规定允许的限值内，所以仅需继续监视运行，不需要进行定子绕组端部结构的改造，为此节省了改造资金300余万元，还不包括其他的大修费用，同时免去改造时间80天，避免了因发电机停运造成的数亿kWh电量的经济损失，提高了机组的等效可用系数，取得了很好的经济效益。,3定子绕组端部振动监测设备的运行情况发电机运行中测到的振动最,四、结论,发电机定子绕组端部振动在线监测技术，在开展设备状态检修保证发电机安全运行方面具有重要意义，特别是对于运行和检修中发现定子绕组端部存在振动方面故障隐患的发电机，监视实际振动幅值的变化是确保发电机避免突发绕组端部事故的关键环节。由于监测环境异常恶劣，对监测设备的可靠性和可用性要求非常高，在监测系统的选型方面，近年来发展成熟的光学振动测量系统具有明显的优势，应当作为监测设备的首选。,介绍了两种已经商品化的、工作原理完全不同的用于发电机在线监测的光学测振系统，分别对两种测量系统的测量原理、主要性能指标和业绩进行了综述。,介绍了在一台200MW汽轮发电机上安装光学振动在线监测系统的成功实践和取得的实际效益。,四、结论发电机定子绕组端部振动在线监测技术，在开展设备状态检,