一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法

1.本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法。


背景技术：

2.大多数发电机都运行在亚健康状态，其中不同程度的气隙偏心是发电机最常见的故障之一，转子的刚度不足、轴承磨损与受热弯曲等都会造成发电机的气隙偏心。发电机气隙偏心可分为径向偏心与轴向偏心两种，径向偏心指发电机定子中心与转子中心在径向方向上不重合，轴向偏心指发电机的转子相对于定子有轴向的移动。
3.轻微的偏心故障并不会对发电机的运行造成明显影响，但是故障程度的逐步加深会使发电机的气隙磁场发生严重畸变，从而降低发电机的性能指标，严重时会造成转子的弯曲磨损、绕组的绝缘击穿甚至烧毁发电机，造成严重的经济损失并危及人身安全。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，包括：
7.通过电阻应变片采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据；
8.利用采集仪采集多组所述应变数据并分别计算所述应变数据的有效值；
9.根据多组所述应变数据的有效值计算得到不同测点的平均值；
10.根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度。
11.优选地，所述通过电阻应变片采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据，包括：
12.通过在各个发电机定子绕组轴向两端分别沿所述发电机定子绕组的内侧圆周方向平均布置4对应变片；
13.测量8对应变片对应8个测点的应变数据。
14.优选地，测量所述8对应变片对应8个测点的应变数据，包括：
15.利用固定电阻与所述应变片构成电桥；
16.利用所述电桥获取测点对应的电信号；
17.通过所述电信号获取测点对应的应变数据。
18.优选地，在所述利用采集仪采集多组所述应变数据之前，还包括：
19.对所述采集仪的测量通道进行平衡与清零。
20.优选地，所述有效值的计算公式为：
[0021][0022]
其中，
△
t为相邻两次采样的时间间隔，εn为第n-1个采样时间内应变的值，n为采样点数，t为采样周期，ε
rms
为一个采样周期的有效值。
[0023]
优选地，所述平均值的计算公式为：
[0024][0025]
其中，m为各个测点所对应的测量数据的组数，εa为一个测点应变的平均值。
[0026]
优选地，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，包括：
[0027]
若8个测点应变的平均值相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常，无静偏心故障；
[0028]
若4组轴向相对的2个测点应变的平均值两两相等但周向测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙径向偏心；
[0029]
若两端的周向4个测点应变的平均值分别相等但轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙轴向偏心；
[0030]
若两端的周向4个测点应变的平均值不相等且轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙混合偏心。
[0031]
优选地，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，包括：
[0032]
若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、另2组测点的平均值分别为最大应变组与最小应变组，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向大应变测点的气隙径向偏心；
[0033]
若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、有2组测点的应变的平均值大于另外2组，若2组大应变的平均值相等、2组小应变的平均值相等，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向两组大应变测点正中间的气隙径向偏心；
[0034]
若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、有2组测点的应变的平均值大于另外2组，若2组大应变的平均值不相等，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向两组大应变测点之间的气隙径向偏心，且发电机的定子中心靠近最大应变组测点；
[0035]
若8个测点应变的平均值不等，则最大应变组的平均值与最小应变组的的平均值的差值越大，则气隙偏心程度越大。
[0036]
优选地，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，还包括：
[0037]
若8个测点应变的平均值不等且轴向两端周向4个测点应变的平均值分别相等但轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则所述气隙轴向偏心方向确定为偏向大应变测点一端的气隙轴向偏心；
[0038]
若8个测点应变平均值不等，大应变端与小应变端的差值越大，则气隙偏心程度越大。
[0039]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0040]
本发明提供了一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，本发明通过利用多个应变片采集发电机定子绕组轴向两端测点处的的应变数据，根据应变数据的平均值确定发电机静偏心的故障类型和所对应的方向和程度。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例提供的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法流程图；
[0043]
图2为本发明实施例提供的应变片分布示意图；
[0044]
图3为本发明实施例提供的绕组结构示意图；
[0045]
图4为本发明实施例提供的电路连接示意图；
[0046]
图5为本发明实施例提供的偏心类型示意如图。
[0047]
附图标记：
[0048]
1-应变片，2-绕组的端部，3-绕组的直线段。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
本发明的目的是提供一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法。解决了现有技术中早期无法精准检测发电机的气隙偏心的故障类型和故障类型所对应的方向和程度。
[0051]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0052]
如图1所示，本发明提供了一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，包括：
[0053]
步骤100：通过电阻应变片1采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据；
[0054]
步骤200：利用采集仪采集多组所述应变数据并分别计算所述应变数据的有效值；
[0055]
步骤300：根据多组所述应变数据的有效值计算得到不同测点的平均值；
[0056]
步骤400：根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度。
[0057]
进一步的，所述通过应变片1采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据，包括：
[0058]
通过在各个发电机定子绕组轴向两端分别沿所述发电机定子绕组的内侧圆周方向平均布置4对应变片1；
[0059]
测量8对应变片1对应8个测点的应变数据。
[0060]
具体的，应变片1布置到相应绕组的直线段3与绕组的端部2交界处，2个应变片1使用直交配置法布置在绕组上并与两个固定电阻组成半桥整流电路，为一对应变片1。应变片1分布如图2所示，应变片1具体布置部位与绕组结构如图3所示，电路如图4所示。
[0061]
进一步的，测量所述8对应变片1对应8个测点的应变数据，包括：
[0062]
利用固定电阻与所述应变片1构成电桥；
[0063]
利用所述电桥获取测点对应的电信号；
[0064]
通过所述电信号获取测点对应的应变数据。
[0065]
具体的，1对应变片中包括2个应变片1，每个应变片1延伸出两条导线，每组应变片1与两个固定电阻组成电桥，由直流电源供电，通过电信号的变化测量绕组的应变，通过四处测点绕组应变的大小判断。
[0066]
具体连接为：应变片rg1一条导线连接+eg端，另一条导线与应变片rg2的一条导线相连并接入vi+端，rg2的另一条导线接入-eg端。其中vi为输出电压，eg为电桥电压。输出电压信号vi经采集仪转换为应变信号传入计算机，在计算机中进行数据对比分析，进行发电机偏心方向与程度的判断。
[0067]
数据对比方式为：测量多组的绕组应变曲线求出有效值(均方根值)，分别计算8个测点应变有效值的平均值，对比应变大小，判断偏心方向与程度。
[0068]
具体的，在所述利用采集仪采集多组所述应变数据之前，还包括：
[0069]
对所述采集仪的测量通道进行平衡与清零。
[0070]
本实施例还公开了具体的原理：
[0071]
发电机正常与偏心故障运行时气隙磁势为：
[0072]
f(αm,t)＝f
δ
cos(ωt-pαm+β)；
[0073]
其中p是极对数，参数ω＝2πf是角频率，f
δ
是定转子复合磁势幅值，αm是用于说明气隙的详细圆周位置的机械角(从气隙最小点开始)。
[0074]
发电机正常与偏心故障运行时气隙磁导为：
[0075][0076]
式中μ0为真空磁导率，g0为气隙长度的平均值，δs为转子静偏心率。λ0是正常情况下的气隙磁导，是一个常数，但在静偏心故障中气隙磁导λ是一个与αm相关的变量值。
[0077]
发电机气隙磁密计算公式为：
[0078]
ba(αm,t)＝f(αm,t)λ(αm)；
[0079]
ba是直线区域的气隙磁密。
[0080]
为了使测量数据更明显，优选的，本专利测量绕组的直线段3与绕组的端部2连接处的绕组应变，根据镜像法和biot-savart定律，发电机运行时的端部磁密b
end
为：
[0081][0082]
其中b
end
是端部区域的气隙磁密，ikdl是基本电流矢量，r是ikdl到计算点的距离，lk是端部绕组的中心轨道，n为计算点数。η，η2和η1是表示大于0小于1的系数，具体关系为：0《η1《η《η2《1。
[0083]
具体的，末端磁场(端部)小于主磁场(直线段)，所以端部磁密相对于直线段磁密要乘大于0小于1的系数η，发生气隙轴向偏心后伸出端磁密增大，系数η增加至η2，而抽空端磁密减小，系数η减小至η1，绕组所受的径向电磁力最大，故本专利测量的是绕组径向应变，根据安培力定律和电磁感应定律，端部绕组所受径向电磁力为：
[0084][0085]
其中v是切割绕组的磁场线速度，z1是绕组的电抗，l和l分别是绕组线部分和端部的轴向长度。
[0086]
发电机绕组受力后应变为：
[0087][0088]
e为绕组的弹性模量，是一个常数。
[0089]
由于各测点所在的位置相对于发电机圆心距离相同，相对于绕组正常的部位也相同，运行时绕组所受的电磁力相同，因此正常运行时测得的绕组应变有效值一致。
[0090]
偏心故障出现后，各测点应变有效值不再相同，可根据所测四个点的应变数据进行偏心方向与程度的判断。
[0091]
绕组分为直线段与端部，且直线段固定于定子槽内而端部悬空，故绕组的端部刚性较差、易发生变形，其中绕组直线段与端部的交界处应力应变最大，故所测应变点优先选择绕组的直线段3与绕组的端部2的交界处。
[0092]
有效值计算公式为：
[0093][0094]
△
t为相邻两次采样的时间间隔，εn为第n-1个采样时间内应变的值(取第n个应变值代替)，n为采样点数，t为采样周期(时间)，ε
rms
为一个采样周期的有效值。
[0095]
每个测点同时测量应变，测量至少10组数据(10个周期)，计算每个测点应变有效值的平均值，将8个数据相比较。
[0096]
平均值计算公式为：
[0097][0098]
m为每个点测量数据的组数，εa为一个测点应变的平均值。
[0099]
具体的，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，包括：
[0100]
若8个测点应变的平均值相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常，无静偏心故障；
[0101]
若4组轴向相对的2个测点应变的平均值两两相等但周向测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙径向偏心；
[0102]
若两端的周向4个测点应变的平均值分别相等但轴向相对的2个测点应变的平均
值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙轴向偏心；
[0103]
若两端的周向4个测点应变的平均值不相等且轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙混合偏心。偏心类型示意如图5所示。
[0104]
具体的，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，包括：
[0105]
8个测点应变的平均值相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常；本技术中所述正常情况下的应变值为一个固定数值，可对发电机运行正常状态进行评估参考。
[0106]
若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、另2组测点的平均值分别为最大应变组与最小应变组，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向大应变测点的气隙径向偏心；
[0107]
若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、有2组测点的应变的平均值大于另外2组，若2组大应变的平均值相等、2组小应变的平均值相等，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向两组大应变测点正中间的气隙径向偏心；
[0108]
若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、有2组测点的应变的平均值大于另外2组，若2组大应变的平均值不相等，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向两组大应变测点之间的气隙径向偏心，且发电机的定子中心靠近最大应变组测点；
[0109]
若8个测点应变的平均值不等，则最大应变组的平均值与最小应变组的的平均值的差值越大，则气隙偏心程度越大。
[0110]
具体的，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，还包括：
[0111]
8个测点应变相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常；
[0112]
若8个测点应变的平均值不等且轴向两端周向4个测点应变的平均值分别相等但轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则所述气隙轴向偏心方向确定为偏向大应变测点一端的气隙轴向偏心；
[0113]
若8个测点应变平均值不等，大应变端与小应变端的差值越大，则气隙偏心程度越大。
[0114]
具体的，发电机气隙混合偏心方向判断方式：
[0115]
情况1：8个测点应变相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常；
[0116]
情况2：8个测点应变不等且每组内两测点应变不等、4组测点应变不等，则参考气隙径向偏心方向判断方式判断径向偏心方向，参考气隙轴向偏心方向判断方式判断轴向偏心方向。
[0117]
发电机气隙混合偏心程度判断方式为：
[0118]
情况1：8个测点应变相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常；
[0119]
情况2：8个测点应变不等，则参考气隙径向偏心程度判断方式判断径向偏心程度，参考气隙轴向偏心程度判断方式判断轴向偏心程度。
[0120]
本发明的有益效果如下：
[0121]
本发明的目的是提供一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法。
解决了现有技术中早期无法精准检测发电机的气隙偏心的故障类型和故障类型所对应的方向和程度的问题。
[0122]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0123]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，包括：通过电阻应变片采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据；利用采集仪采集多组所述应变数据并分别计算所述应变数据的有效值；根据多组所述应变数据的有效值计算得到不同测点的平均值；根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度。2.根据权利要求1所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，所述通过电阻应变片采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据，包括：通过在任意一个发电机定子绕组轴向两端分别沿所述发电机定子绕组的内侧圆周方向平均布置4对应变片；测量8对应变片对应8个测点的应变数据。3.根据权利要求2所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，测量所述8对应变片对应8个测点的应变数据，包括：利用固定电阻与所述应变片构成电桥；利用所述电桥获取测点对应的电信号；通过所述电信号获取测点对应的应变数据。4.根据权利要求3所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，在所述利用采集仪采集多组所述应变数据之前，还包括：对所述采集仪的测量通道进行平衡与清零。5.根据权利要求1所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，所述有效值的计算公式为：其中，
△
t为相邻两次采样的时间间隔，ε
n
为第n-1个采样时间内应变的值，n为采样点数，t为采样周期，ε
rms
为一个采样周期的有效值。6.根据权利要求1所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，所述平均值的计算公式为：其中，m为各个测点所对应的测量数据的组数，ε
a
为一个测点应变的平均值。7.根据权利要求2所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，包括：若8个测点应变的平均值相等且等于正常情况下的应变，则发电机运行正常，无静偏心故障；若4组轴向相对的2个测点应变的平均值两两相等但周向测点应变的平均值不等，则将
所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙径向偏心；若两端的周向4个测点应变的平均值分别相等但轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙轴向偏心；若两端的周向4个测点应变的平均值不相等且轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则将所述静偏心故障的类型确定为发电机发生气隙混合偏心。8.根据权利要求7所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，包括：若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、另2组测点的平均值分别为最大应变组与最小应变组，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向大应变测点的气隙径向偏心；若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、有2组测点的应变的平均值大于另外2组，若2组大应变的平均值相等、2组小应变的平均值相等，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向两组大应变测点正中间的气隙径向偏心；若8个测点应变的平均值不等且轴向2组相对的测点应变的平均值相等、有2组测点的应变的平均值大于另外2组，若2组大应变的平均值不相等，则将所述发电机气隙径向偏心的方向确定为偏向两组大应变测点之间的气隙径向偏心，且发电机的定子中心靠近最大应变组测点；若8个测点应变的平均值不等，则最大应变组的平均值与最小应变组的的平均值的差值越大，则气隙偏心程度越大。9.根据权利要求7所述的一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，其特征在于，根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度，还包括：若8个测点应变的平均值不等且轴向两端周向4个测点应变的平均值分别相等但轴向相对的2个测点应变的平均值不等，则所述气隙轴向偏心方向确定为偏向大应变测点一端的气隙轴向偏心；若8个测点应变平均值不等，大应变端与小应变端的差值越大，则气隙偏心程度越大。

技术总结
本发明提供了一种非侵入式大容量发电机三维气隙偏心故障的检测方法，包括：通过电阻应变片采集沿圆周分布的四根发电机定子绕组轴向两端测点处的应变数据；利用采集仪采集多组所述应变数据并分别计算所述应变数据的有效值；根据多组所述应变数据的有效值计算得到不同测点的平均值；根据所述不同测点的平均值确定静偏心故障的类型以及所述静偏心故障的类型所对应的方向和程度。本发明解决了现有技术中早期无法精准检测发电机的气隙偏心的故障类型和故障类型所对应的方向和程度的问题。障类型和故障类型所对应的方向和程度的问题。障类型和故障类型所对应的方向和程度的问题。


技术研发人员：何玉灵 代德瑞 徐明星 张文 李勇 刘翔奥
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/7