张学峰，李会军，曹少飞，陈磊

（华能铜川煤电有限公司，陕西铜川 727031）

引言

大型汽轮发电机组投入电力生产以来，在我国电力生产中的应用日益广泛。针对电厂的生产需求，在大型汽轮发电机组运行过程中必须对其运行参数实时监控，通过运行参数的监控了解机组运行状况，及时发现故障隐患，避免生产事故的发生[1,2]。目前我国大型汽轮发电机组真正能提前发现机组故障隐患并能解决问题的状态监测预警平台比较缺乏[3]，故应加快对汽轮发电机组转子状态监测预警平台的开发与应用。

近年来，历届国际大电网会议（CIGRE）上，发电机的故障保护和监测一直是旋转电机委员会（SC-A1）的重点议题。国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》中，提出对于发电机的转子绝缘状况，应进行动态及静态匝间短路检查试验，确认匝间短路的严重情况，以此制订安全运行条件及检修消缺计划，为了保证发电机安全稳定运行，应积极采用在线监测系统，持续实时地监测发电机转子匝间短路状况。围绕发电机转子的在线诊断的关键技术，密切结合我司的实际需求，选择最有意义的监测技术以消除故障，提高故障诊断的精度、实时性及准确性[4,5]。

1 大型汽轮发电机转子状态监测预警平台建设

1.1 系统总体结构要求

（1）利用原有安装在发电机定子铁心汽端，距离铁心端部大约30 cm的10点钟或2点钟位置安装磁通探测传感器，可同时采集径向和切向磁通信号。

（2）借助于电机上的气隙磁通探头进行磁通监测，无需变换负载检测同步电机中是否存在匝间短路，实时在线监测转子匝间绝缘状况的信息。

（3）开发发电机转子绕组匝间绝缘监测系统一套。系统具备现场数据采集和数据处理功能，通过以太网连接到安装有控制分析软件的上位机储存数据，监测系统可与电厂计算机系统（SCADA、MIS）、智能仪表进行通讯，实现数据共享，满足不同系统之间交换信息共享数据的需要。监测系统主机可以与全磁通探头(Total Flux Probe)和传统磁通探头(Flux Probe)的输出连接，配备鉴相器连接端口。

（4）开发智能预警平台配备转子匝间短路采集和分析软件。软件具备发电机模型图、磁通测量原始数据和磁通链峰值分布图、磁通峰值对比图、数据分析表、趋势分析图等。

（5）开发发电机转子绕组匝间短路动态在线监测及诊断分析平台一套，创建专家数据库，建立在线监测预警平台，实时监测并分析采集的磁通数据，实现动态预警和诊断。

（6）系统具备监测和控制界面管理、设备管理、预警管理、大数据管理和系统安全管理功能。系统Web化构架便于远程管理。具有综合故障数据统计功能、故障分布图谱、故障趋势图谱以及单槽线圈故障分析功能，便于直观和多角度地观察各项数据的监测结果。

（7）监测平台系统具有兼容性、可移植性、可扩充性及界面的友好性；支持未来可能扩展的其他在线监测系统。软件系统模块化设计，方便修改和维护。监测系统平台具有自检测功能，提供预警平台运行状态的自检信息，记录监测系统的故障日志。同时提供方便、可靠的调试工具和手段，满足现场校验测试的要求。

（8）系统平台采用标准J2EE开发技术，由JAVA语言开发，采用分布式部署服务框架，系统配置由XML技术完成;数据库采用关系型数据库，同时支持多种数据库，系统通过数据接口服务连接数据库，并使用连接池提高系统性能;通信协议采用HTTP、TCP/IP。系统采用B/S结构、基于平台化的分布式处理技术进行系统架构设计和系统开发；支持三/多层构架，表示层、业务层、数据库访问层分开；数据库采用关系型数据库，同时支持多种数据库。支持Windows以及Linux等操作系统；支持消息服务；考虑到系统基本功能实现后，以后会根据需要，不断增加新的功能，要求系统采用组件或模块化开发的技术，提供开放的标准接口，使后续开发的功能很容易地集成进来，保证系统的可扩展性。

1.2 应用工作范围和内容

（1）工程内容为研发和应用相结合，依托铜川煤电，开展大型汽轮发电机转子状态监测预警平台建设与应用。开展一体化平台、智能化运行控制、智能化巡检的研究，进一步研发具有自主知识产权的一体化大型汽轮发电机转子状态监测预警平台系统并投入工程示范。

（2）智能预警平台整合各子系统及机组运行参数，并预留可扩展监测其他在线数据功能。

（3）平台具备数据远程传输诊断功能，实现远程控制、诊断、查询、访问等功能；通过监测平台将数据实时传送到一体化平台统一管理及诊断。

（4）数据中心必须提供能够支持集中处理、存储、备份、管理各应用系统数据所需的软硬件。

（5）基于先进的监测气隙磁通理论基础，建立专家诊断数据库，并可按照机组、日期、磁通量大小进行查询，并显示短路信息。

（6）利用大数据与人工智能算法，基于在线监测数据，深入分析转子匝间短路故障机理，识别故障波形，研究诊断方法，实现发电机转子绕组匝间短路故障的动态预警和诊断。

（7）控制智能化的内容包括：完成全磁通探头数据采集应用水平升级；完成全自动在线监测；建立专家数据库、诊断模型；预警系统平台智能化。

1.3 系统特点

（1）较高的检测灵敏度。对于分布式转子绕组，励磁电流通入转子绕组后，转子表面的磁通包括两部分：一是经过定子与转子之间的气隙并与定子铁芯相连的呈阶梯型主磁通；二是不与定子相连而只与转子绕组相连的槽漏磁通。当磁路不饱和时，槽漏磁势与各槽内线包匝数成正比。一般情况下，汽轮发电机转子的开槽等分分度数为44，可见槽漏磁势的傅里叶级数中一次以上的谐波分量迅速衰减。通过软件计算分析，槽漏谐波函数幅值变为n倍（谐波分量大幅度增加），它是转子槽漏磁形成的转子齿谐波，与转子槽内有效安匝数成正比，正是这高频分量提高了故障检测的灵敏度。

（2）实时运行在线监测。转子绕组的绝缘状况很难在发电机的小修或大修期间进行评估。因为不取出挡圈和绕组楔块，很难检查到绕组情况。更何况许多故障是与转速有关的间歇性故障，因此传统的脱机转子匝间短路检测和接地故障定位的检测常常无法有效地检测出转子的绝缘问题。通过本系统研究可以实现对发电机转子绝缘状况实时在线监测。

（3）无需变换负载。借助于永久安装在电机上的气隙全磁通探头进行磁通监测，同时测量主磁通和漏磁通，可在不改变负载的情况下检测同步电机中是否存在匝间短路，并给出转子匝间绝缘状况的信息。这个信息在安排维修，解释异常振动以及确认新电机/重绕电机转子的完好性时起到关键的作用。

（4）指导转子状态检修。适应状态检修，提升智慧运行手段，贴合智慧电厂新思路。

（5）基于采集数据，建立发电机转子匝间短路诊断模型，实时掌握运行转子绝缘状态。数据采集装置满足模块化和标准化要求，并预留足够的通道扩展能力，方便接入现场信号采集单元和键相传感器，支持热插拔和互换性要求。

（6）深入数据挖掘分析功能。提升数据采集和判读能力，提高运行效率，在不改变负载的情况下，依据磁通探头的信号侦测出转子是否有匝间短路。透过比对不同磁极相对应槽在磁通探头上的感应电压幅值，可判断出转子是否有匝间短路问题。生成分布图标，同时通过转子匝间短路图表之间的叠加对比功能可以定位出发生匝间短路的极。

（7）预警平台结合故障数据库实现匝间短路的准确辨识以及发电机转子绝缘状态的诊断，实现评估转子匝间绝缘状况、确定转子匝间故障、评估故障的严重性。

2 智能预警平台工作内容

2.1 全磁通探头数据采集应用水平升级

传统试验方法是在不同的负载条件下对不同磁极的每一个槽的漏磁通进行量测并比对。通过数字记录每一磁通波形，使用软件可以确定槽内是否有匝间短路的现象及定位发生短路匝所在的槽。使用新研发的全磁通探头可以在不改变旋转电机负载的情况下，通过转子绕组单槽内的漏磁通密度与对应槽内的有效匝数对应关系，匝间短路的发生导致特定槽的漏磁通降低。将两个不同极但槽编号相对应的漏磁通数据进行比对，可以直观并准确地检测出转子是否发生匝间短路。

2.2 全自动在线监测

转子绕组的绝缘状况很难在发电机的小修或大修期间进行评估，因为不取出挡圈和绕组楔块，很难检查到绕组情况。更由于许多故障是与转速有关的间歇性故障，传统的脱机转子匝间短路检测和接地故障定位的检测常常无法有效检测出转子的绝缘问题，该平台可以实现对发电机转子绝缘状况实时在线监测。

2.3 完成专家数据库，建立诊断模型

基于先进的监测气隙磁通理论基础及采集的实时数据，建立发电机转子匝间短路诊断模型以及专家诊断数据库，实时掌握运行转子绝缘状态，科学化评判转子绝缘状态。深入挖掘分析数据，提升数据采集和判读能力，提高运行效率。

2.4 预警系统平台智能化

建立在线监测预警平台，结合故障数据库，综合故障数据统计、故障分布图谱、故障趋势图谱以及单槽线圈分析功能，直观和多角度地观察各项数据的监测结果，以实现匝间短路的准确辨识及对发电机转子绝缘状态的诊断。

3 系统可提供的研究方向

3.1 测量基础原理研究

通过转子表面的磁场分布可知，探测的感应电动势波形呈现阶梯状，而每一阶梯的高低取决于对应槽的磁通变化率，与匝数有关。若各槽绕组的匝数相等，正常运行时各槽磁通变化率也相等，各阶梯的高度也就相等；当某槽内有短路匝时，相应匝数减少，那么阶梯的高度就会降低。同时，利用微分电路将所有阶梯降到同一水平面进行比较，据此便可判断某槽是否发生了短路。由于主磁场是由所有线圈共同产生的，转子匝间短路虽然会影响主磁通的强度，但是由于所占比例很小不容易测量，而漏磁通分别交链于各槽的励磁绕组，其大小与该槽内线圈匝数成正比，能直接反映出各槽线圈匝数的变化。该系统的研究方法是在不改变负载的条件下，同时测量转子漏磁通的径向分量和切向分量，经过计算分析，比对不同磁极的每一个槽的漏磁通，数字记录每一磁通波形，使用专业分析软件确定槽内是否有匝间短路的现象及定位发生短路匝所在的槽。因此，传统试验方法是在不同的负载条件下对不同磁极的每一个槽的漏磁通进行量测并比对，通过数字记录每一磁通波形，然后使用专门的软件可以确定槽内是否有匝间短路的现象及定位发生短路匝所在的槽。

3.2 全磁通探头研究

研究能同时测量主磁通和漏磁通的全磁通探头，在不改变负载的情况下检测发电机转子中是否存在匝间短路，并给出转子匝间绝缘状况的信息。

3.3 建立诊断模型与专家数据库

以发电机转子绕组匝间磁通监测技术及磁通数据为基础，建立转子匝间短路诊断模型，建立发电机转子绕组匝间短路故障的专家数据库。

3.4 研究故障预警与诊断方法

融合物联网技术与大数据智能算法，动态监测匝间绝缘状态，研究故障预警与诊断方法，并搭建在线监测平台。

3.5 平台数据远程传输诊断功能

实现远程控制、诊断、查询、访问等功能，通过监测平台将数据实时传送到一体化平台统一管理及诊断。

3.6 监测结果显示功能

在系统图中，以颜色、运行指示灯等方式综合展示一次设备各种状态参量，内容包括：状态参数、诊断结果等；显示相应的实时监测结果，根据故障曲线和波形，比对不同历史时期曲线，形成专家分析报告。

3.7 功能扩展

监测平台整合各子系统及机组运行参数的数据，并预留可扩展监测其他在线数据功能。软件系统模块化设计便于修改和维护。监测系统平台具有自检测功能，提供自检信息，记录监测系统的故障日志。提供可靠的调试工具和手段，便于现场校验测试。