一种水轮发电机多功能动静气隙测量及计算方法与流程

1.本发明涉及水利水电技术领域，具体是一种水轮发电机多功能动静气隙测量及计算方法。


背景技术：

2.水轮发电机气隙测量一直是水电站检修和运行中的一个重要采集指标。在检修中常用插木条的形式；在实际运行中老机组几乎缺少气隙测量装置，新机组虽安装有气隙传感器，但仍存在不少问题。主要问题如下：
3.(1)检修时采用插木条形式，测量精度低，往往只能保持1mm左右的测量精度，同时费时费力；
4.(2)实际运行中，即便是安装了气隙传感器，仍处于只测量不分析的阶段。一方面是现有设备对机组运行时气隙故障的原因分析不明确，二是对气隙测量工况认识不到位，导致测量与分析存在脱钩现象，即便有时测量出异常气隙值，也不知道发生了什么问题。
5.(3)实际运行中，由于气隙传感器安装数量较少，往往仅能对转子变形做判断，定子是否出现异常难以分析。
6.由于存在上述问题，不仅使得气隙测量与分析仍处于较初始状态，不仅数据测量精度存疑、计算分析方法几乎完全空缺，往往影响运行操作精度，极大的浪费了人力物力，导致了机组发电潜力降低。为此，本发明综合考虑上述影响，提出一种新的水轮发电机多功能动静气隙测量及计算方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种水轮发电机多功能动静气隙测量及计算方法，以解决背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种水轮发电机多功能动静气隙测量及计算方法，包括以下步骤：
10.步骤1：安装测量单元：在发电机定子内缘上布置薄片式电涡流传感器；在发电机定子内缘中部布置温度传感器，在发电机导轴承上安装激光转速传感器，并在对应发电机轴上贴一个反光条；
11.步骤2：通过检修测量模块在水轮发电机检修时，读取电涡流传感器后置的单片机中的实时数据，并根据数据计算气隙值；
12.步骤3：准静态测量模块在水轮发电机启动过程中，利用激光转速传感器测量转速，电涡流传感器实时测量气隙；
13.步骤4：热平衡动态测量模块利用触发热平衡测量数据采集功能键激活数据采集装置，并根据温度传感器所测得的温度值变化率小于0.1℃/h时，从电涡流传感器后置的单片机实时读取数据；
14.步骤5：故障测量模块在气隙监测出现工况后，实时观测故障发展及机组停机过程
中气隙变化情况。
15.在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
16.在一种可选方案中：检修测量模块用于水轮发电机检修，利用机械装置或人力推动发电机转子运行，在每个磁极外圆中心线达到电涡流传感器时停下，通过触发检修测量数据采集功能键，激活数据采集装置读取电涡流传感器后置的单片机中的实时数据。
17.在一种可选方案中：所述检修测量模块在薄片式电涡流传感器安装之前应用垂直测量装置检测待安装部位的垂直度和同心度；薄片式电涡流传感器应分别布置在发电机 x、 y方向，且在每个方向上从上到下布置八个。
18.在一种可选方案中：检修测量模块工作时，气隙测量计算方法如下：
19.设r
ijx
代表 x方向安装的第i个传感器所测量的第j个转子磁极气隙值，r
ijy
代表 y方向安装的第i个传感器所测量的第j个转子磁极气隙值。
20.磁极气隙倾斜度可依据下式判断：
[0021][0022]
上式中，当第j个磁极在 x方向所测的8个气隙值与该8个气隙的平均值相差小于0.5mm，则认为磁极从上到下是均匀的；若不符合上式要求，则利用 y方向数据进行校核，仍不符合要求，则认为第j个磁极安装偏差过大。
[0023]
在磁极气隙倾斜度符合要求后，开展磁极均匀性分布分析：
[0024]
假定由n个磁极，则全部磁极在 x、 y方向的偏心情况，可按照下式计算：
[0025][0026]
上式中，e
x
代表磁极在 x方向的偏心距，ey代表磁极在 y方向的偏心距，rj代表激光传感器(4)在第j个磁极上气隙测量的均值，光传感器(4)在第j个磁极上气隙测量的均值，代表第j个磁极与 x方向上的夹角关系，j＝1,2,
…
,n。
[0027]
磁极总偏心距计算如下：
[0028][0029]
则安装符合要求的磁极可按照下式进行判断：
[0030][0031]
上式中r代表n个磁极的平均气隙，如果不符合上式，在利用 y方向传感器(5)所测数据进行校核，如果也不符合上式，则认为第j个磁极安装不符合要求，按照数值rj-r进行调整；整个数据符合要求后记录相应平均气隙r和各个磁极对应气隙rj。
[0032]
在一种可选方案中：准静态测量模块在机组启动时，通过触发准静态数据采集装置功能键启动数据采集装置，并实时读取激光转速传感器、薄片式电涡流传感器后置单片机的数据；当激光转速传感器实测数据达到额定转速的95％时，准静态测量模块截取对应时间下的激光转速传感器、电涡流传感器数据进行分析；激光转速传感器利用记录两次反光条之间的时间来换算转速，其数据保存为每次感应到反光条的时间及对应换算转速。
[0033]
在一种可选方案中：电涡流传感器所测量的数据利用上升沿和下降沿双重规律判断所测量数据是磁极气隙数据，还是磁极间隙数据；
[0034]
以 x方向数据为例，在两次激光转速传感器记录时间内，读取电涡流传感器所测量的数据，其中数据下降沿判定规律：
[0035]rizxm
＜rz[0036]
数据上升沿判定规律：
[0037]rizxm
＞rz[0038]
其中，r
izxm
表示 x方向，第i个传感器所测得的第m时刻下的数据，rz代表在该时间段内所有数据的平均值。在数据下降沿和上升沿之间所采集的p个数据为磁极气隙数据，则截取p/2-2(取整)至p/2 2(取整)共5个数据进行平均计算；m个数据中按照该规律应有n个下降沿和上升沿数据，正好与实际磁极号一一对应，结果记为r
pj
；若存在缺失，可读取数据结尾下降沿之后的数据进行平均，认为是最后一个磁极对应的气隙值。准静态测量中，气隙变化符合下式规律，则认为其处于正常状态。
[0039]
0.95rj≤r
pj
≤1.05rj[0040]
若不符合上式，则利用 y方向电涡流传感器(5)数据进行校核计算，若仍不符合，则认为对应的第j个磁极安装松动，应发出报警信号，并立即停机处理。并将最后一圈数据r
pj
进行记录。
[0041]
在一种可选方案中：热平衡动态测量模块在机组启动后，触发热平衡数据采集功能键激活数据采集装置，实时采集温度传感器的数据，当温度传感器所测得的温度值变化率小于0.1℃/h时，从电涡流传感器后置的单片机实时读取数据，利用信号下降沿、上升沿相匹配的方法进行气隙值与磁极号一一对应，记为r
dj
，第i个电涡流传感器所测平均数据记为r
dij
；
[0042]
在发电机转子和发电机定子出现热胀现象时，磁极气隙的变化，从以下3方面进行判断：
[0043]
电涡流传感器安装部位热变形超标：
[0044]
0.98r
dj
≤r
dij
≤1.05r
dj
[0045]
上式中，定子热变形分别计算 x、 y方向，只要任意方向不符合要求，发出报警信号。
[0046]
转子热变形判断：
[0047]
0.98r
pj
≤r
dj
≤1.05r
pj
[0048]
上式中，如果 x方面数据不符合要求，若 y方向定子热变形符合要求，则用 y方向数据进行校核；否则应发出报警信号。
[0049]
定子热变形判断：
[0050]
|r
djt-r
djt-1
|＜0.1r
pj
[0051]
上式中，r
djt
及r
djt-1
分别代表当前和上一圈磁极气隙值，若两者之间数值差异不符合上式，且 y方向数据复核后也不符合上式，则说明转子气隙主要有定子某部位热膨胀加大，导致电磁拉力不平衡，进而引起气隙变化不均匀。
[0052]
在一种可选方案中：故障测量模块是在当准静态测量模块、热平衡动态测量模块出现故障后，自动切换进入故障测量模块，并分析机组停机过程中气隙变化情况，以确定准确的故障位置和原因；故障测量模块利用信号下降沿、上升沿相匹配的方法进行气隙值与磁极号一一对应，并将最后一圈数据记为r
gj
(即停机前的数据)；
[0053]
0.95r
pj
≤r
gj
≤1.05r
pj
[0054]
则可认为主要是由于安装松动引起，若不符合，则认为是由于磁极匝间短路等引起局部温度提升。
[0055]
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
[0056]
本发明通过测定薄片式电涡流传感器安装尾部的垂直度和线性度，提高了电涡流传感器安装精度；将检修时气隙数据、机组启动时气隙数据进行记录，为热平衡状态和故障停机过程中机组磁极气隙变化提供了判断依据。
[0057]
采用上升沿、下降沿以及激光转速传感器为精确定位磁极提供了有效手段，在实际运行中可以准确指导每个磁极的实际间隙，并传统仅能得出平均气隙，提高了测量精度和故障诊断精度；采用激光转速传感器和温度传感器将水轮发电机运行状态进行了区分，为不同状态划分奠定了基础，有利于针对性的提出报警判断依据。
[0058]
该方法测量操作简单，数据分析准确，提高了水轮发电机在线监测与故障诊断水平。
附图说明
[0059]
图1为气隙测量示意图。
[0060]
图2为多功能气隙测量逻辑图。
[0061]
图3为气隙动态测量信号变化图。
[0062]
附图标记注释：发电机转子1、转子磁极2、发电机定子3、薄片式电涡流传感器(4、5)、温度传感器6、发电机导轴承7、激光转速传感器8、反光条9、检修测量模块10、准静态测量模块11、热平衡动态测量模块12、故障测量模块13、检修测量数据采集功能键14、数据采集装置15、准静态测量数据采集功能键16、后置单片机(17、18)、热平衡测量数据采集功能键19、下降沿20、上升沿21。
具体实施方式
[0063]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明；在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在实际应用中，各部件的形状、厚度或高度可扩大或缩小。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
[0064]
本发明提出了一种涵盖检修与运行状态的一种新的水轮发电机多功能动静气隙
测量及计算方法。
[0065]
在本例实施中，图1为气隙测量示意图。为将气隙测量分为检修测量模块、准静态测量模块、热平衡动态测量模块和故障测量模块等4个模块，并且能综合判断转子、定子变形情况，本发明布置一下测量部件：在发电机定子3内缘 x、 y方向分别自上而下布置8个薄片式电涡流传感器(4、5)；在发电机定子3内缘中部布置一个温度传感器6，在发电机导轴承7上布置一个激光转速传感器8，并在对应发电机轴上贴一个反光条9。
[0066]
本发明的控制逻辑如图2所示；本发明提出4种气隙测量与分析模块，即检修测量模块10、准静态测量模块11、热平衡动态测量模块12和故障测量模块13。
[0067]
检修测量模块10用于水轮发电机检修，利用机械装置或人力推动发电机转子运行，在每个磁极外圆中心线达到电涡流传感器(4、5)时停下，通过触发检修测量数据采集功能键14，激活数据采集装置15读取电涡流传感器(4、5)后置的单片机(17、18)中的实时数据。
[0068]
准静态测量模块11是用于水轮发电机启动过程测量，通过触发准静态测量数据采集功能键16激活数据采集装置15，利用激光转速传感器8测量转速，电涡流传感器(4、5)实时测量气隙，并根据激光转速传感器8中0.1％转速与95％转速对应的时间，从电涡流传感器(4、5)后置的单片机(17、18)分别读出水轮发电机开始转动到转速达到额定转速时气隙变化数据，并依据相关算法，判断是否报警。
[0069]
热平衡动态测量模块(12)利用触发热平衡测量数据采集功能键19激活数据采集装置15，并根据温度传感器6所测得的温度值变化率小于0.1℃/h时，从电涡流传感器(4、5)后置的单片机(17、18)实时读取数据，并依据相关算法，判断是否报警。
[0070]
故障测量模块13主要观测当准静态测量模块11、热平衡动态测量模块12出现报警工况后，自动切换进入故障测量模式，实时观测故障发展及机组停机过程中气隙变化情况。
[0071]
本发明提及的检修测量模块10在薄片式电涡流传感器(4、5)安装之前应用垂直测量装置检测待安装部位的垂直度和同心度，薄片式电涡流传感器(4、5)应分别布置在发电机 x、 y方向，且在每个方向上从上到下布置8个；薄片式电涡流传感器应安装在定子3内缘。检修测量模块10工作时，气隙测量计算方法如下：
[0072]
设r
ijx
代表 x方向安装的第i个电涡流传感器4所测量的第j个转子磁极2气隙值，r
ijy
代表 y方向安装的第i个电涡流传感器4所测量的第j个转子磁极2气隙值。
[0073]
磁极气隙倾斜度可依据下式判断：
[0074][0075]
上式中，当第j个磁极在 x方向所测的8个气隙值与该8个气隙的平均值相差小于0.5mm，则认为磁极从上到下是均匀的；若不符合上式要求，则利用 y方向数据进行校核，仍不符合要求，则认为第j个磁极安装偏差过大。
[0076]
在磁极气隙倾斜度符合要求后，开展磁极均匀性分布分析：
[0077]
假定由n个磁极，则全部磁极在 x、 y方向的偏心情况，可按照下式计算：
[0078][0079]
上式中，e
x
代表磁极在 x方向的偏心距，ey代表磁极在 y方向的偏心距，rj代表激光传感器(4)在第j个磁极上气隙测量的均值，光传感器(4)在第j个磁极上气隙测量的均值，代表第j个磁极与 x方向上的夹角关系，j＝1,2,
…
,n。
[0080]
磁极总偏心距计算如下：
[0081][0082]
则安装符合要求的磁极可按照下式进行判断：
[0083][0084]
上式中r代表n个磁极的平均气隙，如果不符合上式，在利用 y方向电涡流传感器5所测数据进行校核，如果也不符合上式，则认为第j个磁极安装不符合要求，按照数值r
j-r进行调整。整个数据符合要求后记录相应平均气隙r和各个磁极对应气隙rj。
[0085]
4.本发明提及的准静态测量模块11在机组启动时，通过触发准静态数据采集装置功能键16启动数据采集装置15，并实时读取激光转速传感器8、薄片式电涡流传感器(4、5)后置单片机(17、18)的数据。当激光转速传感器8实测数据达到额定转速的95％时，准静态测量模块截取对应时间下的激光转速传感器8、电涡流传感器(4、5)数据进行分析。激光转速传感器8主要利用记录两次反光条9之间的时间来换算转速，其数据保存为每次感应到反光条的时间及对应换算转速。
[0086]
本发明所提出的利用上升沿21和下降沿20双重规律判断所测量数据是磁极气隙数据，还是磁极间隙数据的方法，主要基于动态气隙呈现上下方波形式，如图3所示。
[0087]
以 x方向数据为例，在两次激光转速传感器记录时间内，读取电涡流传感器4所测量的数据，其中数据下降沿20判定规律：
[0088]rizxm
＜rz[0089]
数据上升沿21判定规律：
[0090]rizxm
＞rz[0091]
其中，r
izxm
表示 x方向，第i个传感器所测得的第m时刻下的数据，rz代表在该时间段内所有数据的平均值。在数据下降沿20和上升沿21之间所采集的p个数据为磁极气隙数据，则截取p/2-2(取整)至p/2 2(取整)共5个数据进行平均计算。m个数据中按照该规律应有n个下降沿20和上升沿21数据，正好与实际磁极号一一对应，结果记为r
pj
。若存在缺失，可读取数据结尾下降沿20之后的数据进行平均，认为是最后一个磁极对应的气隙值。准静态测量中，气隙变化符合下式规律，则认为其处于正常状态。
[0092]
0.95rj≤r
pj
≤1.05rj[0093]
若不符合上式，则利用 y方向电涡流传感器5数据进行校核计算，若仍不符合，则认为对应的第j个磁极安装松动，应发出报警信号，并立即停机处理。并将最后一圈数据r
pj
进行记录。
[0094]
本发明所提及的热平衡动态测量模块12主要利用激光转速传感器8、温度传感器6和薄片式电涡流传感器(4、5)的数据。机组启动后，触发热平衡数据采集功能键19激活数据采集装置15，实时采集温度传感器6的数据，当温度传感器6所测得的温度值变化率小于0.1℃/h时，从电涡流传感器(4、5)后置的单片机(17、18)实时读取数据，同样利用信号下降沿20、上升沿21相匹配的方法进行气隙值与磁极号一一对应，记为r
dj
，第i个电涡流传感器所测平均数据记为r
dij
。由于发电机转子1、发电机定子3出现热胀现象，磁极气隙应有适度减小，主要从以下3方面进行判断：
[0095]
电涡流传感器安装部位热变形超标：
[0096]
0.98r
dj
≤r
dij
≤1.05r
dj
[0097]
上式中，定子热变形分别计算 x、 y方向，只要任意方向不符合要求，发出报警信号。
[0098]
转子热变形判断：
[0099]
0.98r
pj
≤r
dj
≤1.05r
pj
[0100]
上式中，如果 x方面数据不符合要求，若 y方向定子热变形符合要求，则用 y方向数据进行校核；否则应发出报警信号。
[0101]
定子热变形判断：
[0102]
|r
djt-r
djt-1
|＜0.1r
pj
[0103]
上式中，r
djt
及r
djt-1
分别代表当前和上一圈磁极气隙值，若两者之间数值差异不符合上式，且 y方向数据复核后也不符合上式，则说明转子气隙主要有定子某部位热膨胀加大，导致电磁拉力不平衡，进而引起气隙变化不均匀。
[0104]
本发明提及的故障测量模块13主要在气隙监测出现故障后，自动切换进入故障测量模块，主要分析机组停机过程中气隙变化情况，以确定准确的故障位置和原因。该测量模块同样利用信号下降沿20、上升沿21相匹配的方法进行气隙值与磁极号一一对应，并将最后一圈数据记为r
gj
(即停机前的数据)。
[0105]
0.95r
pj
≤r
gj
≤1.05r
pj
[0106]
则可认为主要是由于安装松动引起，若不符合，则认为是由于磁极匝间短路等引起局部温度提升。
[0107]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0108]
通过测定薄片式电涡流传感器安装尾部的垂直度和线性度，提高了电涡流传感器安装精度；将检修时气隙数据、机组启动时气隙数据进行记录，为热平衡状态和故障停机过程中机组磁极气隙变化提供了判断依据；采用上升沿21、下降沿20以及激光转速传感器为精确定位磁极提供了有效手段，在实际运行中可以准确指导每个磁极的实际间隙，并传统仅能得出平均气隙，提高了测量精度和故障诊断精度；采用激光转速传感器和温度传感器将水轮发电机运行状态进行了区分，为不同状态划分奠定了基础，有利于针对性的提出报警判断依据。该方法测量操作简单，数据分析准确，提高了水轮发电机在线监测与故障诊断水平。
[0109]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。