发电机铁芯故障检测方法及系统与流程

1.本发明涉及电气维修技术领域，尤其涉及一种发电机铁芯故障检测方法及系统。


背景技术：

2.定子铁芯是大型发电机的重要组成部件，一般由数十万片厚度为0.35mm或0.5mm扇形硅钢片叠装制成。若铁芯叠片间出现绝缘损坏，在运行工况的磁场作用下，会在叠片间产生较大的涡流损耗，引起局部过热，导致铁芯甚至是定子线棒损坏，造成重大损失。因此，铁芯叠片绝缘诊断，是发电机检修中的重要工作。
3.目前检修中用到的主要的诊断方法有铁损法和elcid(electromagnetic core imperfection detector，铁芯电磁故障探测)法。
4.其中，铁损法可以直观反映故障点的温升，以及评价严重程度，但大型发电机的铁损试验往往需要mva级的电源，在电厂很难实现，需要运输大量重达吨级的试验设备、以及连接几十根励磁电缆，还可能造成故障点进一步过热烧坏带来二次损坏，并且励磁电缆直径较大、人员要进入定子膛内测温，铁损试验还必须在抽转子的状态下进行，花费大、风险高。
5.而elcid法仅需数kva的电源，很容易在厂内获得，其灵敏度高，不会对故障点造成二次损坏。elcid法所用的探头非常小巧，可以由机器人携带进入发电机在不抽转子状态下进行试验。但elcid法给出的结果是交轴电流，不能直接反映温升。虽然elcid法能准确发现铁芯是否存在故障点，但elcid法判断的故障点经常是不准确的。因此在交轴电流超标后，为了鉴别铁芯故障点能否安全运行，一般需要补充进行铁损试验，才能最终确定是否有故障。甚至实践中还碰到交轴电流超标而铁损试验合格的案例，白白浪费大量的时间、人力和花费。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的至少一个缺陷，提供一种发电机铁芯故障检测方法及系统。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种发电机铁芯故障检测方法，用于确定发电机铁芯的怀疑故障点是否存在故障，包括以下步骤：
8.s1、对所述怀疑故障点进行局部磁路设置，建立测试磁路；
9.s2、对所述测试磁路进行激磁处理，使所述测试磁路进入预定饱和状态，并持续预设时间；
10.s3、采集所述测试磁路的热成像信息，根据所述热成像信息生成故障判断结果。
11.优选地，在所述s1中，对所述怀疑故障点进行局部磁路设置包括：使所述怀疑故障点相邻两侧的轮齿经预设磁路件连通。
12.优选地，所述预设磁路件包括磁路件主体以及设于所述磁路件主体上的用于为所述测试磁路提供磁场能量的激磁绕组；所述磁路件主体的两接触面分别与所述怀疑故障点
两侧的轮齿的表面贴合。
13.优选地，所述磁路件主体包括横梁、以及在横梁两端向外延伸的第一边柱和第二边柱；所述横梁、第一边柱和第二边柱的有效横截面积不小于所述轮齿的齿顶面积。
14.优选地，所述s2包括：采集所述怀疑故障点的感应电压，并通过调节具有预设频率的激磁绕组的输入电压，使所述怀疑故障点的感应电压调节等于所述测试磁路的预定饱和电压，并持续预设时间。
15.优选地，所述预设磁路件还包括用于测量所述感应电压的测量线圈；
16.相应的，在所述s2中，采集所述怀疑故障点的感应电压包括：采集所述测量线圈的测量电压，并根据所述测量线圈的匝数和所述测量电压计算出所述怀疑故障点的感应电压；
17.所述感应电压的表达式为：us＝u
t
/n2；
18.其中，us为所述感应电压，u
t
为所述测量电压，n2为所述测量线圈的匝数。
19.优选地，在所述s2中，所述预定饱和电压的表达式为：
20.ub＝bb*(4.44*fb*s
t
)；
21.其中，ub为预定饱和电压，bb为所述测试磁路的预设饱和磁感应强度，fb为所述预设频率，s
t
为所述磁路件主体与所述轮齿的接触面积。
22.优选地，在所述s3中，根据所述热成像信息生成故障判断结果包括：对所述热成像信息进行温度特征提取，判断所述测试磁路中的发电机铁芯部分是否存在温度大于故障温度的区域，若是则判定所述发电机铁芯存在故障点，否则判定所述发电机铁芯不存在故障点。
23.本发明还提供一种发电机铁芯故障检测系统，用于确定发电机铁芯的怀疑故障点是否存在故障，包括：
24.预设磁路件，用于建立测试磁路；
25.激磁单元，用于对建立后的所述测试磁路进行激磁处理，并使所述测试磁路进入预定饱和状态且持续预设时间；
26.热成像采集单元，用于采集所述测试磁路的热成像信息；
27.判断单元，用于根据所述热成像信息生成故障判断结果。
28.优选地，所述激磁单元包括：
29.高频电源，用于为所述激磁绕组提供输入电压的高频电源；
30.电压采集器，用于测量所述测量线圈的测量电压的电压采集器；
31.激磁控制单元，用于根据所述测量电压控制所述高频电源的输出电压，使所述测试磁路进入预定饱和状态，并持续预设时间。
32.本发明至少具有以下有益效果：提供一种发电机铁芯故障检测方法：首先，对怀疑故障点进行局部磁路设置，建立测试磁路，然后对测试磁路进行激磁处理，激磁处理可以使用低功率电源，也能使测试磁路进入预定饱和状态，持续预设时间后，采集测试磁路的热成像信息，最后根据热成像信息生成故障判断结果；与传统的铁损法相比，实施本发明可以大大降低测试电源所需的功率，在核电厂内很容易便能满足，无需运输大量重量大测试设备，并且该方法简单、高效，能够准确判断铁芯是否故障点，有效降低铁损测试时长、工作量和成本。
附图说明
33.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
34.图1是本发明提供的发电机铁芯故障检测方法的流程图；
35.图2是某核电厂中的铁芯的结构示意图；
36.图3是本发明中的预设磁路件的结构示意图；
37.图4是本发明提供的发电机铁芯故障检测系统的结构示意图。
具体实施方式
38.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
39.需要说明的是，附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
40.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
41.参考图1，本发明提供了一种发电机铁芯故障检测方法，用于确定发电机铁芯的怀疑故障点是否存在故障，该方法包括步骤s1、步骤s2和步骤s3。
42.步骤s1包括：对怀疑故障点进行局部磁路设置，建立测试磁路。
43.在一些实施例中，步骤s1中的对怀疑故障点进行局部磁路设置包括：使怀疑故障点相邻两侧的轮齿经预设磁路件2连通，进而建立测试磁路。具体地，如图2所示，如怀疑故障点3，其位于轮齿11b或轮齿11b径向方向上的轭部时，可以将预设磁路件2设于位于该轮齿11b相邻两侧的轮齿11a和轮齿11c上。其中，轮齿是指齿轮上每个用于啮合的凸起部分。
44.在一些实施例中，如图2所示，预设磁路件2包括磁路件主体21以及设于磁路件主体21上的用于为测试磁路提供磁场能量的激磁绕组22。磁路件主体21的两接触面分别与怀疑故障点两侧的轮齿的表面贴合。
45.进一步地，测试磁路的有效横截面积越小，测试磁路越容易越快进入饱和状态，而测试磁路饱和太快会使铁芯快速升温，会影响测试准度，而测试磁路的最大有效横截面积又受限于轮齿的齿顶平面的面积。为避免测试磁路在测试时太快进入饱和状态，在一些实施例中，如图3所示，磁路件主体21可以为c型柱体，该c型柱体包括横梁211、以及在横梁211两端向外延伸的第一边柱212和第二边柱213，另外，激磁绕组22可以绕设于第一边柱212；其中，横梁211、第一边柱212和第二边柱213的有效横截面积不小于轮齿的齿顶面积。优选地，第一边柱212和第二边柱213的端面与轮齿的齿顶平面一致。
46.在该实施例中，预设磁路件2的作用是建立有效横截面积及磁路相对较小的测试磁路，使进行铁芯故障检测时所需的激磁功率降低，其具体原理如下：
47.参考图3，本发明通过预设磁路件2建立测试磁路后，故障点回路相当于匝数为1的线圈，其参数具有以下关系：
[0048][0049]
其中，s1为第一激磁功率，u1为第一激磁电压，f1为第一频率，w
t
为轮齿宽度，l
t
为轮齿长度，b1为第一磁感应强度，i1为第一激磁电流，lc为磁路件主体21的铁心宽度，hc为磁路件主体21的铁心高度，h
t
为轮齿高，h1为第一磁场强度；
[0050]
参考图2，为相关技术中，铁损法测试时的故障点回路的参数具有以下关系：
[0051][0052]
其中，s2为第二激磁功率，u2为第二激磁电压，f2为第二频率，lu为铁心有效长度，hy为铁芯轭部高，b2为第二磁感应强度，i2为第二激磁电流，d1为铁心外径，h2为第二磁场强度；
[0053]
当两者的频率、磁感应强度和磁场强度相同时(即f1＝f2，b1＝b2，h1＝h2)，由公式(1)和(2)可知，本发明方法与铁损法的电源功率比为：
[0054][0055]
在一些实施例中，以某机型为例，d1为2.99m，轭高hy为0.525m，lu为6.4m，h
t
为0.215m，lc为0.232m，hc为0.1m，w
t
为0.058m，l
t
为0.1m；代入公式(3)可得到本发明方法与铁损法的电源功率比为0.00032，在该实施例中，相比铁损法，本发明可以将测试用的电源功率降低高达3125倍。
[0056]
另外，在该实施例中，由于励磁绕组22和故障点回路组成了类似变压器的电气结构，因此，激磁绕组22的输入电压和输入电流具有以下关系：
[0057][0058]
其中，u3为激磁绕组22的输入电压，n为激磁绕组22的匝数，i3为激磁绕组22的输入电流。
[0059]
由公式(4)可知，在激磁电压和激磁电流为稳定值的情况下，激磁绕组22的输入电压u3与匝数n成正比关系，激磁绕组22的输入电流i3与匝数n成正比关系，因此，测试时可以根据测试电源的输出电压和电流，对匝数进行调整，如测试电源的输出电压越大，匝数就越多。
[0060]
步骤s2包括：对测试磁路进行激磁处理，使测试磁路进入预定饱和状态，并持续预设时间。其中，激磁处理的作用是：使怀疑故障点所在的磁路进入与铁损法测试时相仿的预定饱和状态，即磁路的磁感应强度到达1.4t，且故障点所产生的感应电压与铁损法测试时产生的感应电压一致，以使故障点所产生的热量与铁损法测试时的相同。
[0061]
在一些实施例中，步骤s2包括：采集怀疑故障点的感应电压，并通过调节具有预设频率的激磁绕组22的输入电压，使怀疑故障点的感应电压调节等于测试磁路的预定饱和电
压，并持续预设时间。
[0062]
在一些实施例中，预设磁路件2还包括用于测量感应电压的测量线圈23，测量线圈绕23可以设于第二边柱213上。相应的，步骤s2中的采集怀疑故障点的感应电压包括：采集测量线圈23的测量电压，并根据测量线圈23的匝数和测量电压计算出怀疑故障点的感应电压。在一些实施例中，可以在测量线圈23的两端接入电压表以采集测量电压。
[0063]
由于故障点回路相当于匝数为1的线圈，并且与测试线圈缠绕在同一测试磁路上，因此，步骤s2中的感应电压的表达式为：us＝u
t
/n2(4)其中，us为感应电压，u
t
为测量电压，n2为测量线圈23的匝数。
[0064]
同理，由于故障点回路相当于匝数为1的线圈，当测试磁路进入预定饱和状态时，根据磁通强度计算公式：b＝u/(4.44*f*n*s)可推导出，预定饱和电压的表达式为：ub＝bb*(4.44*fb*s
t
)(5)；其中，ub为预定饱和电压，bb为测试磁路的预设饱和磁感应强度(一般取1.4t)，4.44为感应电动势系数，fb为预设频率，s
t
为磁路件主体21与轮齿的接触面积。
[0065]
根据铁损法的相关资料可知，测试时，铁芯故障点处的故障点回路有如下关系：其中，i
ff
为铁损试验时的故障电流，u
ff
为铁损试验时的故障点感应电压，r为故障点回路的电阻，f3为第三频率，b3为第三磁感应强度(一般取1.4t)，sy为铁芯的轭部面积(即磁路的有效横截面积)。
[0066]
由公式(6)可得，铁损试验时的故障点感应电压的表达式为：u
ff
＝4.44*f
ff
*b3*sy(7)；为了确保测试磁路在进入预定饱和状态时的感应电压与铁损法时的感应电压一致，即满足ub等于u
ff
，由公式(5)和公式(7)可知，需要令fb*s
t
等于f
ff
*sy，而铁损法的测量频率一般取50hz，因此，可以根据如下表达式对预设频率进行设置：fb＝50*sy/s
t
，其中，sy为轭部横截面积。
[0067]
通过公式(2)可知，在bb、f和s
t
均为确定值时，可得到ub的理论确定值；可以理解的，相应的控制设备可以通过采集测量电压，并基于感应电压的表达式计算出感应电压，控制设备通过调节激磁绕组22输入电压的大小，以控制感应电压us，当感应电压us等于ub时，说明测试磁路已进入预定饱和状态，控制设备将会停止对激磁绕组22输入电压的进行调整，持续预设时间后便可执行步骤s3。
[0068]
步骤s3包括：采集测试磁路的热成像信息，根据热成像信息生成故障判断结果。
[0069]
在一些实施例中，步骤s3中的根据热成像信息生成故障判断结果包括：对热成像信息进行温度特征提取，判断测试磁路中的发电机铁芯部分是否存在温度大于故障温度的区域，若存在温度大于故障温度的区域，则说明该区域存在故障，导致其内阻增大，使得该区域的发热量比其它正常区域的大，进而判定该区域存在故障点；若不存在温度大于故障温度的区域，则说明测试磁路中的发电机铁芯部分的发热量均匀，进而判定发电机铁芯不存在故障点。
[0070]
参考图4，本发明还提供一种发电机铁芯故障检测系统，用于确定发电机铁芯1的怀疑故障点是否存在故障，该发电机铁芯故障检测系统包括预设磁路件2、激磁单元3、热成像采集单元4和判断单元5。
[0071]
预设磁路件2用于建立测试磁路。
[0072]
激磁单元3用于对建立后的测试磁路进行激磁处理，并使测试磁路进入预定饱和
状态且持续预设时间。
[0073]
热成像采集单元4用于采集测试磁路的热成像信息。
[0074]
判断单元5用于根据热成像信息生成故障判断结果。
[0075]
在一些实施例中，如图2所示，预设磁路件2包括磁路件主体21、激磁绕路以及测量线圈；磁路件主体21的两接触面用于与怀疑故障点两侧的轮齿的表面进行贴合连接；激磁绕组22和测量线圈23分别设置于磁路件主体21上，激磁绕组用于为测试磁路提供磁场能量的激磁绕组22，测量线圈23用于采集怀疑故障点的感应电压。
[0076]
在一些实施例中，激磁单元3包括高频电源、电压采集器和激磁控制单元。
[0077]
高频电源用于为激磁绕组22提供输入电压的高频电源。
[0078]
电压采集器用于测量测量线圈23的测量电压的电压采集器。进一步地，电压采集器可以为电压表。
[0079]
激磁控制单元用于根据测量电压控制高频电源的输出电压，使测试磁路进入预定饱和状态，并持续预设时间。
[0080]
本发明至少具有以下有益效果：提供一种发电机铁芯故障检测方法：首先，对怀疑故障点进行局部磁路设置，建立测试磁路，然后对测试磁路进行激磁处理，激磁处理可以使用低功率电源，也能使测试磁路进入预定饱和状态，持续预设时间后，采集测试磁路的热成像信息，最后根据热成像信息生成故障判断结果；与传统的铁损法相比，实施本发明可以大大降低测试电源所需的功率，在核电厂内很容易便能满足，无需运输大量重量大测试设备，并且该方法简单、高效，能够准确判断铁芯是否故障点，有效降低铁损测试时长、工作量和成本。
[0081]
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。