核電機組旋轉整流器的狀態監測與檢修研究

劉 念,謝 馳,劉 影,陳貴剛

(1.成都錦城學院機械電子工程系,四川成都 611731;2.電子科技大學機械與電氣工程學院,四川成都 611731)

0 前言

電能是目前應用最為廣泛的一種能量形式,電力企業安全、高效運轉是國民經濟持續穩定發展的重要保障,因而電力生產在國民經濟中占據舉足輕重的地位.核電機組的檢修工作不僅關系到核電企業的安全生產,同時檢修耗費也在核電站的發電成本中占了相當大比重[1].如果核電管理人員根據發電設備運行的實際狀態,在不影響安全生產的前提下,將不必要的計劃性大修合理的降級為有針對性的小修及項修,這樣節省的經費將是相當可觀的.因此,建立完善的檢修制度、科學地安排檢修計劃能大大削減檢修開支,大幅度提高核電企業的經濟效益[2].

智能狀態監測與檢修是近幾年發展起來的大型設備檢修模式,它是根據設備運行狀態的監測分析結果,判定設備的健康狀況,并預測設備運行狀態的變化趨勢,以確定大型設備檢修的等級和日程安排.目前,智能狀態監測與檢修技術正在電力行業(發電、輸電和供電)中進行應用,取得了很大的經濟效益和社會效益.

1 旋轉整流器故障診斷分析

核電站的無刷勵磁同步發電機轉子旋轉整流器工作狀態的在線實時監測需要轉子側旋轉整流器的相關信息.由于無刷勵磁同步發電機轉子取消了滑環和電刷,轉子側旋轉整流器的常見故障波形特征(故障特征量)的提取無法直接完成[3-4].大容量的核電機組的轉子勵磁電流由無刷交流勵磁機的電樞電流經過旋轉整流器整流后提供,該旋轉整流器所接的負載可以認為是一個大電感負載,其六相無刷勵磁同步電機勵磁系統接線圖,如圖1所示.一種獲取轉子旋轉整流元件故障特征的方法是直接采用與同步發電機同軸旋轉的交流勵磁機的定子勵磁線圈作為探測線圈,其優點是省去了設計、安裝和維護專用探測線圈的工作,而且便于現場采集信號數據,同時轉子信號較強,且含轉子故障信息量大,提取過程由圖1所示[5-7].

圖1 定子勵磁回路提取轉子故障信息Fig.1 The fault information of the rotor obtained by the stator excitation loop

在交流勵磁機定子勵磁線圈上并聯二個電容C1和C2,通過電容分壓采集電壓信號,且每個電容C1、C2是一個獨立小電容.交流勵磁機轉子電樞電流產生的電樞磁場必然切割其定子勵磁線圈,并感應電勢,然后通過電容C1和C2分壓,只需采集帶有轉子故障信息的電容C2兩端的電壓波形,進行頻域分析,分解出不同幅值的各次諧波分量,作為故障診斷信號.

設電容C2兩端的電壓信號波Uc(t)的周期為T,由傅立葉級數展開為

(1)

式中ω=2πf(或2π/T),f為交流勵磁機電樞電流的基波頻率,且有

(2)

(3)

由于傅立葉級數分解計算要進行大量的加減、乘除運算,故采用具有一定精度的復化梯形積分公式,式(1)傅立葉級數系數表達式為:

(4)

其中,N為在一個信號周期內的采樣點數.

由于大容量的核電機組轉子旋轉整流器高速運轉,旋轉整流器經常發生的故障是旋轉整流器橋臂開路故障和橋臂短路故障.故障發生后,旋轉整流橋輸出的直流電壓或電流下降,隨著故障擴展到其他橋臂會出現短路,造成無刷交流勵磁發電機的電樞繞組燒毀,最后嚴重影響主同步發電機正常運行.

現以15 kW無刷勵磁同步發電機旋轉整流器一橋臂發生故障時,其交流勵磁發電機定子極間探測線圈電壓信號波形進行了計算機實時監測,A/D數據采集和計算機識別,并在圖2給出了計算機分析探測線圈電壓諧波信號的頻譜圖.

圖2 探測線圈電壓信號頻譜圖Fig.2 The spectrum map of voltage signal in the probe-coil

計算機識別的結果表明:旋轉整流器正常狀態下探測電壓信號波形含有較強的諧波分量.對于故障狀態,電壓信號波形中均含有一定份量的f、2f、3f、...等各次諧波成分,且一臂開路時除了含有較大的基波頻率電壓信號,還出現了幅值較大的2次諧波電壓信號,它們為無刷勵磁同步發電機的在線計算機識別提供了具有實際用價值的實驗數據[8-10].

2 系統總體結構及功能

2.1 系統總體結構

智能監測與狀態檢修系統由這些子系統構成:傳感器采樣子系統、數據實時采集子系統、局域互聯網絡系統、故障診斷與預測子系統、檢修評估子系統、數據庫子系統及監控管理子系統等.傳感器模塊把特征信號量從無刷勵磁發電機傳感到數據采集模塊,然后進行適當處理后,經過接口轉換電路,數據進入上位機.最后對數據進行運算處理,并分析其故障特征,評價無刷勵磁發電機的健康狀況和預測其工作狀態的變化趨勢.這些數據可以備份到數據庫服務器,并可以提供給其他工作站或輔助服務器繼續分析,或者傳送到其他廠站系統供參考,如圖3所示.

圖3 監測與檢修系統整體結構Fig.3 The overall structure of the monitoring and maintenance system

2.2 系統功能

(1)數據采集、存儲與顯示

智能狀態監測與檢修系統具有數據的采集和存儲等功能,并建立機組的各種數據庫文件.特別是旋轉整流器運行狀態的實時數據采集方式由數據實時采集子系統控制,實現等時間或變時間步長采樣,并且實時數據可以在監控管理子系統上顯示.通過故障診斷與預測子系統,無刷勵磁同步發電機旋轉整流器的三級狀態指示(正常、開路故障、短路故障)能夠在監控管理子系統上通過綠、黃、紅三種顏色數字顯示.

(2)信號分析與處理

信號分析是對無刷勵磁發電機組進行狀態監測與故障診斷的重要手段,可以對采集的實時數據進行分析與處理,并以數據或圖形的方式給出分析結果,主要包括:(a)動態數據分析;(b)啟停過程信息分析;(c)趨勢變化分析.

(3)故障征兆提取

(4)故障診斷分析

(5)故障處理對策及維修評估

(6)知識獲取與學習

(7)打印數據及報表

3 硬件與軟件設計

智能狀態監測與檢修系統對發電機狀態量進行了分類,對傳感器進行了具體的選型,把傳感器歸類為一個子系統.因為要采集發電機組的狀態參數較多,為了保證采集數據的可靠和準確,數據采集以高速采集系統為最適合.數據實時采集子系統的信號采集電路主要由預處理電路、AD轉換電路、讀寫控制器、數據存儲器組成,并集成在一塊電路板上,配置實時信號處理電路,即可實現等時間或變時間步長采樣.圖4為信號采集卡電路圖.預處理電路分離交流和直流信號并分別放大,送至AD轉換芯片MAX125.AD轉換的結果通過接口電路送到工控機,由工控機進一步處理和存儲.

圖4 信號采集卡電路圖Fig.4 The circuit diagram of the obtaining signal card

智能狀態監測與檢修系統采用星型拓撲結構的100 M高速以太網作為連接系統的局域網,采用TCP/IP協議作為網絡通信協議.接口轉換采用MWE485-HUB4四路高速隔離集線轉換器,該產品從技術指標上完全能滿足設計要求.工作站主機的配置相對簡單,常規微機就完全可以勝任.數據庫服務器選擇要求比較高,CPU應選擇主頻在5 GHz以上,主內存容量在500 M以上,硬磁盤在1 000 G以上.操作系統選擇成熟的NT系統,各個子系統配置UPS電源.

在智能狀態監測與檢修系統配置的Windows操作系統下,對實時數據采集端口直接操作的子程序采用匯編語言編寫,數據實時采集子系統中調用這些子程序就能夠完成對實時數據采集端口的直接讀寫操作.特別注意:智能狀態檢修系統配置的傳感器采樣子系統、數據實時采集子系統與監控管理子系統的實時數據傳輸采用計算機數據異步串行通信方式完成.該監控管理子系統根據這種異步串行通信方式的握手原理,配置一種通信協議,試驗數據表明該協議可靠性較強.應用VC內嵌MMsComm控件編程,在上位機端實現與下位機的數據通信[11-13].

故障特征表設計的思想是對每種故障類型,設計一個故障診斷的原始數據表;對相似類型的采集數據備份,原則上設計為一個表;對分析結果單獨列表,提高查詢效率;對知識庫單獨列表,防止沖突.

智能狀態監測與檢修系統的監控管理子模塊與數據實時采集子系統的數據采集模塊相連接,讀取發電機運行狀態的實時數據,并進行快速處理后建立發電機運行狀態的各種數據庫文件,最終實現實時狀態監測、故障診斷與預測、檢修評估等功能.圖5所示為計算機監測旋轉整流器在單相短路時的診斷分析結果顯示,圖6所示為發電機的運行狀況報表顯示.

圖5 旋轉整流器單相短路時診斷分析Fig.5 The diagnostic analysis during thesingle-phase short circuit of the rotating rectifier圖6 發電機運行數據報表顯示Fig.6The reporting display of the generator operation data

4 結論

從監測與診斷系統的總體設計出發,研究了核電機組監測與狀態檢修的整體框架和實現方法,重點研究了核電機組旋轉整流器的狀態監測與故障診斷軟件,實現了大機組的狀態監測與檢修技術所要求的大部分功能,具有一定的實用性.

智能狀態監測與檢修技術在國內正處于應用階段,本文研究的狀態監測與故障診斷技術只是實際大型核電機組狀態監測與檢修技術的一部分.隨著我國核電技術的快速發展,智能狀態監測與檢修技術將在實際大型核電機組的健康預測以及狀態檢修中發揮巨大作用.