专利名称：发电机转子匝间短路在线监测系统的制作方法
背景技术：
由于绝缘体的击穿和迁移在发电机的转子线圈之间造成的“匝间短路(short-turns)”是众所周知的降低发电的有效性和稳定性的现象的例子。早期时候发电机磁通量探测法是一种切实可行的检测这种匝间短路的方法。发电机磁通量探测法是由D.R.Albright于1970年开发的，这种方法被用于测量发电机气隙磁通量的变化，磁通量的不对称反映了转子匝间短路的存在。通常磁通量检测器配合连接到发电机的面板终端一起使用，然后波形将被记录和打印出来。然而，磁通量探测器测量的使用在数据获取和分析的方式上是劳动密集的，在这种情况下很容易导致人为的错误。
磁通量探测器波形的常规测量通常按照三个月的时间表来进行，因为发电机转子匝间短路在早期并没有显著的症状，通常它将随着时间的流逝逐渐显露出来，小的匝间短路将随着时间的流逝日益发展和变得更加严重。这样，为了减少系统停机的时间和节约进行转子维修工作所需的人力，在较早时候还使用了一种用来识别转子匝间短路的半自动监视系统。这个自动系统使用一台安装了用户软件和硬件的IBM PC-AT兼容计算机。使用这一系统可以显示磁通量探测波形，它还提供了用来将数据保存为数据库内容的应用程序，从而在某种程度上允许再现原先的数据。
这个系统的缺陷是它是人工操作的，需要人工采集每一个波形测量值。操作员必须在发电机端采集数据；而且，当在常规系统中探测到转子匝间短路的时候不会向操作员提供告警报告，匝间短路只能由在现场的维护人员进行识别。另外，在预定的时间期间和常规的波形测量以外就不能探测到转子匝间短路了。
发明内容
简而言之，本发明的优选形式是一个软硬件的结合体，为了在早期识别转子匝间短路，它包括使用在线监视系统对磁通量探测波形进行测量的方法。更加特别的是，这一系统具有自动检测和报告任何磁通量探测波形不对称的特点，并且一旦检测到异常情况可以向工作人员提供告警或者进行其他操作。
这一系统除了具有在设定的条件下自动捕捉波形用于以后分析的能力之外，还包括通过诸如计算机国际互联网和/或企业内部互联网对波形进行实时监测的能力。
根据下面的详细说明并且参考附图，本领域的普通技术人员将可以清楚地了解本发明其他的目的和优点，这些附图中图1是一个有8个槽的2磁极转子的横截面以及波形。
图2示出了对波形的处理。
图3示出了根据本发明的波峰和波谷的识别。
图4是一个根据本发明的程序流程图。
图5是一个示出了根据本发明的主程序的各个方面的流程图和表。
图6示出了根据本发明的一个监视器显示的例子。
图7示出了根据本发明的一个实施例的系统装配的例子图8是一个根据本发明的将监视系统与发电系统结合的硬件安装的例子。
具体实施例方式
在本领域众所周知的发电机转子磁通量探测器10通常是一个安装在距离场实体从大约3/4英寸到大约13/4英寸之间这一极小距离的传感器。磁通量探测器10通常需要放置在气隙的轴的位置，并且位于非磁场楔的任何可能的位置之上。对于1990年以后出厂的GE发电设备，在设备生产的时候经常已经安装了永久的磁通量探测器。磁通量探测器10的功能是允许测量定子气隙的磁通量密度变化。磁通量探测器生成的波形的重点在于转子的槽和齿之间的磁通量密度变化。槽电压峰值的振幅是槽中的有效匝数(槽漏磁通量)和穿过槽的气隙磁通量密度值引起的偏差的函数。匝间短路的检测是通过将槽波形与和它相对磁极的槽相比较并确定它们之间的振幅偏差而获得的。
图1示出了一个2磁极转子的横截面，它的每一个磁极有8个槽，通�？梢栽诜⒌绯Ъ秸庵肿印Ｍ�1还示出了从磁通量探测器10得到的波形形式是与磁极面和槽的数量有关的，磁极A(8A-1A，A1-A8)、磁极B(B8-B1，1B-8B)。因此，一个完整的循环拥有总共16个波峰和16个波谷。
图2A示出了一个典型的磁通量探测器波形，波峰和波谷的槽被编号，图2B用图形的形式示出了典型的波形处理，通过在磁极面正好经过的点对幻灯片进行切割，在图中标示为线A，随后对左半部分上下翻转并将其放置在右半部分的上面直到与同一槽相关的波峰交叠在一起。图2C显示了随后进行的可以看到的比较，这种比较是通过识别是否一个波峰的振幅发生了变形并且显著低于相对磁极的波峰的方法进行的，如果存在这种情况，则可以确定这个槽有一个或者多个匝间短路。
本发明的实施例使用了从磁通量探测器10产生的波形。举例来说本发明包含一个基于计算机的监视系统，它使用了例如National Instruments公司的LabView，National Instruments LabView是一个用来构建数据采集、仪器和控制系统的图形开发环境。LabView使用了友好的用户图形程序，其中用户可以创建一个提供对软件系统进行交互控制的用户界面。具有将监视软件与测量硬件紧密结合的系统设计使快速开发数据采集和控制、分析、以及显示的解决方案变得非常容易。使用具有强大的用于测量分析的内置功能的软件和用于对性能进行优化的图形编译器是监视软件所期望的特征，而且它与诸如Windows 2000/NT/Me/9x、Mac OS、Linux、Sun System这些操作系统相兼容。
在本发明的实施例中，监视系统与发电机的磁通量探测器永久的连接在一起，这样就为手动磁通量探测器测量处理提供了解决方法，从而对测量的可靠性、正确性和客观性提供了重大的改善。例如在图9中，穿过龙鼓滩发电厂发电机中的上端和下端的143或者144连接器连接数据获取输入端将可以连接到磁通量探测器。磁通量探测器信号可以由例如DAQ卡14捕捉以允许输入信号送往数据处理单元16进行分析。随后处理单元使用软件将这些得到的数据与相对磁极对应槽的振幅进行比较，可以在计算机显示屏20上显示然后分析结果和其他有关的信息，以监视转子的状况，并观察匝间短路的发生。一旦捕捉到这一数据，波形就可以自动地保存为文件以用于在将来需要的时候进行分析。另外系统还可以允许具有告警指示的监视画面显示于远程计算机终端上，比如位于公司内联网上的任何地方。由于数据可以在计算机上进行采集和分析，所以这些数据也可以通过将这样的计算机链接到国际互联网上而获得。被广泛使用的情况下，国际互联网指计算机和网络之间通过传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)进行链接。
在本发明的实施例中，采集磁通量探测器信号的硬件接口是一个6024E DAQ卡。6024E DAQ卡设备14是一个模数转换器，在与监视硬件一起使用的时候，它在基于Windows的开发环境中反映实时的性能。6024E DAQ卡是本技术领域众所周知的设备的一个例子，它可以从诸如磁通量探测器这样的设备中获得输入，然后将这些输入转换为计算机可用的输出。用户可以使用内置的DAQ卡创建内嵌于标准的桌面计算机内部的实时的组件，一个高性能的实时系统可以和监视系统中所有的灵活而强大的工具一起工作，以创建实时的测量和分析。
例如6024E DAQ卡由16个模拟输入通道(8个差分输入通道)、两个模拟输出通道、一个68管脚的连接器和8条数字I/O线。8个磁通量探测器波形的模拟输入对典型的发电站中的所有发电机已经足够了。
一旦从磁通量探测器采集了数据，就会对如图3所示的数据流中的波峰和波谷进行检测。随后可以对波峰和波谷的偏差进行计算，并且可以根据数据的参数使用告警机制或者其他的信号。要记住的是，最大的波峰和波谷振幅通常是在磁极表面的附近被探测到的，而且直流偏移使探测的问题变得稍微有些复杂。因此，作为一个例子，在获得了一段时间的信号(大约20ms)以后，首先对最大和最小的振幅值进行评估。在本发明的实施例中，如果振幅大于大约4.5V，高出最大振幅的大约10％以上或者低至最小振幅的大约10％以下的电压被作为波峰和波谷的边界电压。监视系统的自动波峰探测功能，例如LabView，更适宜在波峰边界以内执行波峰识别，在波谷边界以内执行波谷识别。为了避免对波峰的错误识别，首先在识别第一个波峰边界之前对最后的波谷进行识别，这样第一个波峰边界探测总是用于波峰探测的第一个点。
随后首先通过计算第一个波峰和第一个波谷之间的振幅差来计算波峰和波谷之间的偏差。然后第一个波峰和第一个波谷之间的振幅差除以第一个波峰或者波谷中间较大的一个。如果波形是对称的，那么在波峰和波谷之间是没有差别的，除得的结果是零。这一过程对其他的15个边界以内的波峰和波谷重复进行。由于气隙磁通量密度的影响，当穿过水平轴的气隙磁通量密度是零的时候，这一比较将更加准确。
在本技术领域中众所周知的是，磁通量探测器波形随着负载的改变而改变，但是对称仍旧保持。在出现了骤然的负载变化时，例如在20ms内发生了重大的变化，其结果或许是一个大的歪斜和不对称的磁通量探测波形，导致观察到的波形是非对称的。然而由于在本发明的实施例中认为骤然的负载变化将不会持续的发生，例如在确定是否发生了匝间短路之前可以获得总共十个周期的波形。在有超过十个波形采样中检测到非对称波形的情况下，已经超过了预设的值，这时才可以激活匝间短路告警或者其他的信号。
有几个其他的因素也会影响到波形，例如当发电机没有负载，处于空转状况的时候，转子励磁较少或者没有，其中，记录下的磁通量探测器波形应该有较小的振幅和较长的周期。然而，当发电机接上负载的时候波形振幅将会增加，周期将会缩小。与负载变化的情况相似，任何在发电机工作状态下的骤然变化都可能导致观察到波形的非对称。根据这一点，较好的方法是在发电机的变化发生以后获取磁通量探测器波形。在本发明的实施例中，在两个磁极之间的波峰到波峰的波形振幅在3000rpm的情况下可能增加到超过大约4.5V，因此数据只能在振幅大于大约4.5V(3000rpm)的时候获得。这个例子表示在发电机在开和关之间转换的时候，对数据采集的修改允许阻止匝间短路告警的活动。然而，如果差别继续保持较高，例如10个或者超过10个采样，匝间短路指示器将会激活，这个指示器可能是一个灯、一个监视器屏幕元素、和/或一个控制信号。
在本发明的实施例中，如果在发电机负载增加的时候零交叉线与波形波峰值重叠，则波形数据可以自动保存。在这个点上，波形有最小的干扰。因此，这时记录的数据在与过去和将来的数据进行比较的时候将有明显的参考价值。另外，为了生成一种不同的数据处理，可以创建在零交叉点的匝间短路百分比值的历史。在波形自动捕捉和将数据保存为一个数据文件的同时，还可以获得其他的信息，例如单元号、日期和时间信息以利于将来的数据分析。
在没有识别到波峰或者从磁通量探测器中获取的波形中有错误的时候，举例来说，一个红色的DAQ错误指示器将会亮起，另外还可以向控制操作员发送一个告警信号。可以在图4中看到系统流程图的例子，这里启动了数据采集，如果没有发生错误将识别到波峰和波谷，这是可以手动的保存到文件中的。计算和显示偏差并将偏差与设置的偏差进行比较。这个过程可以在一段时间里重复进行，以消除报告错误的不可接受偏差的可能性。通常在设置的时间帧上捕捉10个波形，并且将这些波形与设置的偏差进行比较。一个可以被清零的计数器用来确定捕捉到的波形的数量。如果偏差落在了可接受的范围之外，可能会发送一个告警并且将其记录到文件中。
在本发明的实施例中，如图5所示，用于监视磁通量探测器的主程序例如flux probe.vi有至少3套子程序在工作。第一套子程序例如deviation.vi计算波峰和波谷之间的振幅差；第二套子程序例如peakrecognition.vi从原始的波形中识别有用的波峰和波谷；最后一套子程序例如write to file with header.vi输出时间和振幅、波峰和波谷信息的ASCII文件；在程序是flux probe.vi的情况下，所有生成的文件都使用扩展名.xls进行存储。
本发明的实施例使用了一个图形用户界面，如图6所示，这种界面可能是例如打印机和/或计算机监视器。尤其是，在flux probe.vi的例子中的主程序和图形用户界面生成下面的界面信息1、实时磁通量探测器测量。
2、有用的波峰和波谷被突出标示。
3、可选择的采样率。
4、可选择的和可接受的振幅偏差。
5、测量到的最大振幅偏差和相应的槽号。
6、检测到的波峰和波谷数量。
7、16个波峰和波谷振幅偏差。
8、通道(处于监视下的发电机单元号)。
9、红色的DAQ输入错误指示。
10、红色的匝间短路指示。
本发明的一个实施例可以配置和安装为具有用户可以修改磁通量探测器中采集数据的方式的能力。这种能力允许用户在采集的数据的基础上扩展其正确性和精确性。例如数据采样率可以如下设置低频分量的周期20ms从一个磁极的表面到相对磁极的时间10ms每个磁极的槽8从一个磁极到相对磁极经过的槽16每个槽的平均时间(高频周期)10ms/16＝625μs最小采样周期625μs最小采样速率每秒钟(312.5μs)-1＝3200个样值为了拥有可接受的时间分辨率，采样速率＞＝5*3200sps＝16ksps。
本发明的实施例中的分辨率和程序响应时间是可以设置的，例如设置为8比特的分辨率。在这样的一个测量中，最大误差是1/(28-1)＝0.392％，这比在传统的数据采集实践中可以看到的视觉偏差要小得多。由于响应时间并不是很重要，所以1到2秒的最大响应时间应该是可接受的。
实现图7中所示的监视系统涉及考虑基于诸如发电机数量、数据采集要求、和算法复杂度这些因素的系统要求。然后需要确定一个适当的软件平台，例如LabView。还要将数据获取接口实际地连接到发电机上。例如，如果使用National Instrument DAQ卡6024E作为模数转换器，最大可以连接4台发电机磁通量探测器。例如在DAQ卡和磁通量探测器之间可以通过一条BNC电缆进行连接。正如在本领域众所周知的，应该理解的是用来传输这样的信号的任何设备都是可以使用的。在其中的一个上安装模数转换器，如图9所示，例如在一个龙鼓滩发电厂发电机中，转换器通过连接穿过上端和下端的143或者144连接器的数据获取输入端连接到发电机面板上，用来采集数字信号的计算机是Celeron台式机，它适合于用作实际的测量。
由于不同种类的发电机的磁通量探测器波形可能有其自己的波形特征，可以通过对软件程序的修改而修正波峰/波谷检测方法。通常根据这种修正，对程序进行修改以后需要一个考验期以测试系统的可靠性。
使用了LabView软件的本发明实施例中的监视软件和硬件的执行所考虑到的目标包括1、持续地进行监视和分析。
2、有目标的、基于规则的波形分析。
3、远程监视。
4、同时监视多达4台发电机。
5、在匝间短路发生的时候立刻作出反应。
6、提供本地和远程的告警输出以提醒操作员。
7、在匝间短路发生的时候自动将波形保存为文件。
8、输出捕捉的波形文件以进行分析。
9、成本效率高并且安装简单。
10、用户友好的LabView背景。
11、通过公司内联网在线监视。
在本发明的实施例中的软件和硬件安装包括在计算机中安装下列软件LabView完全/专业开发系统LabView实时运行引擎随后数据获取硬件的安装可以和测量和自动化浏览器的安装一同进行，该浏览器通�？梢栽谟胧莼袢∮布煌⑺偷腃D-ROM中找到。另外，如果已经安装了开发系统，应该在源文件可以运行的地方执行可执行程序，或者在仅仅安装了实时运行引擎的情况下运行可执行文件。
在本发明的实施例中使用了LabView，采集数据、解释结果、输出数据文件以及结束程序是按下面所述的步骤完成的从波形文件中采集数据1、从波形源文件中选择文件2、选择任何下列形式的波形文本文件Time 1，<tab>Amplitude 1<CR>
Time 2，<tab>Amplitude 1<CR>
这里的<CR>对应于ASCII码13，<tab>对应于码9，波形文件随后被导入到系统中。
从DAQ卡中采集波形数据1、将DAQ卡选择为波形的源。
2、调整采样的数量和采样率，使采样的数量除以采样率大于线周期的两倍。
阐明结果以分析波形的形式显示波形和识别到的波峰和波谷。如果波峰的数量与波谷的数量不相等，或者波峰和波谷之间的偏差超过了可接受的水平，红色的匝间短路灯将亮起。如果没有识别到波峰或者在获得的波形中有错误，红色的错误灯将亮起。对于文件和Comp Sine波形源，只有通道的灯会对输入进行响应，同时对于DAQ卡输入，灯将会针对它们相应的通道进行响应。
输出到数据文件按下保存按钮将显示一个对话框提示将要写入的文件，文件的格式将会是Time <Tab> Input Amplitude <Tab> Peak time <Tab> Peak Amplitude<Tab> Valley Time <Tab> Valley Amplitude <CR>
这里，第一行是头，其他行是数据，“0”表示空的波谷和波峰值。
程序结束激活STOP按钮将终止程序的运行，并且返回开发或者退出程序。
权利要求
1.一种自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，该方法包含下列步骤将从磁通量探测器中接收的数据转换为数字形式；在实际上持续的时间周期上采集数字形式的数据；识别数据的最大和最小振幅值；设置波峰和波谷检测的边界标准；识别波峰和波谷；对波峰和波谷进行比较，并计算波峰和波谷之间的偏差；确定波峰和波谷的比较是否是可接受的；和如果波峰和波谷是不可接受的，则产生一个信号。
2.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，其中采集数字形式数据的步骤的周期是大约20ms。
3.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，其中设置用于波峰和波谷探测的边界标准的步骤包含设置第一电压标准为最大振幅值以下10％，以及设置第二电压标准为最小振幅值以上10％。
4.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，其中比较波峰和波谷、以及计算波峰和波谷之间的偏差的步骤包括a)计算第一个识别的波峰和第一个识别的波谷之间的振幅差值；b)比较计算出来的波峰和波谷之间的差值；c)对其他的每一个已经识别的波峰和波谷重复步骤a)和b)。
5.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，其中对波峰和波谷的比较包括对识别到的波峰和波谷的数量进行计数，并进一步包含下面的步骤确定波峰的数量是否与波谷的数量匹配；如果波峰的数量与波谷的数量不匹配，发送一个信号。
6.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，其中确定对波峰和波谷的比较是否是可接受的步骤包括a)从对波峰和波谷的比较中识别偏差；b)识别用户设置的值；c)确定对波峰和波谷比较的偏差是否大于用户设置的值；d)如果这个偏差大于用户设置的值，就认为这个偏差是不可接受的。
7.如权利要求6所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，进一步包含下面的步骤对多个的采样值执行步骤a)到c)；和如果在多个采样值中有预先设定的数量的采样值大于用户设置的值，则认为这个偏差是不可接受的。
8.如权利要求7所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，其中预先设定的数量大于10。
9.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，进一步包含下面的步骤在识别了波峰和波谷以后显示波形。
10.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，进一步包含下面的步骤在计算了波峰和波谷的偏差以后显示这个偏差。
11.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，进一步包含下面的步骤在识别了波峰和波谷的偏差以后将波形发送到一个文件中。
12.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，进一步包含下面的步骤在屏幕上显示实时的磁通量探测器测量；在屏幕上突出显示有用的波峰和波谷；在屏幕上显示可选的采样率；在屏幕上显示可选的可接受的振幅偏差；在屏幕上显示经过测量的最大振幅偏差和对应的槽号；在屏幕上显示检测到的波峰和波谷的数量；在屏幕上显示过去的归一化的振幅偏差；在屏幕上显示对应于被监视的发电机的号码；在屏幕上显示数字数据采集指示器；在屏幕上显示匝间短路指示器；在屏幕上显示归一化的振幅偏差条形图；在屏幕上显示可选择的采样数量；在屏幕上显示匝间短路告警计数器；在屏幕上显示零交叉的波峰；在屏幕上显示常规保存计数器；在屏幕上显示触发器电平指示器；在屏幕上显示有功功率(MW)指示器；在屏幕上显示无功功率(MVAR)指示器。
13.如权利要求1所述的用于自动识别磁通量探测器波形的缺陷的方法，进一步包含下面的步骤在识别了波峰和波谷的偏差以后将波形发送到一个文件中。
全文摘要
一种通过从磁通量探测器生成的信息自动识别发电机转子匝间短路的方法。本发明使用了自动告警功能向远程的操作员发出发电机转子问题的告警，并同时允许将转子问题的情况自动记录下来用于将来的分析。本发明允许持续地对发电机进行监视以发现存在的匝间短路。本发明包含一个新的波峰和波谷之间偏差的计算方法。
文档编号G01R31/34GK1548976SQ0314893
公开日2004年11月24日 申请日期2003年7月1日 优先权日2003年5月6日
发明者冯松伟 申请人:中华电力有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
