高压发电机定子铁芯的绝缘缺陷检测的制作方法
【专利摘要】在一种用于发电机铁芯中绝缘缺陷辨别的通用方法中，使用Chattock线圈来测量铁芯齿间磁势差。在模型中组合了物理知识和经验知识，以便预测绝缘损坏部位和严重程度。以多个励磁频率进行测量，以便解算缺陷的多个特征。
【专利说明】高压发电机定子铁芯的绝缘缺陷检测
[0001] 优先权要求
[0002] 本申请要求以在2012年1月23日提交的、待决美国临时专利申请序号为 61/589,4 25、且名称为"Insulation Defect Detection of High Voltage Generator Stator Core"的申请为优先权，该申请的全部内容在此以引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003] 本发明一般涉及用于检测发电机铁芯中绝缘缺陷的技术。更具体地，本发明涉及 在预测缺陷部位和严重程度中使用铁芯齿间磁势差的测量结果。
【背景技术】
[0004] 绝缘故障是高压发电机铁芯中的主要故障模式之一。机械应力以及热应力可能劣 化绝缘质量，并导致轻微缺陷的萌生。因为由缺陷感应电流所产生的局部温热以及电气应 力，轻微绝缘缺陷可能发展成严重缺陷。这些应力的组合作用导致绝缘随时间的劣化。 [0005] 由于发电机的高可靠性要求属性，为了避免灾难事件、以及降低发电机使用寿命 期间的运行和维护成本，必须在早期辨别出绝缘缺陷。所以，有效且高效的绝缘缺陷检测方 法已经成为现代发电领域的实际需要。自二十世纪八十年代早期以来，虽然在这个课题方 面进行了大量研究，但在使发电机停工期最小化的同时检测缺陷是一种涉及许多知识领域 的复杂工程任务。对于没有专门技能的普通工程技术人员而言，成功地进行缺陷辨别并非 易事。
【发明内容】
[0006] 通过提供一种发电机铁芯中绝缘缺陷的检测方法，本发明满足了上述需求。本方 法包括：使以第一励磁频率的交变激励电流流过邻近发电机铁芯的励磁绕组，以便在缺陷 处的叠片之间感生第一涡流；并且对指示由以第一励磁频率所感生的第一涡流所导致磁通 的第一电位计电压进行测量。
[0007] 然后，使以第二励磁频率的交变激励电流流过邻近发电机铁芯的励磁绕组，以便 在缺陷处的叠片之间感生第二涡流，并且对指示由以第二励磁频率感生的第二涡流所导致 的磁通的第二电位计电压进行测量。
[0008] 使用电位计电压、励磁频率、缺陷严重性以及缺陷深度之间的半经验关系，确定缺 陷的严重性以及缺陷深度。
[0009] 在本发明的另一方面，提供了一种非暂时性计算机可用介质，其具有存储于其上 的、用于由处理器执行的计算机可读指令，以便实现如上所述的用于检测发电机铁芯中绝 缘缺陷的检测方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1A是带有由本发明方法所检测类型绝缘缺陷的定子铁芯的示意性剖视图；
[0011] 图1B是带有由本发明方法所检测类型绝缘缺陷的定子铁芯齿的示意图；
[0012] 图2是根据本发明一种实施例处于使用中的Chattock电位计的示意图；
[0013] 图3是示出根据本发明一种实施例的在归一化磁势差与绝缘故障电流深度之间 的关系、连同拟合曲线一起的图；
[0014] 图4A是电位计测量法的示意图，图示根据本发明一种实施例做出的设想；
[0015] 图4B是电位计测量法的示意图，图示根据本发明一种实施例做出的另一设想；
[0016] 图5A是铁芯齿的示意图，示出根据本发明一种实施例的人为绝缘缺陷深度；
[0017] 图5B是铁芯齿的示意图，示出根据本发明一种实施例的人为绝缘缺陷严重程度；
[0018] 图6A、图6B和图6C是根据本发明一种实施例对于不同部位和励磁频率的QUAD迹 线的曲线，各图处于不同缺陷深度；
[0019] 图7A和图7B是根据本发明一种实施例对于不同部位和励磁频率的QUAD迹线的 曲线，各图处于不同缺陷严重程度；
[0020] 图8A是根据本发明一种实施例对于不同励磁频率以及不同缺陷深度的关于QUAD 峰值的响应面的曲线；
[0021] 图8B是根据本发明一种实施例对于不同励磁频率以及不同缺陷严重程度的关于 QUAD峰值的响应面的曲线；
[0022] 图9A示出使用0. 75英寸的短路长度、对于三种不同缺陷深度在变化励磁频率下 电流测量结果的曲线，连带由根据本发明一种实施例模型的预测；
[0023] 图9B示出使用1. 0英寸的短路长度、对于三种不同缺陷深度在变化励磁频率下电 流测量结果的曲线，连带由根据本发明一种实施例模型的预测；
[0024] 图10A示出使用0. 5英寸的短路长度、对于齿槽4中五种不同缺陷深度在变化励 磁频率下电流测量结果的曲线，连带由根据本发明一种实施例模型的预测；
[0025] 图10B示出使用0. 5英寸的短路长度、对于狭槽5中五种不同缺陷深度在变化励 磁频率下电流测量结果的曲线，连带由根据本发明一种实施例模型的预测；
[0026] 图11是示出根据本发明一种实施例的方法的流程图；以及
[0027] 图12是示出根据本发明一种实施例的计算机系统的示意图。
【具体实施方式】
[0028] 过去数十年中，使用由缺陷引起的热分布以及磁场变化检测发电机定子铁芯中的 绝缘缺陷在工业领域已经吸引了广泛注意。实践中，由于诸如绝缘材料、设计实践、运行环 境、几何结构等等因素，导致绝缘缺陷的大量故障机制存在。所以，理解试验结果是相当不 容易的任务。为了实现这样一种任务，涉及到许多领域诸如电气工程、材料科学、结构工程、 以及机械工程，并且通常需要特定领域的专门技能。许多涉及专家系统的报告研究通常是 数据驱动方法，而没有考虑基本的居支配地位的物理现象。在给出足够的训练数据以及相 对稳定的退化机理的情况下，数据驱动方法能产生满意的结果。然而，在不考虑基本的潜在 物理现象的情况下，在解释预测结果方面则有着增加的困难。获得工业发电机中所要求的 训练数据非常费时而且昂贵。所以，结合基本物理现象能改进使用有限数据所构建专家系 统的鲁棒性。
[0029] 在本披露中，开发了一种专家系统，用于发电机绝缘缺陷检测以及量化。执行一种 电磁式铁芯缺陷探测仪（Electromagnetic Core Imperfection Detector，ELCID)试验来 扫描定子铁芯，以便获得铁芯周围的磁场数据。将基本物理定律与专家知识结合以便形成 专家系统，从而预测绝缘缺陷部位以及严重程度。专家系统实现为一种分析软件系统，以便 帮助现场工作人员执行发电机定子铁芯的快速诊断和预测。
[0030] 本披露的专家系统是用于损坏识别和严重程度预测的模型，其中集成了半经验性 物理理论模型。本专家系统提供了一种平台，用于数据导入和可视化、以及损坏识别和严重 程度预测。
[0031] 电磁铁芯缺陷探测仪（ELCID)试验
[0032] 传统上，大型电动机和发电机的定子铁芯都经过关于热点的试验。该方法使用外 部励磁绕组，以便在铁芯周围产生周向电磁环形通量。绝缘缺陷与定子铁芯中的其它零部 件诸如铁芯紧固棒（building bars)和定位筋（key bars)将产生感应循环电流。引起的 局部发热会升高缺陷周围的温度。一旦定子铁芯的温度分布稳定，红外摄像机沿着并且围 绕内膛面扫描，并且测量定子齿顶端的温度。使用这种技术能相对容易地检测表面绝缘缺 陷，但通常难以检测位于深处的缺陷以及线圈绕组下面的那些缺陷。这种方法的另一不足 在于它会潜在地损坏定子。使用热点方法试验大型铁芯典型地需要能承载大约300安电流 的数匝11千伏电缆。因为缺陷感应电流是近乎正比于由励磁电流所产生的电磁通量，所以 产生明显温度升高需要铁芯中80%的正常工作磁通密度。例如，使用这种方法对500兆瓦 (MW)发电机进行试验，将要求励磁绕组连接至3兆伏安（MVA)级的电源。万一叠片之间短 路，感应电流能产生严重过热，并损坏绕组或劣化轻微的绝缘缺陷。
[0033] 对于检测发电机铁芯绝缘缺陷，电磁式铁芯缺陷探测仪（ELCID)试验是工业中另 一广泛被接受的方法。其克服了热点方法的功率要求，并且只需要4%的正常工作通量。基 本想法是感知由绝缘缺陷感应的故障电流所产生的磁场。跨接于定子铁芯齿的Chattock 电位计可以用来检测该磁场。ELCID试验的响应包括正交迹线（quadrature trace) (QUAD) 和相位迹线（PHASE)。一般而言，QUAD迹线的值正比于由绝缘缺陷所感生的故障电流，而 PHASE迹线的值正比于励磁电流。通过检查QUAD迹线，可以识别绝缘缺陷。
[0034] ELCID试验的组件
[0035] 图1A和图1B中所示的发电机定子100的定子铁芯由磁钢叠片155构成。薄层电 气绝缘体150防止电流在这些叠片之间流动。如图1A和图1B中所示，用金属定位筋130连 接所有叠片。如果叠片155之间的绝缘体150被损坏，导致缺陷120,则通过定子铁芯100 的交变磁通165会产生在叠片之间流动的涡流170。
[0036] 任何区域中所感生的涡流170可以使用图2中所示的Chattock电位计230被检 测到，其被跨接具有沿齿的铁表面流动的电流220的定子铁芯的齿110。Chattock电位计 230包括均匀的空心线圈，它测量其端部之间的磁势差（MPD)。电压测量结果240通常正比 于故障电流。调整线圈的跨距，以刚好桥接在相邻齿部110的最远拐角之间。励磁绕组（未 示出）在齿间产生较大MPD。因为磁导率在定子铁芯100周围近似恒定，所以来自励磁绕组 的通量在铁芯周围均匀分布。不承载缺陷感应电流的齿之间的MPD可以表示为I w/N，其中 Iw (安匝）是励磁绕组电流，而N是定子铁芯100的齿110的数量。例如，对于具有典型50 安匝励磁绕组的48齿定子铁芯，相邻齿之间的MPD是50/48?1安。
[0037] Chattock电位计测量由于故障电流和励磁电流二者所致的MPD。通常励磁绕组 MPD、例如在相邻齿之间1A，是大于缺陷感应电流的。为了测量缺陷感应电流，必须去除励磁 绕组感应电流。这是通过使用相位敏感检测器来测量与励磁电流正交的MH)分量实现的。 瞬时励磁电流是
【权利要求】
1. 一种用于检测发电机铁芯中的绝缘缺陷的方法，包括： 使得以第一励磁频率的交变励磁电流流过与所述发电机铁芯相邻的励磁绕组，以便在 所述缺陷处的叠片之间感生第一涡流； 测量第一电位计电压，其指示由以所述第一励磁频率感生的第一涡流所导致的磁通； 使得以第二励磁频率的交变电流流过与所述发电机铁芯相邻的励磁绕组，以便在所述 缺陷处的叠片之间感生第二涡流； 测量第二电位计电压，其指示由以所述第二励磁频率感生的第二涡流所导致的磁通； 使用在电位计电压、励磁频率、缺陷严重程度以及缺陷深度之间的半经验性关系，确定 缺陷严重程度以及缺陷深度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述电位计电压进一步包括对测量在发电 机铁芯齿间的磁势差的Chattock电位计的电压进行测量。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，测量对由所述涡流所导致磁通进行指示的电位 计电压，进一步包括去除由所述励磁电流所导致的磁势差。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述半经验关系是 V = ks ω 1+0 exp [ad In ω ] 其中，V是电位计电压，k、a和β是拟合参数，s是缺陷严重程度，ω是给定励磁频 率，以及d是缺陷深度。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述半经验关系包括缺陷深度的指数函数。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述指数函数的运算对象是励磁频率的对数函 数。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述半经验关系包括缺陷严重程度的一次函数。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述半经验关系包括一项，其中将励磁频率自乘 至拟合参数的函数。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述缺陷严重程度用 h_ 表示，其中1F是缺陷感生电流的总长度，而rf是缺陷感生电流的阻抗。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电机铁芯是发电机定子铁芯。
11. 一种非暂时性计算机可读介质，其具有存储于其上的、用于检测发电机铁芯中绝缘 缺陷的计算机可读指令，其中，由处理器执行所述计算机可读指令导致所述处理器执行下 述操作： 接收第一电位计电压的测量结果，所述测量结果指示的是，通过使得以第一励磁频率 的交变励磁电流流过与所述发电机铁芯相邻的励磁绕组，由在所述缺陷处的叠片之间感生 的第一涡流所导致的磁通； 接收第二电位计电压的测量结果，所述测量结果指示的是，通过使得以第二励磁频率 的交变励磁电流过与所述发电机铁芯相邻的所述励磁绕组，由在所述缺陷处的叠片之间感 生的第二涡流所导致的磁通； 使用在电位计电压、励磁频率、缺陷严重程度、以及缺陷深度之间的半经验关系，确定 缺陷严重程度以及缺陷深度。
12. 根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中，测量所述电位计电压进 一步包括对测量在所述发电机铁芯齿间磁势差的Chattock电位计的电压进行测量。
13. 根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中，测量对由所述涡流所导 致磁通进行指示的电位计电压，进一步包括去除由所述励磁电流所导致的磁势差。
14. 根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述半经验关系是 V = ks ω1+0 exp [ad In ω ] 其中，V是电位计电压，k、a和β是拟合参数，s是缺陷严重程度，ω是给定励磁频 率，以及d是缺陷深度。
15. 根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述半经验关系包括缺 陷深度的指数函数。
16. 根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述指数函数的运算对 象是励磁频率的对数函数。
17. 根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述半经验关系包括缺 陷严重程度的一次函数。
18. 根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述半经验关系包括一 项，其中将励磁频率自乘至拟合参数的函数。
19. 根据权利要求11所述的有形计算机可读介质，其中，其中所述缺陷严重程度用 h 表示，其中1F是缺陷感生电流的总长度，而rf是缺陷感生电流的阻抗。
20. 根据权利要求11所述的有形计算机可读介质，其中，所述发电机铁芯是发电机定 子铁芯。
【文档编号】G01R31/34GK104272123SQ201380013434
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年1月21日 优先权日:2012年1月23日
【发明者】关雪飞, 张竞丹, 周少华, M.W.费希尔, W.A.阿巴西, S.A.卡斯泰特, C.J.W.亚当斯 申请人:西门子公司, 西门子能量股份有限公司