一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置及其监测方法与流程

1.本发明属于电气设备试验监测技术领域，具体涉及一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置，本发明还涉及上述发电机定子绕组端部振动在线监测装置的监测方法。


背景技术：

2.对于常见的大型汽轮发电机，如300mw型发电机、600mw型发电机，其定子绕组端部多为绑扎结构，且端部水电接头部位机械强度相对较差，在运行中若定子绕组端部振动严重，可能造成绑绳断裂、绝缘磨损、水电接头开裂等问题，进一步导致漏氢、漏水、定子接地等故障现象。因此发电机定子绕组端部振动检测极为重要。
3.目前一般的发电机没有定子绕组端部振动在线监测装置，振动检测主要在停机时进行，停机检查主要包括两方面的检查：一是人工进入发电机定子膛内，通过目视观察有无振动导致的松动磨损情况。二是进行发电机定子绕组端部动态特性试验。两种方法均为间接方法，不能直接或有效的对发电机运行状态下定子绕组端部振动状态进行监测。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置，能够直接和有效的对发电机运行状态下定子绕组端部振动状态进行监测。
5.本发明的另一目的在于提供上述发电机定子绕组端部振动在线监测装置的监测方法。
6.本发明所选用的第一种技术方案是：一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置，包括并列设置的第一电流极板和第二电流极板，第一电流极板上通过引线连接有第一分压电阻，第二电流极板上通过引线连接有第二分压电阻，第一电流极板与第一分压电阻之间的引线上、第二电流极板与第二分压电阻之间的引线上共同连接有差分放大电路，差分放大电路的输出端连接有分析计算与显示单元。
7.本发明第一种技术方案的特点还在于，
8.差分放大电路包括连接在第一电流极板与第一分压电阻之间引线上的第三电阻以及连接在第二电流极板与第二分压电阻之间引线上的第四电阻，第三电阻的另一端通过引线连接有第一运算放大器并与其同向输入端连接，第一运算放大器的输出端通过引线依次连接有第八电阻和第十电阻，第四电阻的另一端通过引线连接有第二运算放大器并与其同向输入端连接，第二运算放大器的输出端通过引线依次连接有第九电阻和第十一电阻，第一运算放大器与第八电阻之间的引线上、第二运算放大器与第九电阻之间的引线上通过引线共同串接有第五电阻、第六电阻和第七电阻，第五电阻和第六电阻之间的引线上通过引线连接至第一运算放大器的反向输入端，第六电阻和第七电阻之间的引线上通过引线连接至第二运算放大器的反向输入端，第八电阻与第十电阻之间的引线上通过引线连接有第三运算放大器并与其同向输入端连接，第九电阻与第十一电阻之间的引线上通过引线连接至第三运算放大器的反向输入端，第三运算放大器的输出端通过引线连接分析计算与显示
单元，第十电阻的另一端连接至第三运算放大器的输出端引线上，第十一电阻的另一端接地。
9.第一分压电阻和第二分压电阻选用电阻值为750kω的精密电阻；第三电阻和第四电阻选用电阻值为510ω的精密电阻；第五电阻和第七电阻选用电阻值为51kω的精密电阻；第六电阻选用电阻值为1kω的精密电阻；第八电阻、第九电阻、第十电阻和第十一电阻选用电阻值为10kω的精密电阻；第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器选用同型号精密运算放大器op97。
10.分析计算与显示单元包括与第三运算放大器输出端连接的ad转换模块，ad转换模块的输出端连接有单片机，单片机的输出端连接有输出显示模块和集控中心。
11.ad转换模块选用型号为ad7606的ad转换芯片；单片机选用型号为stm32f407的单片机；输出显示模块选用型号为ili9320的芯片。
12.本发明所选用的第二种技术方案是：一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：
13.步骤1、将第一电流极板和第二电流极板正对置于发电机定子绕组端部某一线棒的上侧和下侧，使得第一电流极板和第二电流极板距离线棒的间距相等且均为x，第一电流极板和第二电流极板采用相同面积且均为s；
14.步骤2、将第一电流极板和第二电流极板通过绝缘支撑物固定于发电机机座上；
15.步骤3、将第一分压电阻远离第一电流极板的一端接至发电机机座，将第二分压电阻远离第二电流极板的一端接至发电机机座，发电机机座接地；
16.步骤4、通过分析计算与显示单元计算差分放大电路的输出u
o
，得到振动结果δx。
17.本发明第二种技术方案的特点还在于，
18.步骤4中通过ad转换模块将差分放大电路的输出u
o
转换为数字信号传递给单片机，单片机对发电机定子绕组端部的线棒振动情况进行计算得到振动结果δx，计算算法为：
[0019][0020]
式(1)中，r1为第一分压电阻和第二分压电阻取等值后的电阻值；w为电压角频率；ε0为真空介电常数；ε
r
为相对介电常数；u为线棒在发电机运行时的对地电压；u1为第一电流极板流向发电机机座的电流i1在第一分压电阻上产生的压降，u2为第二电流极板流向发电机机座的电流i2在第二分压电阻上产生的压降，u2‑
u1通过式(2)求得：
[0021][0022]
式(2)中，r5、r6、r7、r8、r
10
依次为第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十电阻的电阻值。
[0023]
本发明的有益效果是：本发明一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置及其监测方法，能够直接和有效的对发电机运行状态下定子绕组端部振动状态进行监测，且结构清晰，可靠性高。
附图说明
[0024]
图1是本发明一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置的结构示意图；
[0025]
图2是本发明一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置中电流极板的位置状态图。
[0026]
图中，1.第一电流极板，2.第二电流极板，3.第一分压电阻，4.第二分压电阻，5.第三电阻，6.第四电阻，7.第一运算放大器，8.第八电阻，9.第十电阻，10.第二运算放大器，11.第九电阻，12.第十一电阻，13.第五电阻，14.第六电阻，15.第七电阻，16.第三运算放大器，17.ad转换模块，18.单片机，19.输出显示模块，20.集控中心，21.线棒。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0028]
本发明提供了一种发电机定子绕组端部振动在线监测装置，如图1和图2所示，包括并列设置的第一电流极板1和第二电流极板2，第一电流极板1上通过引线连接有第一分压电阻3，第二电流极板2上通过引线连接有第二分压电阻4，第一电流极板1与第一分压电阻3之间的引线上、第二电流极板2与第二分压电阻4之间的引线上共同连接有差分放大电路，差分放大电路的输出端连接有分析计算与显示单元。
[0029]
其中，差分放大电路包括连接在第一电流极板1与第一分压电阻3之间引线上的第三电阻5以及连接在第二电流极板2与第二分压电阻4之间引线上的第四电阻6，第三电阻5的另一端通过引线连接有第一运算放大器7并与其同向输入端连接，第一运算放大器7的输出端通过引线依次连接有第八电阻8和第十电阻9，第四电阻6的另一端通过引线连接有第二运算放大器10并与其同向输入端连接，第二运算放大器10的输出端通过引线依次连接有第九电阻11和第十一电阻12，第一运算放大器7与第八电阻8之间的引线上、第二运算放大器10与第九电阻11之间的引线上通过引线共同串接有第五电阻13、第六电阻14和第七电阻15，第五电阻13和第六电阻14之间的引线上通过引线连接至第一运算放大器7的反向输入端，第六电阻14和第七电阻15之间的引线上通过引线连接至第二运算放大器10的反向输入端，第八电阻8与第十电阻9之间的引线上通过引线连接有第三运算放大器16并与其同向输入端连接，第九电阻11与第十一电阻12之间的引线上通过引线连接至第三运算放大器16的反向输入端，第三运算放大器16的输出端通过引线连接分析计算与显示单元，第十电阻9的另一端连接至第三运算放大器16的输出端引线上，第十一电阻12的另一端接地。
[0030]
分析计算与显示单元包括与第三运算放大器16输出端连接的ad转换模块17，ad转换模块17的输出端连接有单片机18，单片机18的输出端连接有输出显示模块19和集控中心20。
[0031]
本发明还提供了上述发电机定子绕组端部振动在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：
[0032]
步骤1、将第一电流极板1和第二电流极板2正对置于发电机定子绕组端部某一线棒21的上侧和下侧，使得第一电流极板1和第二电流极板2距离线棒的间距相等且均为x(可取1cm左右)，第一电流极板1和第二电流极板2选用铜制材料相同面积且均为s(s＝长
×
宽，约为4cm
×
6cm)；
[0033]
步骤2、将第一电流极板1和第二电流极板2通过绝缘支撑物固定于发电机机座上；
[0034]
步骤3、将第一分压电阻3远离第一电流极板1的一端接至发电机机座，将第二分压电阻4远离第二电流极板2的一端接至发电机机座，发电机机座接地；
[0035]
步骤4、线棒21与第一电流极板1之间形成电容c1，线棒21与第二电流极板2之间形成电容c2。对于一般的汽轮发电机，定子线棒在运行时对地电压为u(11.55kv)。此时，由于电容c1的耦合作用，第一电流极板1会有流向机座的电流i1。由于电容c2的耦合作用，第二电流极板2会有流向机座的电流i2。
[0036]
当外界振动导致形成干扰时，定子线棒21、第一电流极板1和第二电流极板2均向同一方向振动产生偏移，两电流极板距离定子线棒21的距离x不变，电容c1和c2均不变，电流i1和i2也均不变。
[0037]
当定子线棒21由于振动产生偏移δx(x远大于δx)时，两电流极板位置不变。第一电流极板1距离定子线棒21的距离变为x+δx，第二电流极板2距离定子线棒21的距离变为x
‑
δx。则有下式可推导出δx：
[0038][0039][0040][0041][0042][0043]
当r2＝r1时，
[0044][0045]
其中：
[0046]
其中，r1为第一分压电阻3的电阻值，r2为第二分压电阻4的电阻值，w为电压角频率
(取值为314)，ε0为真空介电常数，ε
r
为相对介电常数(由于发电机定子膛内为氢气或空气，气体ε
r
均为1.0)，k1为系数。u1为第一电流极板1流向发电机机座的电流i1在第一分压电阻3上产生的压降，u2为第二电流极板2流向发电机机座的电流i2在第二分压电阻4上产生的压降。通过差分电路，可直接将u1和u2的差值计算并进行放大。
[0047]
第一分压电阻3和第二分压电阻4选用电阻值为750kω的精密电阻；第三电阻5和第四电阻6选用电阻值为510ω的精密电阻；第五电阻13和第七电阻15选用电阻值为51kω的精密电阻；第六电阻14选用电阻值为1kω的精密电阻；第八电阻8、第九电阻11、第十电阻9和第十一电阻12选用电阻值为10kω的精密电阻；第一运算放大器7、第二运算放大器10和第三运算放大器16选用同型号精密运算放大器op97。
[0048]
差分放大电路的输出：
[0049][0050]
其中，r5、r6、r7、r8、r
10
依次为第五电阻13、第六电阻14、第七电阻15、第八电阻8、第十电阻9的电阻值。
[0051]
综合公式1和公式2，可得出：
[0052][0053]
其中：
[0054]
ad转换模块17可选择型号为ad7606的ad转换芯片，将差分放大电路的输出信号转换为数字信号，传递给单片机18。单片机18可选择型号为stm32f407的单片机。通过上述算法，对发电机定子线棒端部振动情况进行计算。输出显示模块19可选择型号为ili9320的芯片，将振动计算结果显示出来，供现场人员综合分析判断；同时，单片机将振动计算结果输送到集控中心20，以便工作人员进行综合分析。