专利名称：大型发电机定子槽楔松动振动检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于大电机绝缘故障诊断领域，特别涉及一种基于振动特性的槽楔松动检测方法及装置。
背景技术：
随着我国电力事业的迅速发展，发电机逐渐趋向于大容量、高电压，大型发电机是电力系统的重要组成部分，这种大型设备一旦发生故障，不但危机发电机本身，而且事故的突发性会使整个电力系统停电，造成巨大的经济损失，因此保证大型发电机各个环节的安全、稳定运行至关重要。大型发电机定子线棒在长期的运行过程中，由于定子线棒的电流与槽内横向磁场的作用使槽部线棒产生径向电磁力。定子绕组端部长期受到100Hz频率振动作用力，同时由于铁心的颤动、主绝缘材料轻微的热胀冷缩会造成槽楔严重松动，部分脱落，同时槽楔松动脱落加剧线棒的振动，且划伤转子绝缘和定子绝缘，造成定子线棒主绝缘击穿，甚至导致电机运行事故，严重影响发电机的安全运行。因此，槽楔松动的检测对保证大型发电机的安全运行有着重要价值。
槽楔松动的传统检测方法是用人工敲击槽楔，以听到的声音和手指感觉到的振动作为判断依据，因此缺乏客观准确性，而且无法保留历史数据。随着计算机和数字信号处理技术的发展，人们开始尝试以机械激振代替手工敲击和以计算机分析处理代替人耳听声来判断槽楔松动。中国专利90103021.X介绍了对发电机定子槽楔进行远程冲击试验的方法及装置，指出槽楔位移数据与施加的力相关，将已知负荷下槽楔产生的力一位移曲线与标定实验台提供的标定曲线组相比较来得到槽楔的松动程度。但由于槽楔在松动程度较小时，其位移的大小和变化都很小，这种方法只能检测松动较大时的槽楔松动程度，有很大局限性。西安交通大学及中国专利02139480.6介绍了一种槽楔松动声测系统，利用槽楔松动前后声特性的变化来判断槽楔的松动程度，虽然实现了槽楔松动的仪器监测，但由于对不同槽楔松动结构其仅依靠声特性来判断松动程度，且其模型理论分析亦有待改善得更切合实际，特别是对利用垫条固定的槽楔松动过程分析不完善，故不能准确和完全地监测不同定子绝缘结构的槽楔松动。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型发电机定子槽楔松动振动检测方法及装置，它能够准确和完全地监测不同定子绝缘结构的槽楔松动。
本发明大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，包括以下步骤a、用可控激振器产生激振力敲打被测槽楔，使被测槽楔产生振动；b、分别用声传感器、位移传感器将被测槽楔振动所辐射的声波和振动的位移转换为声波电信号和位移电信号；c、将测得的声波电信号和位移电信号数字化；d、计算机中的数据处理模块根据被测槽楔的固定类型，从所述数字化后的声波信号和位移信号中提取特征量，与预定的阀值比较，判断被测槽楔的松动状态。
利用垫条固定的槽楔结构和利用波纹板固定的槽楔结构，其槽楔松动的过程不同。对于利用垫条固定的槽楔结构，其松动过程包括两个主要阶段第一阶段是槽楔从紧固开始出现局部松动空隙，继而局部空隙变大；第二阶段为局部空隙贯穿了整个槽楔板到空隙变大至槽楔脱落。
本发明针对两种不同固定形式的槽楔结构，提取不同的特征量来监测槽楔的松动。当被测槽楔为垫条式固定时，数据处理模块从数字化后的声波信号中提取局部振动频率fp和局部振动的幅值A，从数字化后的位移信号中提取最大振幅D，对于松动第一阶段，通过局部振动频率fp来判断局部空隙的面积，通过幅值A来判断局部空隙的厚度；对于松动第二阶段，由于空隙贯穿整个槽楔，槽楔已与线棒分离，此时已不存在局部振动，则通过最大振幅D来判断槽楔的松动程度。当被测槽楔为波纹板固定时，数据处理模块从数字化后的声波信号中提取振动频率f，从数字化后的位移信号中提取最大振幅D，随着槽楔松动程度变大，振动频率f变小，最大振幅D变大；在松动程度较小时，振幅较小变化不明显，主要通过振动频率f的变化来判断，松动程度较大时，振动频率变化较小主要通过最大振幅D的变化来判断。
本发明还提供一种大型发电机定子槽楔松动振动检测装置，它包括可控激振器，用于敲打被测槽楔，使被测槽楔振动；声传感器和位移传感器，用于将被测槽楔振动所辐射的声波和振动的位移转换为声波电信号和位移电信号；带有专用数据处理模块的计算机，它与所述可控激振器连接，控制可控激振器以指定输出模式、频率和幅值工作，产生激振力敲打被测槽楔；该计算机还通过数据采集卡与所述声传感器和位移传感器连接，采集所述两个传感器输出的声波电信号和位移电信号、转换为数字信号，然后从数字化后的声波信号和位移信号中提取特征量，与预定的阀值比较，得出被测槽楔的松动状态并通过显示器输出。
计算机的专用数据处理模块包括振动信号采集、处理、分析和显示模块，激振器控制模块，波形数据存储及导入模块，参数存储及导入模块。
本发明槽楔松动振动检测装置是在深入系统地研究槽楔松动过程振动特性基础上研发而成，能够快速准确的实现对大型发电机槽楔松动的检测，与现有各种槽楔松动判断方法和装置相比，具有以下优点(1)能适用于不同的槽楔固定结构。
(2)用客观的电子式分析代替传统的手敲方式。
(3)软件控制激振，可设定每块槽楔激振的波形。
(4)快速的数据采集、分析、显示和存储，并可进行历史数据导入分析。
(5)从激振到结果显示整个过程自动完成，系统自动化程度高。友好、易操作的软件界面，系统便携性高。
图1是本发明大型发电机槽楔松动检测装置的系统结构图；图2是其传感器安装示意图；图3是本发明的控制软件流程图；图4是本发明软件声特性显示界面图；图5是本发明软件位移特性显示界面图；
图6是本发明软件参数设定和控制界面图。
具体实施例方式
通过系统地研究不同固定结构的槽楔松动特性，基于弹性薄板理论建立了槽楔振动物理模型，并分析了槽楔松动发展过程各阶段的振动特性，提出通过获取声和位移信号来综合判断槽楔松动性，并在此基础上自行研制了本发明套槽楔松动振动检测装置，很好地提高了对发电机定子槽楔松动振动检测的有效性和完备性。下面结合附图做进一步说明。
如图1所示，本大型发电机定子槽楔松动振动检测装置包括可控激振器40，用于敲打被测槽楔50，使被测槽楔50振动；声传感器和位移传感器10，用于将被测槽楔50振动所辐射的声波和振动的位移转换为声波电信号和位移电信号；带有专用数据处理模块的计算机30，它与所述可控激振器40连接，控制可控激振器40以指定输出模式、频率和幅值工作，产生激振力敲打被测槽楔50；该计算机30还通过数据采集卡与所述声传感器和位移传感器10连接，采集所述两个传感器10输出的声波电信号和位移电信号、转换为数字信号，然后从数字化后的声波信号和位移信号中提取特征量，与预定的阀值比较，得出被测槽楔50的松动状态并通过显示器输出。
还包括一信号调理器20，它连接于计算机30的数据采集卡和所述两个传感器10之间，对两个传感器输出的信号进行隔离、放大、滤波和线性化处理。同时提供两个传感器的电源。
参照图2，可控激振器40包括激振盒5、激振杆1和用于驱动激振杆1的功率放大器，激振杆1安装在激振盒5中可上下运动，激振杆1周围设屏蔽套以屏蔽激振器对传感器的电磁干扰，激振盒5下口部对称设置一对磁铁4，用于将激振盒5吸附在发电机定子铁心上以减弱激振盒5的振动。所述位移传感器和声传感器均安装在激振盒5内，图2中，2是位移传感器，3是声传感器，声传感器3的钢套内加消声棉以减弱环境噪声的影响；位移传感器2可以调节与槽楔表面的高度，使其达到最佳的信号接收状态。激振盒5采用不锈钢材料制作。
计算机30的专用数据处理模块包括振动信号采集、处理、分析和显示模块，数据采集卡、数字滤波器和槽楔参数设置模块，激振器控制模块，波形数据存储及导入模块，参数存储及导入模块。本实施例中采用NI公司LabVIEW开发环境编制。
图3是本发明的控制软件流程图。可以对被测槽楔的状态实时检测，也可以对被测槽楔的历史数据导入分析。参照图3，在初始化后，通过选择数据获取方式，选择进行实时数据采集或者载入历史数据，然后分别对声音信号和位移信号进行分析，最后显示被测槽楔的状态。其中，声音分析采用快速傅立叶变化(FFT)得到声波信号频域图的方法从数字化后的声波信号中提取局部振动频率fp、振动频率f和局部振动的幅值A；位移分析采用求取最大峰值方法从数字化后的位移信号中提取最大振幅D。
本槽楔松动振动检测装置具有友好、易操作的软件界面。参照图4、5，通过显示器输出的被测槽楔的状态包括紧固、警告和松动，分别用绿色、黄色和红色三种色块显示；还输出所述声波信号的时域波形图和频域波形图，以及所述位移信号的时域波形图。还可以对紧固与警告分界值、警告与松动分界值设定。参数设置和控制界面如图6所示，参数设置包含数据采集卡输入设置，激振器控制设置(包含输出模式、波形类型、频率、幅值和周期数)，带通数字滤波器设置，其他参数设置(包含槽楔固定类型、槽和槽楔号、操作人员名称)以及参数存储和导入；控制界面包含软件初始化、实测、数据存储、数据导入分析和存储路径设置。
在激振器控制模块中，在设定波形输出完毕后，加上一段时间的恒定负值电流波，这样激振杆1在设定波形下振动之后处于收缩状态，不会因为惯性反复碰撞槽楔板而影响信号的获取。
可控激振器40为电磁式激振器，其输出模式、频率和幅值可调。可以通过图6所示参数设置界面设置激振器的工作参数，包括输出模式(连续输出/有限周期输出)、波形类型(脉冲波/三角波/方波/正弦波)、频率和幅值大小，从而控制可控激振器40以指定输出模式、频率和幅值工作，产生激振力推动激振杆1振动敲打被测槽楔50。
在设置好参数后，整个过程操作人员只需点击“实测”按钮便可以完成。计算机30在收到指令后控制激振器40冲击被测槽楔50，同时传感器10采集信号，经过信号调理器20初步调理后进入计算机30进行数据处理，获取特征参量并和松动分界值作比较，得到被测槽楔50的松动状态并以不同的颜色显示出来。操作人员亦可以选择导入波形来对历史数据进行分析处理。
本槽楔松动振动检测装置便携性高，其中的计算机30可采用手提电脑。
权利要求
1.大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，其特征在于包括以下步骤a、用可控激振器产生激振力敲打被测槽楔，使被测槽楔产生振动；b、分别用声传感器、位移传感器将被测槽楔振动所辐射的声波和振动的位移转换为声波电信号和位移电信号；c、将测得的声波电信号和位移电信号数字化；d、计算机中的数据处理模块根据被测槽楔的固定类型，从所述数字化后的声波信号和位移信号中提取特征量，与预定的阀值比较，判断被测槽楔的松动状态。
2.根据权利要求1所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，其特征在于步骤d中，当被测槽楔为垫条式固定时，数据处理模块从数字化后的声波信号中提取局部振动频率fp和局部振动幅值A，从数字化后的位移信号中提取最大振幅D；当被测槽楔为波纹板固定时，数据处理模块从数字化后的声波信号中提取振动频率f，从数字化后的位移信号中提取最大振幅D。
3.根据权利要求1所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，其特征在于步骤d中，输出的被测槽楔的状态包括紧固、警告和松动。
4.根据权利要求3所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，其特征在于步骤d中，还输出所述声波电信号的时域图和频域图，以及所述位移电信号的波形图。
5.根据权利要求1所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，其特征在于所述可控激振器为电磁式激振器，其输出模式、频率和幅值可调。
6.一种大型发电机定子槽楔松动振动检测装置，其特征在于包括可控激振器，用于敲打被测槽楔，使被测槽楔振动；声传感器和位移传感器，用于将被测槽楔振动所辐射的声波和振动的位移转换为声波电信号和位移电信号；带有专用数据处理模块的计算机，它与所述可控激振器连接，控制可控激振器以指定输出模式、频率和幅值工作，产生激振力敲打被测槽楔；该计算机还通过数据采集卡与所述声传感器和位移传感器连接，采集所述两个传感器输出的声波电信号和位移电信号、转换为数字信号，然后从数字化后的声波信号和位移信号中提取特征量，与预定的阀值比较，得出被测槽楔的状态并通过显示器输出。
7.根据权利要求6所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测装置，其特征在于所述可控激振器包括激振盒、激振杆和用于驱动激振杆的功率放大器，激振杆安装在激振盒中可上下运动，激振杆周围设屏蔽套，激振盒口部对称设置一对磁铁，用于将激振盒吸附在发电机定子铁心上，所述位移传感器和声传感器均安装在激振盒内。
8.根据权利要求6所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测装置，其特征在于还包括一信号调理器，它连接于计算机的数据采集卡和所述两个传感器之间，对两个传感器输出的信号进行隔离、放大、滤波和线性化处理。
9.根据权利要求6所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测装置，其特征在于所述计算机的专用数据处理模块包括振动信号采集、处理、分析和显示模块，激振器控制模块，波形数据存储及导入模块，参数存储及导入模块。
10.根据权利要求6所述的大型发电机定子槽楔松动振动检测装置，其特征在于通过显示器输出的被测槽楔的状态包括紧固、警告和松动，分别用绿色、黄色和红色三种色块显示；还输出所述声波信号的时域图和频域图，以及所述位移信号的波形图。
全文摘要
一种大型发电机定子槽楔松动振动检测方法，包括以下步骤a.用可控激振器产生激振力敲打被测槽楔，使被测槽楔产生振动；b.分别用声传感器、位移传感器将被测槽楔振动所辐射的声波和振动的位移转换为声波电信号和位移电信号；c.将测得的声波电信号和位移电信号数字化；d.数据处理模块根据被测槽楔的固定类型，提取所述声波信号和位移信号的特征量，与预定的阀值比较，得出被测槽楔的状态。本方法适用于不同的槽楔固定结构，能够快速准确的实现对大型发电机槽楔松动的检测。用软件控制激振，可设定每块槽楔激振的波形。能快速对被测槽楔的状态实时检测和历史数据导入分析。系统自动化程度高。界面友好、易操作，系统便携性高。
文档编号H02K3/487GK1884990SQ20061006145
公开日2006年12月27日 申请日期2006年7月4日 优先权日2006年7月4日
发明者贾志东, 王黎明, 关志成, 彭翔 申请人:清华大学深圳研究生院