核电机组旋转整流器的状态监测与检修研究

刘 念,谢 驰,刘 影,陈贵刚

(1.成都锦城学院机械电子工程系,四川成都 611731;2.电子科技大学机械与电气工程学院,四川成都 611731)

0 前言

电能是目前应用最为广泛的一种能量形式,电力企业安全、高效运转是国民经济持续稳定发展的重要保障,因而电力生产在国民经济中占据举足轻重的地位.核电机组的检修工作不仅关系到核电企业的安全生产,同时检修耗费也在核电站的发电成本中占了相当大比重[1].如果核电管理人员根据发电设备运行的实际状态,在不影响安全生产的前提下,将不必要的计划性大修合理的降级为有针对性的小修及项修,这样节省的经费将是相当可观的.因此,建立完善的检修制度、科学地安排检修计划能大大削减检修开支,大幅度提高核电企业的经济效益[2].

智能状态监测与检修是近几年发展起来的大型设备检修模式,它是根据设备运行状态的监测分析结果,判定设备的健康状况,并预测设备运行状态的变化趋势,以确定大型设备检修的等级和日程安排.目前,智能状态监测与检修技术正在电力行业(发电、输电和供电)中进行应用,取得了很大的经济效益和社会效益.

1 旋转整流器故障诊断分析

核电站的无刷励磁同步发电机转子旋转整流器工作状态的在线实时监测需要转子侧旋转整流器的相关信息.由于无刷励磁同步发电机转子取消了滑环和电刷,转子侧旋转整流器的常见故障波形特征(故障特征量)的提取无法直接完成[3-4].大容量的核电机组的转子励磁电流由无刷交流励磁机的电枢电流经过旋转整流器整流后提供,该旋转整流器所接的负载可以认为是一个大电感负载,其六相无刷励磁同步电机励磁系统接线图,如图1所示.一种获取转子旋转整流元件故障特征的方法是直接采用与同步发电机同轴旋转的交流励磁机的定子励磁线圈作为探测线圈,其优点是省去了设计、安装和维护专用探测线圈的工作,而且便于现场采集信号数据,同时转子信号较强,且含转子故障信息量大,提取过程由图1所示[5-7].

图1 定子励磁回路提取转子故障信息Fig.1 The fault information of the rotor obtained by the stator excitation loop

在交流励磁机定子励磁线圈上并联二个电容C1和C2,通过电容分压采集电压信号,且每个电容C1、C2是一个独立小电容.交流励磁机转子电枢电流产生的电枢磁场必然切割其定子励磁线圈,并感应电势,然后通过电容C1和C2分压,只需采集带有转子故障信息的电容C2两端的电压波形,进行频域分析,分解出不同幅值的各次谐波分量,作为故障诊断信号.

设电容C2两端的电压信号波Uc(t)的周期为T,由傅立叶级数展开为

(1)

式中ω=2πf(或2π/T),f为交流励磁机电枢电流的基波频率,且有

(2)

(3)

由于傅立叶级数分解计算要进行大量的加减、乘除运算,故采用具有一定精度的复化梯形积分公式,式(1)傅立叶级数系数表达式为:

(4)

其中,N为在一个信号周期内的采样点数.

由于大容量的核电机组转子旋转整流器高速运转,旋转整流器经常发生的故障是旋转整流器桥臂开路故障和桥臂短路故障.故障发生后,旋转整流桥输出的直流电压或电流下降,随着故障扩展到其他桥臂会出现短路,造成无刷交流励磁发电机的电枢绕组烧毁,最后严重影响主同步发电机正常运行.

现以15 kW无刷励磁同步发电机旋转整流器一桥臂发生故障时,其交流励磁发电机定子极间探测线圈电压信号波形进行了计算机实时监测,A/D数据采集和计算机识别,并在图2给出了计算机分析探测线圈电压谐波信号的频谱图.

图2 探测线圈电压信号频谱图Fig.2 The spectrum map of voltage signal in the probe-coil

计算机识别的结果表明:旋转整流器正常状态下探测电压信号波形含有较强的谐波分量.对于故障状态,电压信号波形中均含有一定份量的f、2f、3f、...等各次谐波成分,且一臂开路时除了含有较大的基波频率电压信号,还出现了幅值较大的2次谐波电压信号,它们为无刷励磁同步发电机的在线计算机识别提供了具有实际用价值的实验数据[8-10].

2 系统总体结构及功能

2.1 系统总体结构

智能监测与状态检修系统由这些子系统构成:传感器采样子系统、数据实时采集子系统、局域互联网络系统、故障诊断与预测子系统、检修评估子系统、数据库子系统及监控管理子系统等.传感器模块把特征信号量从无刷励磁发电机传感到数据采集模块,然后进行适当处理后,经过接口转换电路,数据进入上位机.最后对数据进行运算处理,并分析其故障特征,评价无刷励磁发电机的健康状况和预测其工作状态的变化趋势.这些数据可以备份到数据库服务器,并可以提供给其他工作站或辅助服务器继续分析,或者传送到其他厂站系统供参考,如图3所示.

图3 监测与检修系统整体结构Fig.3 The overall structure of the monitoring and maintenance system

2.2 系统功能

(1)数据采集、存储与显示

智能状态监测与检修系统具有数据的采集和存储等功能,并建立机组的各种数据库文件.特别是旋转整流器运行状态的实时数据采集方式由数据实时采集子系统控制,实现等时间或变时间步长采样,并且实时数据可以在监控管理子系统上显示.通过故障诊断与预测子系统,无刷励磁同步发电机旋转整流器的三级状态指示(正常、开路故障、短路故障)能够在监控管理子系统上通过绿、黄、红三种颜色数字显示.

(2)信号分析与处理

信号分析是对无刷励磁发电机组进行状态监测与故障诊断的重要手段,可以对采集的实时数据进行分析与处理,并以数据或图形的方式给出分析结果,主要包括:(a)动态数据分析;(b)启停过程信息分析;(c)趋势变化分析.

(3)故障征兆提取

(4)故障诊断分析

(5)故障处理对策及维修评估

(6)知识获取与学习

(7)打印数据及报表

3 硬件与软件设计

智能状态监测与检修系统对发电机状态量进行了分类,对传感器进行了具体的选型,把传感器归类为一个子系统.因为要采集发电机组的状态参数较多,为了保证采集数据的可靠和准确,数据采集以高速采集系统为最适合.数据实时采集子系统的信号采集电路主要由预处理电路、AD转换电路、读写控制器、数据存储器组成,并集成在一块电路板上,配置实时信号处理电路,即可实现等时间或变时间步长采样.图4为信号采集卡电路图.预处理电路分离交流和直流信号并分别放大,送至AD转换芯片MAX125.AD转换的结果通过接口电路送到工控机,由工控机进一步处理和存储.

图4 信号采集卡电路图Fig.4 The circuit diagram of the obtaining signal card

智能状态监测与检修系统采用星型拓扑结构的100 M高速以太网作为连接系统的局域网,采用TCP/IP协议作为网络通信协议.接口转换采用MWE485-HUB4四路高速隔离集线转换器,该产品从技术指标上完全能满足设计要求.工作站主机的配置相对简单,常规微机就完全可以胜任.数据库服务器选择要求比较高,CPU应选择主频在5 GHz以上,主内存容量在500 M以上,硬磁盘在1 000 G以上.操作系统选择成熟的NT系统,各个子系统配置UPS电源.

在智能状态监测与检修系统配置的Windows操作系统下,对实时数据采集端口直接操作的子程序采用汇编语言编写,数据实时采集子系统中调用这些子程序就能够完成对实时数据采集端口的直接读写操作.特别注意:智能状态检修系统配置的传感器采样子系统、数据实时采集子系统与监控管理子系统的实时数据传输采用计算机数据异步串行通信方式完成.该监控管理子系统根据这种异步串行通信方式的握手原理,配置一种通信协议,试验数据表明该协议可靠性较强.应用VC内嵌MMsComm控件编程,在上位机端实现与下位机的数据通信[11-13].

故障特征表设计的思想是对每种故障类型,设计一个故障诊断的原始数据表;对相似类型的采集数据备份,原则上设计为一个表;对分析结果单独列表,提高查询效率;对知识库单独列表,防止冲突.

智能状态监测与检修系统的监控管理子模块与数据实时采集子系统的数据采集模块相连接,读取发电机运行状态的实时数据,并进行快速处理后建立发电机运行状态的各种数据库文件,最终实现实时状态监测、故障诊断与预测、检修评估等功能.图5所示为计算机监测旋转整流器在单相短路时的诊断分析结果显示,图6所示为发电机的运行状况报表显示.

图5 旋转整流器单相短路时诊断分析Fig.5 The diagnostic analysis during thesingle-phase short circuit of the rotating rectifier图6 发电机运行数据报表显示Fig.6The reporting display of the generator operation data

4 结论

从监测与诊断系统的总体设计出发,研究了核电机组监测与状态检修的整体框架和实现方法,重点研究了核电机组旋转整流器的状态监测与故障诊断软件,实现了大机组的状态监测与检修技术所要求的大部分功能,具有一定的实用性.

智能状态监测与检修技术在国内正处于应用阶段,本文研究的状态监测与故障诊断技术只是实际大型核电机组状态监测与检修技术的一部分.随着我国核电技术的快速发展,智能状态监测与检修技术将在实际大型核电机组的健康预测以及状态检修中发挥巨大作用.