基于径向基函数神经网络的隔河岩水电厂水轮发电机故障诊断

基于径向基函数神经网络的隔河岩水电厂水轮发电机故障诊断王传忠李志海（湖北清江水电开发有限责任公司）1隔河岩水电厂发电机状态监测与故障诊断系统概况隔河岩水电厂是清江梯级开发的启动工程，位于清江下游长阳土家族自治县境内。枢纽工程由大坝、发电厂房和升船机三大建筑物组成。大坝为混凝土重力拱坝，最大坝高151m，坝顶长653.5m，坝顶高程206m，正常蓄水位为200m，总库容34亿m3。电厂为引水式发电厂房，安装4台30万kW水轮发电机组，年发电30.4亿kW·h，隔河岩水电厂1#水轮发电机定子绕组形式为双层叠绕组，4支路并联，线棒采用56股双玻璃丝包还氧粉云母F级绝缘的条式线棒，360度全换位编织。长期以来，我国电力系统的发供电设备均采用定期预防性试验和定期计划检修。现阶段隔河岩水电厂仍采用定期预防性试验和定期计划检修方式。近年来，随着市场经济的发展，并借鉴电力发达国家诊断性检修的经验，推进发电设备检修体制的改革，提高全国发电设备科学管理水平和整体经济效益，我国开始提出并试行状态检修的设想。发电设备实施状态检修是一项复杂的系统工程，它不仅涉及到电力设备各专业、多学科的技术问题，而且还涉及到一系列的管理科学上的问题。而其主要目的是围绕降低设备维护成本，提高设备利用率和检修的预见性、预控性，使用先进的科学技术手段，从方方面面去做好设备管理工作。因此对发电设备实施状态检修是我们今后的发展方向。能否对发电设备实施状态检修的基础是发电设备状态监测及故障分析，是实现以先进的预知性维护取代以时间为基础的预防性维护。为此，在隔河岩电厂1#机安装了CANADAVibrosystm的Z00M系统，对隔河岩电厂1#发电机进行了气隙和定子线棒振动的在线监测。并通过计算机监控系统对发电机局部放电和发电机摆度进行在线监测，建立了基于径向基函数神经网络和混合专家系统的水轮发电机的故障诊断系统。根据隔河岩电厂1#发电机气隙和定子线棒振动在线监测的结果进行分析表明：从隔河岩电厂定子线棒振动的趋势曲线看出定子线棒振动很小，数值在3m-8m之间，这样的振动幅值表明线棒是安全的（从振动方面来说）。从磁通的时域曲线（Sampling曲线）看出其磁通变化量很小，基本稳定在1.22T。从磁通的pole曲线看出：磁通的变化曲线有小幅波动，磁通变化范围为1.205-1.225T总的变化为0.02T，其变化周期大约为2转。从磁通的FFT图，其变化较大的频率为2.27Hz，与转频相同。从气隙的极座标图可以看出，转子的圆度为0.69mm。定子偏心为0.79mm，在211，转子的偏心为0.22m，在229，最大的气隙值为18.55mm，（在14号磁极298）最小的气隙为13.14mm，（在28号磁极14），平均气隙为16.49mm。从气隙与磁通的关系看出气隙增大磁通变小，气隙变小，磁通变大。从气隙的频谱曲线可看出100Hz及转频成份较大。2大型水轮发电机常见故障及其特征2．1定子异常产生的电磁振动发电机运行时，转子在定子内腔旋转，由于定、转子磁场的相互作用，定子机座将受到一个旋转力波的作用，而发生周期性的变形并产生振动。由于定子三相绕组产生的是一个旋转磁场，它在定、转子气隙中以同步速度n0旋转。若电网频率为f，则同步速度n0=60f/p。因此，作用在机座上的磁拉力不是静止的，而是一个旋转力，随转子旋转而转动，机座上受力部位是随磁场的旋转而在不断改变位置。当旋转磁场回转一周，磁拉力和电磁振动却变化两次。发电机磁场是以同步速度n0在旋转，则其磁场交变频率与电网频率相同，为f。而其电磁力的频率和机座振动频率由于旋转磁场的磁极产生的电磁拉力是每转动一圈，电磁力交变p次。因电磁振动在空间位置上和旋转磁场是同步的，定子电磁振动频率应为旋转磁场频率(f/p)和电动力极数(2p)之乘积2f，也就是2倍的电源频率。由此可见，发电机在正常工作时，机座上受到一个频率为电网频率2倍的旋转力波的作用，而可能产生振动，振动大小则和旋转力波大小和机座刚度直接有关。定子电磁振动异常主要原因有：（1）定子三相磁场不对称。如定子绕组三相不对称等原因，会导致定子磁场的不对称，而产生异常振动。（2）定子铁心和定子线圈松动，将使定子电磁振动和电磁噪声加大，在这种情况下，振动频谱图中，电磁振动除了2f的基本成份之外，还可以出现4f、6f、8f的谐波成分。（3）机座刚度降低，使电动机在接近2f的频率的范围发生共振，因而使定子振动增大，结果产生异常振动。定子电磁振动的特征：1）振动频率为电源频率的2倍；2）切断电源，电磁振动立即消失；3）振动可以在定子机座和轴承上测得；4）振动与机座刚度和发电机的负载有关。2．2气隙不均匀引起的电磁振动气隙不均匀（或称气隙偏心）有两种情况，一种静态不均匀；另一种是动态的不均匀。它们都会引起电磁振动，但是振动的特征并不完全相同：1）气隙静态不均引起电磁振动发电机定子中心与转子轴心不重合时，定、转子之间气隙将出现偏心现象，这种气隙偏心往往固定在某一位置，它不随转子旋转而改变位置。这种偏心往往是因加工不精确或装配不注意造成的，在一般情况下，气隙偏心误差不超过气隙平均值的±10%是允许的。但是过大的偏心值将在发电机气隙中产生很大的单边磁拉力，甚至导致定、转子相擦。由于通过气隙最小点的旋转磁场频率为f0/p，这时不平衡磁拉力将变化2p次，因不平衡磁拉力和电磁振动频率为f=2p×f0/p=2f。静态气隙偏心产生的电磁振动特征是：（1）电磁振动频率是电源频率f0的2倍，即f=2f0；（2）振动随偏心值的增大而增加，与发电机出力关系也是如此；（3）气隙偏心产生的电磁振动与定子异常产生的电磁振动较难区别。2）气隙动态偏心电磁振动发电机气隙的动态偏心是由转轴挠曲或转子铁心不圆造成的，偏心的位置对定子是不固定的，对转子是固定的，因此，偏心位置随转子的旋转而同步的移动。在发电机运行时，旋转磁场的同步速度为f0/p，转子速度为60f0/p，由于存在动态偏心和转子不平衡同时产生了不平衡电磁力和不平衡机械力，机械振动助长了不平衡电磁力。因此，其产生的电磁力时域波形是以f0/p频率振动。气隙动态偏心产生电磁振动的特征是：转子旋转频率和旋转磁场同步转速频率的电磁振动都可能出现。2．3转子导体异常引起的电磁振动由于转子回路电气不平衡，都将产生不平衡电磁力，这不平衡电磁力F在转子旋转时是随转子一起转动的，其性质和转子动态偏心的情况相同。转子绕组异常引起的电磁振动的特征：1）转子绕组异常引起电磁振动与转子动态偏心所产生的电磁振动的电磁力和振动波形相似，现象相似较难判别。2）发电机出力增加时，这种振动随之增加。2．4转子不平衡产生的机械振动发电机转子质量分布不均匀时，产生了重心位移，不平衡重量在放置时将产生单边离心力，引起了变化的支承力，发电机运行变得不稳定了，因而产生机械振动。根据不平衡质量分布状态，旋转体的不平衡，可分静不平衡，偶不平衡和动不平衡三种类型。静不平衡是力不平衡，转子质量分布中心线和转子回转中心线是平行的，有一个固定的轴心距e。偶不平衡在静态时质量分布是平衡的，但其质量分布曲线和回转中心线是相交的，旋转时就会在转子两支承点上作用一对相位相反的力，实际上是一对不平衡力偶。但是在多数情况下，不平衡重量是不对称分布的，称动不平衡，其作用原理是前两种情况的合成。发电机转子失衡原因有下列几种：转子零部件脱落和移位，转子线圈移位、松动，联轴节不平衡，转子表面不均匀积垢等，以上因素对高速发电机尤为敏感。转子不平衡造成机械性振动，是最常见故障，它具有如下特征：1）振动频率和转速频率相等。2）振动值随转速增高而加大，但与发电机出力无关。3）振动值以径向为最大，轴向很小。当频谱分析结果证实振动频率主要是旋转频率时，就可以进行现场动平衡，测量其不平衡重量的相位和重量，在转子重新配重后，即可消除失衡引起的机械振动。2．5滑动轴承振动1）油膜涡动产生异常振动在轴承比负荷较小，轴颈线速度较高，特别是在大型高速的柔性转子发电机（即发电机的额定工作转速高于转子固有振动频率对应临界转速时，发电机的转子称柔性转子）中易发生。发生振动原因往往是经过长期运行后轴瓦间隙变大，润滑油粘度过大，油温低，轴承负载减轻等原因造成了油膜加厚，轴承油膜动太不稳定而产生了振动。油膜涡动是一种转子中心绕着轴承中心转动的亚同步振动现象，其回转频率（即振动频率）约为转子回转频率的一半。转轴旋转时，由于随着在轴颈表面的润滑油具有一定粘度，随着轴颈旋转被带入侧面和下方，在轴颈和轴瓦之间，形成一个油楔，油楔产生的动压支承了转子并建立起一个有一定厚度的油膜，油膜对于轴承的工作是十分重要的，它使轴瓦和轴颈避免了直接接触，减少了磨损和摩擦损耗。油膜的厚度是有一定范围的，过小的油膜产生使轴颈和轴瓦摩损增加，轴瓦温度升高；过厚的油膜则使油膜产生负的弹性阻尼系数，造成动压不稳定，产生振动。油膜的厚度则与轴颈线速度、轴瓦比负荷、润滑油粘度和轴承间隙有关。油膜涡动频率为何接近转子回转频率的一半，原因如下：油膜层内各点的速度是不同的。由于轴瓦是静止的，因而轴瓦表面有的点的油膜速度为零，在轴颈表面有的点的速度和轴颈相等。如果假设油膜流速是层流，油膜沿径向的速度呈三角形分布，油膜平均周速为轴颈表面速度的一半，即转子旋转时，油膜将以轴颈表面周速度之半的平均速度环行。但实际上，油漠涡动频率总是小于回转速度之半，因为轴颈表面是光滑的，而轴瓦表面相对来说是粗糙的，油膜速度实际上是低于轴颈表面周速的一半。另一原因是轴瓦中润滑油存在端泄，油膜速度不但有周向分量，还有轴向分量，因而周向环行油膜净平均线速度小于轴颈表面速度的一半，实际为0.42~0.48轴颈表面圆周速度。滑动轴承油膜涡动的特征：图1有R个输入的径向基函数神经元（1）振动频率略低于转子回转频率fr的一半，通常为0.42~0.48fr。（2）油膜涡动的振动是径向的。（3）油膜涡动往往是突然出现的，诊断的方法是油膜涡动后，改变润滑油的粘度和温度，振动就能减轻或消失。2）油膜振荡产生异常振动油膜振荡产生的原因和油膜涡动相同，也是由油膜动压不稳定产生的。但因其具有共振性质，因此具有更大的危险性。当转子回转频率增加时，油膜涡动频率将随之增加，两者之间关系近似保持不变的比值约0.42~0.48之间。但当转轴的回转频率达到其一阶临界转速的2倍时，将出现一个现象，即随着转子回转频率的增加，涡动频率将保持不变，等于转子的一阶临界转速，而与转子回转频率无关，并出现强烈的振动，这种现象即为油膜振荡。产生强烈振动的原因是油膜涡动与系统共振两者相互激励，相互促进的结果。油膜涡动和油膜振荡的关系也并不一定是互存的，很多例子说明，有的发电机开始出现的振动特征是油膜涡动，当转子回转频率到达到阶临界转速2倍时，就出现了油膜振荡的特征，而且振动频率不再随转子转速而变化；但有的情况是油膜涡动产生的振动很强烈，还没到出现油膜振荡的转速，振动已经超限，无法运行了。对油膜振荡来说，除了油膜性质改变之外，转子不平衡增加会诱导油膜振荡的发生。油膜振荡的特征：（1）振动频率等于转子一阶临界转速，工作转速接近一阶临界转速2倍的大型高速柔性转子发电机或电动机，极易发生油膜振荡。（2）油膜振荡是一种径向振动。（3）减少转子不平衡、降低润滑油的粘度和提高油温，能使油膜振荡消失。3基于径向基函数神经网络的大型水轮发电机故障诊断径向基函数网络的仿真是用函数simurb来实现的，径向基函数网络的训练可以用两个函数来实现：solverbe或solverb。图1表示一个有R个输入的径向基函数网络。径向基函数神经元的变换函数为radbas（高斯函数），其输出为radbas的输出，radbas的输入为输入矢量与权值矢量的距离乘以阈值b，这与其它网络不同。径向基函数网络包括两层：隐层（radbas层，含S1个神经元）和输出层（purelin层，含S2个神经元）。图2为一径向基函数网络的结构图。图2径向基函数网络结构图每层输出a1和a2可由函数simurb得到：[a1,a2]=simurb(p,w1,b1,w2,