高壓發(fā)電機(jī)定子鐵芯的絕緣缺陷檢測(cè)的制作方法
【專利摘要】在一種用于發(fā)電機(jī)鐵芯中絕緣缺陷辨別的通用方法中，使用Chattock線圈來(lái)測(cè)量鐵芯齒間磁勢(shì)差。在模型中組合了物理知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，以便預(yù)測(cè)絕緣損壞部位和嚴(yán)重程度。以多個(gè)勵(lì)磁頻率進(jìn)行測(cè)量，以便解算缺陷的多個(gè)特征。
【專利說(shuō)明】高壓發(fā)電機(jī)定子鐵芯的絕緣缺陷檢測(cè)
[0001] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請(qǐng)要求以在2012年1月23日提交的、待決美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)為 61/589,4 25、且名稱為"Insulation Defect Detection of High Voltage Generator Stator Core"的申請(qǐng)為優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此以引用方式并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明一般涉及用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)鐵芯中絕緣缺陷的技術(shù)。更具體地，本發(fā)明涉及 在預(yù)測(cè)缺陷部位和嚴(yán)重程度中使用鐵芯齒間磁勢(shì)差的測(cè)量結(jié)果。

【背景技術(shù)】
[0004] 絕緣故障是高壓發(fā)電機(jī)鐵芯中的主要故障模式之一。機(jī)械應(yīng)力以及熱應(yīng)力可能劣 化絕緣質(zhì)量，并導(dǎo)致輕微缺陷的萌生。因?yàn)橛扇毕莞袘?yīng)電流所產(chǎn)生的局部溫?zé)嵋约半姎鈶?yīng) 力，輕微絕緣缺陷可能發(fā)展成嚴(yán)重缺陷。這些應(yīng)力的組合作用導(dǎo)致絕緣隨時(shí)間的劣化。 [0005] 由于發(fā)電機(jī)的高可靠性要求屬性，為了避免災(zāi)難事件、以及降低發(fā)電機(jī)使用壽命 期間的運(yùn)行和維護(hù)成本，必須在早期辨別出絕緣缺陷。所以，有效且高效的絕緣缺陷檢測(cè)方 法已經(jīng)成為現(xiàn)代發(fā)電領(lǐng)域的實(shí)際需要。自二十世紀(jì)八十年代早期以來(lái)，雖然在這個(gè)課題方 面進(jìn)行了大量研究，但在使發(fā)電機(jī)停工期最小化的同時(shí)檢測(cè)缺陷是一種涉及許多知識(shí)領(lǐng)域 的復(fù)雜工程任務(wù)。對(duì)于沒有專門技能的普通工程技術(shù)人員而言，成功地進(jìn)行缺陷辨別并非 易事。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 通過提供一種發(fā)電機(jī)鐵芯中絕緣缺陷的檢測(cè)方法，本發(fā)明滿足了上述需求。本方 法包括：使以第一勵(lì)磁頻率的交變激勵(lì)電流流過鄰近發(fā)電機(jī)鐵芯的勵(lì)磁繞組，以便在缺陷 處的疊片之間感生第一渦流；并且對(duì)指示由以第一勵(lì)磁頻率所感生的第一渦流所導(dǎo)致磁通 的第一電位計(jì)電壓進(jìn)行測(cè)量。
[0007] 然后，使以第二勵(lì)磁頻率的交變激勵(lì)電流流過鄰近發(fā)電機(jī)鐵芯的勵(lì)磁繞組，以便 在缺陷處的疊片之間感生第二渦流，并且對(duì)指示由以第二勵(lì)磁頻率感生的第二渦流所導(dǎo)致 的磁通的第二電位計(jì)電壓進(jìn)行測(cè)量。
[0008] 使用電位計(jì)電壓、勵(lì)磁頻率、缺陷嚴(yán)重性以及缺陷深度之間的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定缺 陷的嚴(yán)重性以及缺陷深度。
[0009] 在本發(fā)明的另一方面，提供了一種非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)，其具有存儲(chǔ)于其上 的、用于由處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)可讀指令，以便實(shí)現(xiàn)如上所述的用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)鐵芯中絕 緣缺陷的檢測(cè)方法。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1A是帶有由本發(fā)明方法所檢測(cè)類型絕緣缺陷的定子鐵芯的示意性剖視圖；
[0011] 圖1B是帶有由本發(fā)明方法所檢測(cè)類型絕緣缺陷的定子鐵芯齒的示意圖；
[0012] 圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例處于使用中的Chattock電位計(jì)的示意圖；
[0013] 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的在歸一化磁勢(shì)差與絕緣故障電流深度之間 的關(guān)系、連同擬合曲線一起的圖；
[0014] 圖4A是電位計(jì)測(cè)量法的示意圖，圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例做出的設(shè)想；
[0015] 圖4B是電位計(jì)測(cè)量法的示意圖，圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例做出的另一設(shè)想；
[0016] 圖5A是鐵芯齒的示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的人為絕緣缺陷深度；
[0017] 圖5B是鐵芯齒的示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的人為絕緣缺陷嚴(yán)重程度；
[0018] 圖6A、圖6B和圖6C是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例對(duì)于不同部位和勵(lì)磁頻率的QUAD跡 線的曲線，各圖處于不同缺陷深度；
[0019] 圖7A和圖7B是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例對(duì)于不同部位和勵(lì)磁頻率的QUAD跡線的 曲線，各圖處于不同缺陷嚴(yán)重程度；
[0020] 圖8A是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例對(duì)于不同勵(lì)磁頻率以及不同缺陷深度的關(guān)于QUAD 峰值的響應(yīng)面的曲線；
[0021] 圖8B是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例對(duì)于不同勵(lì)磁頻率以及不同缺陷嚴(yán)重程度的關(guān)于 QUAD峰值的響應(yīng)面的曲線；
[0022] 圖9A示出使用0. 75英寸的短路長(zhǎng)度、對(duì)于三種不同缺陷深度在變化勵(lì)磁頻率下 電流測(cè)量結(jié)果的曲線，連帶由根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例模型的預(yù)測(cè)；
[0023] 圖9B示出使用1. 0英寸的短路長(zhǎng)度、對(duì)于三種不同缺陷深度在變化勵(lì)磁頻率下電 流測(cè)量結(jié)果的曲線，連帶由根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例模型的預(yù)測(cè)；
[0024] 圖10A示出使用0. 5英寸的短路長(zhǎng)度、對(duì)于齒槽4中五種不同缺陷深度在變化勵(lì) 磁頻率下電流測(cè)量結(jié)果的曲線，連帶由根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例模型的預(yù)測(cè)；
[0025] 圖10B示出使用0. 5英寸的短路長(zhǎng)度、對(duì)于狹槽5中五種不同缺陷深度在變化勵(lì) 磁頻率下電流測(cè)量結(jié)果的曲線，連帶由根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例模型的預(yù)測(cè)；
[0026] 圖11是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的方法的流程圖；以及
[0027] 圖12是示出根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 過去數(shù)十年中，使用由缺陷引起的熱分布以及磁場(chǎng)變化檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子鐵芯中的 絕緣缺陷在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)吸引了廣泛注意。實(shí)踐中，由于諸如絕緣材料、設(shè)計(jì)實(shí)踐、運(yùn)行環(huán) 境、幾何結(jié)構(gòu)等等因素，導(dǎo)致絕緣缺陷的大量故障機(jī)制存在。所以，理解試驗(yàn)結(jié)果是相當(dāng)不 容易的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)這樣一種任務(wù)，涉及到許多領(lǐng)域諸如電氣工程、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、 以及機(jī)械工程，并且通常需要特定領(lǐng)域的專門技能。許多涉及專家系統(tǒng)的報(bào)告研究通常是 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，而沒有考慮基本的居支配地位的物理現(xiàn)象。在給出足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)以及相 對(duì)穩(wěn)定的退化機(jī)理的情況下，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法能產(chǎn)生滿意的結(jié)果。然而，在不考慮基本的潛在 物理現(xiàn)象的情況下，在解釋預(yù)測(cè)結(jié)果方面則有著增加的困難。獲得工業(yè)發(fā)電機(jī)中所要求的 訓(xùn)練數(shù)據(jù)非常費(fèi)時(shí)而且昂貴。所以，結(jié)合基本物理現(xiàn)象能改進(jìn)使用有限數(shù)據(jù)所構(gòu)建專家系 統(tǒng)的魯棒性。
[0029] 在本披露中，開發(fā)了一種專家系統(tǒng)，用于發(fā)電機(jī)絕緣缺陷檢測(cè)以及量化。執(zhí)行一種 電磁式鐵芯缺陷探測(cè)儀（Electromagnetic Core Imperfection Detector，ELCID)試驗(yàn)來(lái) 掃描定子鐵芯，以便獲得鐵芯周圍的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。將基本物理定律與專家知識(shí)結(jié)合以便形成 專家系統(tǒng)，從而預(yù)測(cè)絕緣缺陷部位以及嚴(yán)重程度。專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為一種分析軟件系統(tǒng)，以便 幫助現(xiàn)場(chǎng)工作人員執(zhí)行發(fā)電機(jī)定子鐵芯的快速診斷和預(yù)測(cè)。
[0030] 本披露的專家系統(tǒng)是用于損壞識(shí)別和嚴(yán)重程度預(yù)測(cè)的模型，其中集成了半經(jīng)驗(yàn)性 物理理論模型。本專家系統(tǒng)提供了一種平臺(tái)，用于數(shù)據(jù)導(dǎo)入和可視化、以及損壞識(shí)別和嚴(yán)重 程度預(yù)測(cè)。
[0031] 電磁鐵芯缺陷探測(cè)儀（ELCID)試驗(yàn)
[0032] 傳統(tǒng)上，大型電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的定子鐵芯都經(jīng)過關(guān)于熱點(diǎn)的試驗(yàn)。該方法使用外 部勵(lì)磁繞組，以便在鐵芯周圍產(chǎn)生周向電磁環(huán)形通量。絕緣缺陷與定子鐵芯中的其它零部 件諸如鐵芯緊固棒（building bars)和定位筋（key bars)將產(chǎn)生感應(yīng)循環(huán)電流。引起的 局部發(fā)熱會(huì)升高缺陷周圍的溫度。一旦定子鐵芯的溫度分布穩(wěn)定，紅外攝像機(jī)沿著并且圍 繞內(nèi)膛面掃描，并且測(cè)量定子齒頂端的溫度。使用這種技術(shù)能相對(duì)容易地檢測(cè)表面絕緣缺 陷，但通常難以檢測(cè)位于深處的缺陷以及線圈繞組下面的那些缺陷。這種方法的另一不足 在于它會(huì)潛在地?fù)p壞定子。使用熱點(diǎn)方法試驗(yàn)大型鐵芯典型地需要能承載大約300安電流 的數(shù)匝11千伏電纜。因?yàn)槿毕莞袘?yīng)電流是近乎正比于由勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的電磁通量，所以 產(chǎn)生明顯溫度升高需要鐵芯中80%的正常工作磁通密度。例如，使用這種方法對(duì)500兆瓦 (MW)發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，將要求勵(lì)磁繞組連接至3兆伏安（MVA)級(jí)的電源。萬(wàn)一疊片之間短 路，感應(yīng)電流能產(chǎn)生嚴(yán)重過熱，并損壞繞組或劣化輕微的絕緣缺陷。
[0033] 對(duì)于檢測(cè)發(fā)電機(jī)鐵芯絕緣缺陷，電磁式鐵芯缺陷探測(cè)儀（ELCID)試驗(yàn)是工業(yè)中另 一廣泛被接受的方法。其克服了熱點(diǎn)方法的功率要求，并且只需要4%的正常工作通量?；?本想法是感知由絕緣缺陷感應(yīng)的故障電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)?？缃佑诙ㄗ予F芯齒的Chattock 電位計(jì)可以用來(lái)檢測(cè)該磁場(chǎng)。ELCID試驗(yàn)的響應(yīng)包括正交跡線（quadrature trace) (QUAD) 和相位跡線（PHASE)。一般而言，QUAD跡線的值正比于由絕緣缺陷所感生的故障電流，而 PHASE跡線的值正比于勵(lì)磁電流。通過檢查QUAD跡線，可以識(shí)別絕緣缺陷。
[0034] ELCID試驗(yàn)的組件
[0035] 圖1A和圖1B中所示的發(fā)電機(jī)定子100的定子鐵芯由磁鋼疊片155構(gòu)成。薄層電 氣絕緣體150防止電流在這些疊片之間流動(dòng)。如圖1A和圖1B中所示，用金屬定位筋130連 接所有疊片。如果疊片155之間的絕緣體150被損壞，導(dǎo)致缺陷120,則通過定子鐵芯100 的交變磁通165會(huì)產(chǎn)生在疊片之間流動(dòng)的渦流170。
[0036] 任何區(qū)域中所感生的渦流170可以使用圖2中所示的Chattock電位計(jì)230被檢 測(cè)到，其被跨接具有沿齒的鐵表面流動(dòng)的電流220的定子鐵芯的齒110。Chattock電位計(jì) 230包括均勻的空心線圈，它測(cè)量其端部之間的磁勢(shì)差（MPD)。電壓測(cè)量結(jié)果240通常正比 于故障電流。調(diào)整線圈的跨距，以剛好橋接在相鄰齒部110的最遠(yuǎn)拐角之間。勵(lì)磁繞組（未 示出）在齒間產(chǎn)生較大MPD。因?yàn)榇艑?dǎo)率在定子鐵芯100周圍近似恒定，所以來(lái)自勵(lì)磁繞組 的通量在鐵芯周圍均勻分布。不承載缺陷感應(yīng)電流的齒之間的MPD可以表示為I w/N，其中 Iw (安匝）是勵(lì)磁繞組電流，而N是定子鐵芯100的齒110的數(shù)量。例如，對(duì)于具有典型50 安匝勵(lì)磁繞組的48齒定子鐵芯，相鄰齒之間的MPD是50/48?1安。
[0037] Chattock電位計(jì)測(cè)量由于故障電流和勵(lì)磁電流二者所致的MPD。通常勵(lì)磁繞組 MPD、例如在相鄰齒之間1A，是大于缺陷感應(yīng)電流的。為了測(cè)量缺陷感應(yīng)電流，必須去除勵(lì)磁 繞組感應(yīng)電流。這是通過使用相位敏感檢測(cè)器來(lái)測(cè)量與勵(lì)磁電流正交的MH)分量實(shí)現(xiàn)的。 瞬時(shí)勵(lì)磁電流是

【權(quán)利要求】
1. 一種用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)鐵芯中的絕緣缺陷的方法，包括： 使得以第一勵(lì)磁頻率的交變勵(lì)磁電流流過與所述發(fā)電機(jī)鐵芯相鄰的勵(lì)磁繞組，以便在 所述缺陷處的疊片之間感生第一渦流； 測(cè)量第一電位計(jì)電壓，其指示由以所述第一勵(lì)磁頻率感生的第一渦流所導(dǎo)致的磁通； 使得以第二勵(lì)磁頻率的交變電流流過與所述發(fā)電機(jī)鐵芯相鄰的勵(lì)磁繞組，以便在所述 缺陷處的疊片之間感生第二渦流； 測(cè)量第二電位計(jì)電壓，其指示由以所述第二勵(lì)磁頻率感生的第二渦流所導(dǎo)致的磁通； 使用在電位計(jì)電壓、勵(lì)磁頻率、缺陷嚴(yán)重程度以及缺陷深度之間的半經(jīng)驗(yàn)性關(guān)系，確定 缺陷嚴(yán)重程度以及缺陷深度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，測(cè)量所述電位計(jì)電壓進(jìn)一步包括對(duì)測(cè)量在發(fā)電 機(jī)鐵芯齒間的磁勢(shì)差的Chattock電位計(jì)的電壓進(jìn)行測(cè)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，測(cè)量對(duì)由所述渦流所導(dǎo)致磁通進(jìn)行指示的電位 計(jì)電壓，進(jìn)一步包括去除由所述勵(lì)磁電流所導(dǎo)致的磁勢(shì)差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是 V = ks ω 1+0 exp [ad In ω ] 其中，V是電位計(jì)電壓，k、a和β是擬合參數(shù)，s是缺陷嚴(yán)重程度，ω是給定勵(lì)磁頻 率，以及d是缺陷深度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系包括缺陷深度的指數(shù)函數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述指數(shù)函數(shù)的運(yùn)算對(duì)象是勵(lì)磁頻率的對(duì)數(shù)函 數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系包括缺陷嚴(yán)重程度的一次函數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系包括一項(xiàng)，其中將勵(lì)磁頻率自乘 至擬合參數(shù)的函數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述缺陷嚴(yán)重程度用 h_ 表示，其中1F是缺陷感生電流的總長(zhǎng)度，而rf是缺陷感生電流的阻抗。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)電機(jī)鐵芯是發(fā)電機(jī)定子鐵芯。
11. 一種非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其具有存儲(chǔ)于其上的、用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)鐵芯中絕緣 缺陷的計(jì)算機(jī)可讀指令，其中，由處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)可讀指令導(dǎo)致所述處理器執(zhí)行下 述操作： 接收第一電位計(jì)電壓的測(cè)量結(jié)果，所述測(cè)量結(jié)果指示的是，通過使得以第一勵(lì)磁頻率 的交變勵(lì)磁電流流過與所述發(fā)電機(jī)鐵芯相鄰的勵(lì)磁繞組，由在所述缺陷處的疊片之間感生 的第一渦流所導(dǎo)致的磁通； 接收第二電位計(jì)電壓的測(cè)量結(jié)果，所述測(cè)量結(jié)果指示的是，通過使得以第二勵(lì)磁頻率 的交變勵(lì)磁電流過與所述發(fā)電機(jī)鐵芯相鄰的所述勵(lì)磁繞組，由在所述缺陷處的疊片之間感 生的第二渦流所導(dǎo)致的磁通； 使用在電位計(jì)電壓、勵(lì)磁頻率、缺陷嚴(yán)重程度、以及缺陷深度之間的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，確定 缺陷嚴(yán)重程度以及缺陷深度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，測(cè)量所述電位計(jì)電壓進(jìn) 一步包括對(duì)測(cè)量在所述發(fā)電機(jī)鐵芯齒間磁勢(shì)差的Chattock電位計(jì)的電壓進(jìn)行測(cè)量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，測(cè)量對(duì)由所述渦流所導(dǎo) 致磁通進(jìn)行指示的電位計(jì)電壓，進(jìn)一步包括去除由所述勵(lì)磁電流所導(dǎo)致的磁勢(shì)差。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是 V = ks ω1+0 exp [ad In ω ] 其中，V是電位計(jì)電壓，k、a和β是擬合參數(shù)，s是缺陷嚴(yán)重程度，ω是給定勵(lì)磁頻 率，以及d是缺陷深度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系包括缺 陷深度的指數(shù)函數(shù)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述指數(shù)函數(shù)的運(yùn)算對(duì) 象是勵(lì)磁頻率的對(duì)數(shù)函數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系包括缺 陷嚴(yán)重程度的一次函數(shù)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系包括一 項(xiàng)，其中將勵(lì)磁頻率自乘至擬合參數(shù)的函數(shù)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的有形計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，其中所述缺陷嚴(yán)重程度用 h 表示，其中1F是缺陷感生電流的總長(zhǎng)度，而rf是缺陷感生電流的阻抗。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的有形計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，所述發(fā)電機(jī)鐵芯是發(fā)電機(jī)定 子鐵芯。
【文檔編號(hào)】G01R31/34GK104272123SQ201380013434
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月23日
【發(fā)明者】關(guān)雪飛, 張競(jìng)丹, 周少華, M.W.費(fèi)希爾, W.A.阿巴西, S.A.卡斯泰特, C.J.W.亞當(dāng)斯 申請(qǐng)人:西門子公司, 西門子能量股份有限公司