基于声检测法的大型发电机定子槽楔松动判据分析

易浩波，任章鳌

(湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙 410007）

基于声检测法的大型发电机定子槽楔松动判据分析

易浩波，任章鳌

(湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙 410007）

对大型发电机采用声检测法得到的定子槽楔松动测量结果进行详细的研究分析。以声信号第一峰值点幅值作为表征槽楔松动程度的标准，提出一种纵、横比较结合的槽楔松动判据方法。实用结果表明:该方法测量精确，符合现场实际情况。

大型发电机;声检测;定子槽楔松动;判据分析;发电机

大型发电机的安全、稳定运行对电网正常运行至关重要。定子线棒是大型发电机的重要组成部分，在运行过程中，定子线棒受到电磁力作用产生振动〔1〕，导致绝缘层磨损甚至击穿，引发停机〔2-4〕成为大型发电机故障的主要原因。通常利用槽楔将线棒固定，以抑制定子线棒在槽内振动，但长期电磁力作用下的线棒振动会使紧固的槽楔逐渐松动，必须定期进行槽楔松动检测与重打紧。机组容量越大，定子线棒所承受的电磁力也越大，而随着绝缘材料的电、热性能不断改良，线棒机械强度成了最薄弱的环节。槽楔松动特性及其检测方法的研究对大型发电机安全稳定运行具有重要意义。

目前国内外对定子槽楔松动的传统检测方法主要有人工敲击检测法、卡尺测量法和声检测法〔5-8〕。人工敲击法靠人力敲击槽楔，敲击力度无法精确控制，人为因素大;卡尺测量法只针对少数带孔槽楔测量，局限性较大;声检测法采用微型电机驱动敲击，敲击力度精确控制，经声传感器接收的信号输入计算机经过软件处理，而且采样过程屏蔽外界噪音干扰，利用该方法可以反复查询数据记录，随时跟踪各槽楔的松动规律，是目前检测定子槽楔松动的有效方法〔9〕。

基于声信号检测数据提出的定子槽楔松动判断方法是声检测法的关键。

1 槽楔松动的声检测原理及系统

1.1 声检测原理

槽楔在激振力作用下发出的声波频率和幅值与型变量密切相关，即与槽楔的紧固状态紧密相关，因此可以通过检测槽楔在激振力作用下的声音波形幅值和频率大小来定量分析槽楔的型变量，从而进一步判断槽楔的松动状态。波纹板槽楔振动特征是:随着松动程度的增大，槽楔振动频率变小，而振幅变大;随着槽楔紧固程度的加大，其振动频率变大，而振幅变小〔9〕。

在实际运用过程中，由于每台发电机波纹板材质和槽楔装配工艺不同，不同发电机槽楔声波频率与幅值差异性较大，利用声波频率和幅值对槽楔松动进行判断应根据具体的发电机来进行。

1.2 声检测系统

试验中应用自主开发的槽楔松动声检测法测量仪器，如图1所示。该仪器包括:激振器、声传感器、声处理器、功率放大器、NI数据采集卡等元件，并应用基于Labview的系统编写人机交互的软件系统。

图1 槽楔松动声检测法仪器

图1中，检测仪器由功率放大器、声转换器、数据采集卡等组成。槽楔发出的声音被固定在槽楔上的声传感器采集并转化为电信号后再经数据采集卡转化为数字信号输入到软件系统中进行分析。采集系统将保持数字信号的频率与实际声波频率不变，声波幅值量 (前端传感器输出模拟信号)用毫伏电平信号表征。测量时将激振器放置在跨越槽楔的2个铁芯齿部顶端，安装磁力座进行固定。在PC机上发送检测信号，激振器进行敲击，声传感器采集测量到的声音信号并传回PC机。通过对声音信号的滤波、FFT变换等处理得到声音波形，并提取表征槽楔松动程度的特征量。

2 现场测试结果及分析

利用该系统对600 MW大型发电机定子槽楔松动状态进行了现场检测。

2.1 槽楔抽样测试方法

抽样方法如图2所示。定子槽沿圆周均匀分布，共有42槽，每个槽装有60块槽楔 (不同发电机槽楔个数不同)。对发电机沿圆周方向的位于0°，45°，90°，135°，180°的槽进行抽样，对每个槽汽端、励端和中部的部分槽 (6个)楔块采用声检测法进行抽样测量。该抽样方法涉及整个电机不同角度的槽及槽内中部和端部的槽楔，对整个电机的槽楔松动情况具有较好的代表性。

图2 定子槽楔的选取抽样方法

2.2 发电机测试结果

图3为发电机槽楔声检测法得到的典型波形。激振器设定为敲击3次间隔为0.1 s。图3上半部分中自0.2 s起的3个大的脉冲为检测到的声信号，该信号在达到最大值后渐渐衰减到0。从0至0.05 s前的波形为数据采集卡启动时的波形，没有作用，其余较小的脉冲信号为环境中的干扰信号。图3下半部分为声信号的频谱图。

图3 600 MW发电机典型检测声波图

图4为600 MW发电机0°槽各部分槽楔的检测结果。由各检测结果可以看出，各个槽楔的声信号波形的形状都是比较相近的，但是最大幅值 (第一峰值点幅值)不同，这和槽楔的实际状态相关:槽楔较松时声音发空，振动幅值较大，使声信号的幅值也较大，即第一峰值点的幅值随槽楔松动程度的增加而增加。

图4 励端6块槽楔检测声波图

检测时发电机内部冷却水不流通，现场无其他杂音，声信号的频率特性较为清晰。通常松紧程度相差不大的槽楔的振动引起的声音频率范围在900～1 100 Hz之内，其频率范围较窄，且容易受到现场干扰，所以频率检测不如声信号的第一峰值点幅值作为判断标准更加准确。

图5-9为各个角度下槽楔声波最大幅值检测结果。横坐标为槽楔的位置，槽楔1-6为靠近励端的6块槽楔，7-12为槽中部的6块槽楔，13-18为靠近汽端的6块槽楔;纵坐标为声信号的第一峰值点的相对幅值 (单位为mV)。由测量结果可以看出:大部分槽楔的振动相对幅值在6 mV附近，若出现比一般测量结果小的，则为非常紧固，如图9中的#16槽楔;若出现比一般测量结果大且振动幅值超过7 mV的则为稍微松动，图8中的#5槽楔及#14槽楔;如振动幅值接近或超过8 mV时，则判断为槽楔松动，如图6的#13槽楔。

图5 发电机0°轴向各槽楔声波幅值

图6 发电机45°轴向各槽楔声波幅值

图7 发电机90°轴向各槽楔声波幅值

图8 发电机135°轴向各槽楔声波幅值

图9 发电机180°轴向各槽楔声波幅值

3 定子槽楔松动判据分析

一般地，判断槽楔是否松动的方法有2种，分别为纵向比较法及横向比较法。纵向比较法是槽楔打完合格后的测量数据与下次检测数据对比，根据前后数据对比判断整槽楔松动情况。目前对于不同发电机波纹板材质情况很难对纵向比较形成统一的判断标准，根据槽楔松动模拟试验的结果〔9〕，一般本次测量的槽平均值超过上次槽楔打完合格后该槽平均值40%及以上可以判断为该槽整体松动;横向比较法是用同一次测量到的单个槽楔松动数据与该槽平均值对比来判定单个槽楔的状态。通过现场试验总结，得出的经验为:若单块槽楔数值超过该槽平均值的15%及以上即判定为松动，超过30%以上应进行处理。横向比较法不需要历史数据，但是无法观察槽楔松动程度的变化情况〔9〕。

由各检测结果可以看出各个槽楔的声信号波形的形状都是比较相近的，但是其最大的幅值 (第一峰值点幅值)不同，且有较为明显的差别，槽楔较松时声音会比较空，声信号的幅值也较大，即第一峰值点的幅值随槽楔松动程度的增加而增加。不同槽楔的频谱较为相近，对于紧固情况差不多的槽楔，频率变化范围通常在900～1 100 Hz，范围较小，容易受到干扰产生误判，不如采用声信号的第一峰值点的幅值作为判断标准更加准确。

应用该判据，对被试电机检修时，应用人工敲击法获得的该发电机有关槽楔松动位置和劣化情况的评估结果与声检测法得到的结论非常吻合。

4 结论

声检测法非常适合于大型发电机定子槽楔松动的检测，具有操作简单，客观性强等优点。文中提出了一种以声检测结果中声信号的第一峰值点相对幅值作为槽楔松动程度的判断方法，结合纵、横向数据比较相结合判断定子槽楔松动的方法，该方法通过在发电机上进行检测应用的现场验证，可用于生产检修工作。

〔1〕王绍禹，周德贵.大型发电机绝缘的运行特性与试验〔M〕.北京:水利电力出版社，1992.

〔2〕Stone G C，Boulter E A，Culbert I，et al.Electrical insulation for rotating machines〔M〕.New York:IEEE Press，2004:18-27.

〔3〕Vakser B D，Nindra B S.Insulation problems in high voltage machines〔J〕.IEEE Transaction on Energy Conversion，1994，9(1):143-151.

〔4〕Stone G C，Wu R.Examples of stator winding insulation deterioration in new generators〔C〕.IEEE 9th International Conference on Properties and Application of Dielectric Materials.Harbin，China;IEEE，2009:180-185.

〔5〕Locke D H，Williams A.Stator slot wedge testing of large pumped storage generator motors〔C〕.First IEE/I MechE International Conference on Power Station Maintenance-Profitability Through Reliability，Edinburgh，1998.

〔6〕马小芹，卢伟胜.电动机定子槽楔松动的声检测研究〔J〕.中国电机工程学报，2001，22(2):11-15.

〔7〕彭翔，贾志东，王黎明，等.大型发电机定子槽楔松动研究及检测〔J〕.中国电机工程学报，2007，(30):9-14.

〔8〕贾志东，夏英来，邓禹，等.大型发电机定子槽楔松动的动力学分析与检测〔J〕.中国电机工程学报，2011，31(15):107-113.

〔9〕彭翔.大型发电机定子槽楔松动特性及检测的研究〔D〕.北京:清华大学，2009.

Estimation analysis on acoustic detection of the stator wedges'looseness for large generators

YI Hao-bo，REN Zhang-ao
(Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The detail measurement results of the stator wedges'looseness in large generator by acoustic detection are analysed and studied.A wedges looseness estimation method of vertical and horizontal combination is proposed，and the first peak point amplitude of the acoustic signal is set in test results as the standard of wedges looseness level.The comparison of the experimental and manual detect results indicates that this proposed method is accurate and consistent with the field actual situation.

large generator;acoustic detection;looseness of the stator wedges;estimation analysis;generator

TM311

A

1008-0198(2013)02-0020-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2013.02.006

2012-08-22