上海发电设备成套设计研究所，上海200240
1 引言
汽轮发电机是火电站的关键设备之一，汽轮发电机的故障停运严重影响火电机组运行的可靠性。随着科学技术的发展，故障诊断技术已逐步发展成为保证发电设备安全可靠运行的重要手段之一，因而成为国内外许多单位正在研究的一门新技术。然而，国内一些单位研制的故障诊断装置在使用中都碰到了故障诊断结果准确性差的技术难题，故障“漏诊”和“误诊”时有发生，其原因是诊断软件中所使用的诊断规则是通过实验室模拟或理论计算得出的，与发电机的实际情况有较大的差异。因此故障诊断规则的研究已成为大型汽轮发电机故障诊断系统研制的“瓶颈”问题［1］。国际上使用振动特征分析法来诊断旋转机械故障较有权威的故障特征规律是J．Sohre的振动征兆表［2］和白木万博的振动得分表［3］，为了进一步提高大型汽轮发电机故障诊断结果的准确性，现将70多台大型汽轮发电机现场故障案例调研和现场故障特征数据分析研究得出的大型汽轮发电机现场故障征兆规律的一些主要结果列于以后各节，以便在使用中不断完善。
2 常见故障的模式及后果
通过分析研究大量电站现场事故案例，经统计分析发现大型汽轮发电机的常见故障有以下3类12种。下面给出这12种故障的故障模式（故障的表现形式）和故障后果（该故障模式所引起的主要后果）。
2．1 水冷却子系统的故障
（1）静子断水。故障模式为静子冷却水中断或冷却水流量降低。故障后果有静子绕组过热；机组减负荷或强迫停运。
（2）静子漏水。故障模式为发电机静子绝缘引水管漏水或静子绕组水电接头漏水。故障后果有静子绕组绝缘降低；静子接地；绕组短路或烧损。
（3）转子漏水。故障模式为转子绝缘引水管漏水或转子绕组与引水管拐角接头漏水或水箱与绝缘引水管接头漏水。故障后果有转子绕组绝缘降低或接地；静子绕组接地；两相短路；三相短路；静子绕组或静子引出线烧损；发电机烧毁。
2．2 静子和转子电气故障
（1）静子绕组过热。故障模式为静子绕组温度高或过热。故障后果为静子接地；静子绕组绝缘烧损；三相短路；爆炸事故。
（2）静子绝缘损伤。故障模式为静子绕组绝缘降低或损坏。故障后果有静子绕组绝缘击穿；静子绕组匝间短路或相间短路；静子绕组烧损；静子铁芯烧伤；引起火灾或爆炸事故。
（3）静子接地。故障模式为静子接地。故障后果有静子绝缘烧损；静子铁芯局部灼伤；静子绕组相间或匝间短路。
（4）转子一点接地。故障模式为转子一点接地。故障后果有转子两点接地；发电机和汽轮机部件磁化；转子绕组匝间短路；转子绕组烧损。
（5）转子绕组匝间短路。故障模式为转子绕组匝间短路。故障后果有转子两点接地；转子绕组烧损；发电机失磁；发电机和汽轮机部件磁化。
2．3 静子和转子机械故障
（1）转子不平衡。故障模式为转子不平衡振动或转子热不平衡振动。故障后果有轴瓦和挡油环或密封瓦磨损；紧固螺栓松动或断裂；绕组绝缘磨损引起接地或短路，大的不平衡会引起毁机事故。
（2）轴承油膜振荡。故障模式为轴承油膜振荡。故障后果有轴瓦烧损；机组强迫停运，还可能导致毁机事故。
（3）轴瓦损坏。故障模式为轴瓦磨损或轴瓦烧损。故障后果有轴颈损伤；密封瓦磨损；发电机或励磁机动静碰磨。
（4）机座外壳振动。故障模式为发电机机座外壳或端盖振动。故障后果为机座焊缝开裂；静子铁芯与机壳之间隔振弹簧钢板断裂；机座结构间连接螺栓松脱或断裂。
3 特征信号、征兆和诊断规则
汽轮发电机故障诊断的主要步骤为：先监测发电机的特征信号；再从所监测的特征信号中提取征兆，有些特征信号本身也可作为征兆；然后根据征兆和其它诊断信息来识别发电机的状态，完成故障诊断。确定故障征兆和诊断规则是大型汽轮发电机故障诊断的技术难点之一。通过70多台大型汽轮发电机在电站现场故障案例的调研和大量现场故障特征数据的分析研究，得出了以下大型汽轮发电机常见故障的特征信号、征兆和诊断规则。
3．1 水冷却子系统的故障诊断
与发电机静子断水、静子漏水、转子漏水等3种故障有关的特征信号、征兆和诊断规则列于表1。表1中的6个特征信号均可作为征兆。在表1和以后各表中，［yi］表示故障发生的阈值，yoi表示正常值。
3．2 静子和转子电气故障的诊断
与发电机静子绕组过热、静子绝缘损伤、静子接地、转子一点接地、转子绕组匝间短路等5种故障有关的特征信号、征兆和诊断规则列于表2。在表2的9个特征信号中，有7个特征信号可直接作为征兆。在诊断静子接地时，从所监测的静子3个相电压中，用较低相电压与另一相电压之比y12作为静子接地的征兆之一。在诊断转子绕组匝间短路时，对所监测的转子振动特征信号进行频谱分析，得出转子振动工频分量的峰－峰值y15作为转子绕组匝间短路的征兆之一。
3．3 轴系机械故障的诊断
与发电机转子不平衡、轴承油膜振荡、轴瓦损坏、机座外壳振动等4种故障有关的特征信号、征兆和诊断规则列于表3。特征信号x15、x16、x17和x21 进行频谱分析后可确定征兆y15、y16、y17和y21。
4 故障概率的计算公式
在发电机的上述12种常见故障中，有2种故障模式与征兆为单映射，有10种故障模式与征兆为多映射。对于表1、表2和表3给出的诊断规则，使用文［4］给出的基于可靠性理论的故障诊断模型，可以得出大型汽轮发电机常见故障概率的计算公式。
（1）静子断水的故障概率F1为
F1＝P（y1＜［y1］）·P（y2＜［y2］）
（2）水氢氢冷发电机静子漏水故障概率F2为F2＝P（y3＞1．50yo3）·P（y4＜0．90 yo4）
（3）双水内冷发电机转子或静子漏水的故障概率F3为
F3＝P（y5＜［y5］）·P（y6＞［y6］）
（4）静子水冷发电机静子绕组过热的故障概率F4为
F4=1-（1-Fa).(1-Fb)式中Fa=P（y7＞［y7］）;Fb=p（y8＞［y8］）
（5）静子绝缘损伤的故障概率F5为
式中 Fc＝P（y9＞［y9］）；Fd＝P（y10＜［y10］）
（6）静子接地的故障概率F6为
F6＝P（y11＞［y11］）·P（y12＜［y12］）
（7）转子一点接地的故障概率F7为
（8）转子线圈匝间短路的故障概率F8为
（9）转子不平衡的故障概率F9为
（10）轴承油膜振荡的故障概率F10为
式中 Fe＝P（y17＞［y17］）；Ff＝P（y18＞［y18］）
（11）轴承损坏的故障概率F11为
F11＝P（y19＞［y19］）·P（y20＞［y20］
（12）机座外壳振动的故障概率F12为 F12＝P（y21＞［y21］）
5 故障的趋势分析及预测
5．1 故障趋势分析
大型汽轮发电机的故障有一个产生和发展的过程，故障征兆也随时间的推移逐步暴露。在线检测发电机12种常见故障的特征信号并提取征兆，同已存储的历史数据进行比较，可以发现征兆增大或减小的变化趋势。若征兆的变化趋势同表1、表2和表3的增大或减小的规律相符合，表明发电机状态异常，有发生故障的可能。再利用文中给出的公式计算故障发生的概率F，F愈大，表明故障发生的可能性也愈大。通过对征兆和故障概率变化趋势的分析，可对发电机故障进行早期跟踪或预测，有利于及时诊断发电机的故障并及时采取措施来预防故障的扩大，以减少经济损失。
5．2 实例
发电机水冷静子线圈温度不正常升高是绝缘引水管或空心铜线有阻塞现象引起的。监测发电机静子线圈的温度作为特征信号，根据检修维护情况，从特征信号中去除由于测量元件失灵的数据点后剩余的各线圈温度y7作为故障征兆。分布检验证实y7服从正态分布［5］；故障判据为：y7＞［y7］；故障判据界限值为［y7］＝y7＋5℃，为常数。经统计分析确定y7的均值y7和标准差σy7后，每槽静子线圈阻塞过热的故障概率Fa＝（βt）
某汽轮发电机水冷静子线圈温度的统计结果列于表4。该发电机静子线圈在1989年未发生故障；在1990－07－02 T2230发生32、53、54号槽线圈过热引起烧损故障，故障原因为滤网破碎后的碎块堵塞冷却水管，表4诊断结果基本符合实际情况。按照发电机运行规程要求，静子线圈温度高于80℃时报警，该发电机在1989年和1990年均未监测到y7＞80℃情况。常规运行监测技术未能及早发现该次故障，而采用文中方法，可以提早一天发现故障概率（若Fb≈0，则F4≈Fa；若Fb≠0，则F4＞Fa）明显增大，表明发电机静子线圈状态异常，有发生静子线圈过热故障的可能。
5．3 分析讨论
（1）阈值［yi］的确定是大型汽轮发电机故障特征规律研究的技术关键。为了确定［yi］需要进行大量的试验、监测和统计工作，特别是要注意监测和统计分析电站现场事故发生前故障特征数据和征兆的变化规律，并与无故障正常值进行比较，才能确定［yi］，长期地积累数据是大型汽轮发电机故障特征规律研究的一项基本工作。［yi］初步确定之后，还应在使用中加以验证并不断修改完善，以便更加符合实际情况。
（2）目前发电设备行业广泛使用振动分析法来诊断大型汽轮发电机的故障，振动分析诊断法应用于发电机轴系机械故障诊断是合适的。而发电机在现场的不少事故是水冷却子系统故障、静子和转子的电气故障，振动信号对这些故障反应不够灵敏，而水内冷系统、氢内冷系统的流体力学参数和电气参数有可能对此类故障反应更为灵敏。本文把流体力学参数诊断法、电气参数诊断法和振动诊断法结合起来使用，克服了各自的不足，利用了各自的长处，能够较准确地识别汽轮发电机的现场故障。
6 结论
（1）通过现场故障案例调研和现场故障特征的统计分析研究得出了大型汽轮发电机12种常见故障特征的统计规律，符合大型汽轮发电机的实际情况。
（2）使用电气参数、振动信号和水冷却子系统、氢冷子系统及润滑油子系统的液压等参数，可以有效地识别大型汽轮发电机的实际故障，工程上是实用的。
（3）利用可靠性理论确定发电机的故障发生概率和预测发电机的故障发展趋势，具有物理意义明确、数学公式简单、诊断结果可靠的特点，便于在线监测和诊断。
