第12卷第3期2016年7月沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）Vol.12No.3Jul．2016收稿日期：2016－05－05作者简介：孙莉君（1991－），女，辽宁大连人，硕士研究生。
通讯作者：许晓峰（1960－），男，辽宁康平人，教授，硕士生导师，主要从事智能电网、配电网综合自动化及无功补偿等方面的研究。
DOI ：10．13888/j．cnki．jsie （ns ）．2016．03．011汽轮发电机组轴电压在线监测与分析孙莉君，许晓峰，徐彦嵩（沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳110136）摘要：介绍了一种轴电压的测量原理，根据该原理设计了一种对轴电压和轴电流进行在线监测的装置，阐述了该装置的监测原理以及信号处理方法，并对基于VC ++．NET 的上位机软件进行了介绍。
最后，利用该装置在现场进行监测以及轴电压仿真实验，得出了在空载与并网时，轴电压与转子匝间短路故障的关系。
关键词：汽轮发电机；轴电压；在线监测中图分类号：TM311文献标识码：A文章编号：1673－1603（2016）03－0243－05随着我国电力系统的发展，汽轮发电机组的单机容量不断增加，静止励磁在其中的应用越来越广泛，轴电压在汽轮发电机组中带来的问题也随之变多。
因此，为了避免轴电压过大造成的电机轴承、轴瓦以及齿轮等部件的损伤，减少检修和发电的损失，避免相关事故的发生，对汽轮发电机组轴电压的监测与分析变得十分必要。
1轴电压测量1.1轴电压测量原理采取IEEE 标准112－1991中规定的轴电压标准测量方法，该方法是采用高阻值的电压表来测量轴端电压，选用高阻值电压表是为了降低电刷与大轴之间的接触电阻对测量造成的影响［1］。
该方法的轴电压测量原理如图1所示。
U 1为轴两端电压，U 2为轴对地电压。
通过对发电机大轴电压以及励磁机侧电压的测量，可以了解油膜是否可以承受当前的轴电压以及绝缘垫片是否已经受损等相关绝缘信息。
为了使得对轴电压的测量更加灵敏，探头A 和探头B 选取Y 型探针；为了减小轴向磁通的影响，将探测点选在两端轴承的内侧。
该种测量方法适合在发电机各种工况下进行，可以测得空转无励磁、空载额定电压、短路额定电压以及各种负荷情况下轴电压的情况。
图1轴电压测量电路·244·沈阳工程学院学报（自然科学版）第12卷1.2轴电压现场测量步骤1）首先选取两端轴承内侧（不接短接线a与短接线b），直接测量发电机大轴两端电压为U1。
2）如图2所示，将发电机的汽侧油膜用短接线a进行短接，使轴承与大轴相连，励侧的油膜使用短接线b做同样的短接处理，测得此时的励侧轴瓦对地电压为U2。
若与U1相差不大，则绝缘垫片状况良好；若U1＞U2，则绝缘垫片已老化并需要处理。
3）将汽侧的短接线a拆掉，励侧短接线b保留不变，重测两个电压分别为U1'和U2'，则发电机汽侧油膜压降U1'－U2'。
若油膜压降高过所能承受的范围，则油膜承受电压过高，有可能被击穿。
4）将励侧的短接线b拆掉，汽侧短接线a保留不变，再次测量两个电压，分别记作U1ᵡ和U2ᵡ。
则发电机励侧油膜压降：U1ᵡ－U2ᵡ。
若油膜压降较大，则油膜存在被击穿的风险，需要做相应处理。
图2现场测量接线图2轴电压轴电流在线监测与治理装置2.1轴电压轴电流在线监测装置该装置现场安装在汽侧与励磁侧轴的电刷之间，如图3所示。
通过电流监测装置和电压监测装置共同完成波形与数据的采集并上传到发电厂后台进行处理及相应动作。
2.2装置的监测原理轴电压的测量需要在汽侧与励侧进行测量。
为了保证大轴可靠接地，将接地碳刷安置在汽侧。
为了对轴电压进行连续测量，通过在励侧测量碳刷实现，变送器允许高阻对地电位进行测量。
图3轴电压轴电流在线监测与治理装置轴电流的测量是通过电流互感器得到的，将电流互感器安装在汽侧接地碳刷和汽侧接地点之间的连线上（见图2），这样可以得到同一电位的电压值和电流值。
经变送器转换之后测量得到0－5V 的轴电压信号，将该信号传送到工控机，与工控机中设定的触发信号进行比较，从而判断该测量电压大小是否对轴承造成伤害。
通过小电阻与ＲC+Ｒ回路并联，通过小电阻方式获取电压和电流值。
如图4所示，选取0.005Ω的接地电阻，该部分的电压与电流呈正比，通过对该部分两端电压的测量可以间接获取接地电流。
若得到的电流值超过设定值，说明轴承油膜可能被击穿，同时装置触发报警信号使得工作人员及时发现并采取相应措施。
2.3信号处理方法由于轴电压信号较弱，而且探针偶尔会因为接触不良以及励磁槽带来的影响，导致测得的波形会有较多的大幅值噪声信号。
当工控机对动态频谱进行分析时，由于频谱的幅值变化非常快，从而对轴电压信号无法进行准确分析。
因此，需要选择一种善于削弱和抑制噪声信号的处理方法。
第3期孙莉君，等：汽轮发电机组轴电压在线监测与分析·245·图4监测装置工作原理在常用的滤波方法中，限幅滤波法能够很好地改善因偶然因素而产生的脉冲信号的干扰，因此，将采取限幅滤波的方法对信号进行处理。
该方法的基本原理是：根据实际经验，确定相邻输入信号会出现的最大偏差，如果输入信号超过了该偏差值，则将该信号视为干扰信号并将其略去，取前次采样信号；若该输入信号小于偏差，没超过边界值，则该信号可以作为采样值。
这种算法虽然无法抑制周期性的干扰，平滑度不好，但是能够有效克服因探针与大轴接触不良一类的脉冲干扰［2］。
3大容量发电机组轴电压测量实验3.1上位机系统分析在轴电压的监测系统中，下位机完成基本监测的同时，上位机对采集的数据进行记录与处理，完成故障诊断的工作，如图5所示。
因为监测到的数据量很大，所以选用SQL Server 作为数据库管理系统，将OBDC 作为数据库接口［3］。
汽轮发电机轴电压在线监测系统采用自顶向下的设计方法。
首先对系统结构进行划分，然后按照层次对每一个功能模块逐步细化。
通过在VC ++.NET 中完成对软件的编译。
图5上位机软件流程3.2测量内容该实验选择在辽宁某电厂进行，采用基于上述原理的监测装备对轴电压和轴电流进行测量，将高压探针接在发电机转轴两端，探头的另一端接在监测设备上，将测得的数据上传到计算机中，图6为汽轮发电机正常运行时该监测系统测得的800个数据处理得到的有功功率、无功功率、轴电压和轴电流的波形图。
图6轴电流轴电压波形3.3轴电压实验仿真利用该软件对一台额定容量30kVA ，额定电压400V ，额定转速1000r /min 的汽轮发电机进行试验。
将数据采集部分设置每通道采样频率10kHz ，采样时间20s 。
该实验在转子匝间短路时，分别对发电机在空载正常、空载短路以及并网·246·沈阳工程学院学报（自然科学版）第12卷图7轴电压空载频谱正常和并网短路的状态下进行轴电压的测量。
将测量得到的数据传送到上位机，通过处理得到的波形进行分析比对，从而得到结论。
为了尽量避免发电机过渡时期匝间短路所产生的影响，短路时首先降低励磁电流，然后通过导线直接短路，再增加励磁电流，分别将端点与抽头进行3%的短路以及6%的短路。
图8轴电压的并网频谱通过对轴电压的时域波形进行分析，可以得到频域波形，图7为该发电机在空载运行时，空载转子匝间短路3%时，以及6%时的轴电压频谱图。
图8为其并网正常运行时，并网转子匝间短路3%时，以及并网转子匝间短路6%时的轴电压频谱图。
从这两组图中可以看出，当转子绕组出现了匝间短路的故障时，轴电压的基频、三倍频与五倍频第3期孙莉君，等：汽轮发电机组轴电压在线监测与分析·247·的大小均与短路程度成正比关系。
对比图8中的三组图可得，在并网的前提下，轴电压的各次整数倍谐波都相应增大［4］。
综上所述可得到结论，在空载或并网时，轴电压的大小与转子匝间短路故障的严重程度成正比，转子匝间短路故障越严重，轴电压越明显。
4结语在汽轮发电机正常运行时，会产生轴电压和轴电流，它们对发电机的轴承有很大危害，从而间接影响了发电机的发电工作，降低了电能质量。
因此，在汽轮发电机运行期间进行在线监测工作有着重要意义。
介绍了轴电压的测量方法，并利用该方法对汽轮发电机轴电压的在线监测进行了研究，通过现场实验证明了该系统的有效性，分析监测得到的波形图，得出轴电压与转子匝间短路故障的关系。
参考文献［1］Efficiency testing of medium induction motors－a com-ment on IEEE Std112－1991［J］．IEEE Transactions onEnergy Conversion，1996，11（3）：495－499．［2］张超，杨志义，马俊岩．限幅滤波算法在WSN数据预处理中的应用［J］．科学技术与工程，2011，11（6）：1207－1212．［3］李天昀，葛临东．综述MATLAB与VC++的交互编程［J］．计算机仿真，2004，21（9）：194－196．［4］李和明，武玉才，李永刚．转子绕组匝间短路对电机轴电压的影响［J］．中国电机工程学报，2009，29（36）：96－100．［5］程荣新，司红代，王福财．DEH控制系统在现场应用中的改进［J］．沈阳工程学院学报：自然科学版，2015，11（2）：167－170．On-line monitoring and Analyzing of Turbo-generator Shaft-voltageSUN Li-jun，XU Xiao-feng，XU Yan-song（School of Electrical Power Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang110136，Liaoning Province）Abstract：This article introduced a method of shaft-voltage measurement，and on the basis of the principle，de-signed a shaft-voltage and shaft-current on-line monitoring device．And then，this article elaborated the monito-ring principle and signal processing method．Meanwhile，this article briefly introduced the upper-computer soft-ware based on VC++．NET．Finally，field monitoring and shaft-voltage simulation test were performed with the device in a power plant．The experiment provided the relationship between shaft-voltage and rotor winding inter-turn short circuit fault in no-load and grid-connected．Key words：Turbo-generatorShaft-voltage；On-line monitoring（责任编辑佟金锴校对魏静敏）。