发布时间:2022-04-03 03:44:16
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论文摘要:数控机床电气系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程,一旦查明了原因,故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法十分重要。
一、故障的调查与分析
这是排故的第一阶段,是非常关键的阶段,主要应作好下列工作:
1、询问调查在接到机床现场出现故障要求排除的信息时,首先应要求操作者尽量保持现场故障状态,不做任何处理,这样有利于迅速精确地分析故障原因。
2、现场检查到达现场后,首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性,从而核实初步判断的准确度。由于操作者的水平,对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况不乏其例,因此到现场后仍然不要急于动手处理,重新仔细调查各种情况,以免破坏了现场,使排故增加难度。
3、故障分析根据已知的故障状况按上节所述故障分类办法分析故障类型,从而确定排故原则。由于大多数故障是有指示的,所以一般情况下,对照机床配套的数控系统诊断手册和使用说明书,可以列出产生该故障的多种可能的原因。
4、确定原因对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因,这时对维修人员是一种对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。
5、排故准备有的故障的排除方法可能很简单,有些故障则往往较复杂,需要做一系列的准备工作,例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理,元器件的采购甚至排故计划步骤的制定等等。
下面把电气故障的常用诊断方法综列于下。
(1)直观检查法这是故障分析之初必用的方法,就是利用感官的检查。
①询问向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果,并且在整个分析判断过程中可能要多次询问。
②目视总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、刀库、机械手位置等),各电控装置(如数控系统、温控装置、装置等)有无报警指示,局部查看有无保险烧煅,元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落,各操作元件位置正确与否等等。
(2)仪器检查法使用常规电工仪表,对各组交、直流电源电压,对相关直流及脉冲信号等进行测量,从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况,及对某些电路板上设置的相关信号状态测量点的测量,用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无,用PLC编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。
(3)信号与报警指示分析法
①硬件报警指示这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯,结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。
②软件报警指示如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示,依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。
(4)接口状态检查法现代数控系统多将PLC集成于其中,而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的,这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示,有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示,而所有的接口信号都可以用PLC编程器调出。
(5)参数调整法数控系统、PLC及伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同机床、不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配,而且更是使机床各项功能达到最佳化所必需的。因此,任何参数的变化(尤其是模拟量参数)甚至丢失都是不允许的;而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳化状态。此类故障多指故障分类一节中后一类故障,需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。
(6)备件置换法当故障分析结果集中于某一印制电路板上时,由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难的,为了缩短停机时间,在有相同备件的条件下可以先将备件换上,然后再去检查修复故障板。
鉴于以上条件,在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料,弄懂要求和操作步骤之后再动手,以免造成更大的故障。
(7)交叉换位法当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下,可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查,例如两个坐标的指令板或伺服板的交换从中判断故障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意,不仅硬件接线的正确交换,还要将一系列相应的参数交换,否则不仅达不到目的,反而会产生新的故障造成思维的混乱,一定要事先考虑周全,设计好软、硬件交换方案,准确无误再行交换检查。
(8)特殊处理法当今的数控系统已进入PC基、开放化的发展阶段,其中软件含量越来越丰富,有系统软件、机床制造者软件、甚至还有使用者自己的软件,由于软件逻辑的设计中不可避免的一些问题,会使得有些故障状态无从分析,例如死机现象。对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理,比如整机断电,稍作停顿后再开机,有时则可能将故障消除。维修人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法。
二、电气维修与故障的排除
电气故障的分析过程也就是故障的排除过程,因此电气故障的一些常用排除方法在上一节的分析方法中已综合介绍过了,本节则列举几个常见电气故障做一简要介绍,供维修者参考。
1、电源电源是维修系统乃至整个机床正常工作的能量来源,它的失效或者故障轻者会丢失数据、造成停机。重者会毁坏系统局部甚至全部。西方国家由于电力充足,电网质量高,因此其电气系统的电源设计考虑较少,这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说就略显不足,再加上某些人为的因素,难免出现由电源而引起的故障。
2、数控系统位置环故障
①位置环报警。可能是位置测量回路开路;测量元件损坏;位置控制建立的接口信号不存在等。
②坐标轴在没有指令的情况下产生运动。可能是漂移过大;位置环或速度环接成正反馈;反馈接线开路;测量元件损坏。
3、机床坐标找不到零点。可能是零方向在远离零点;编码器损坏或接线开路;光栅零点标记移位;回零减速开关失灵。
对于数控机床来说,合理的日常维护措施,可以有效的预防和降低数控机床的故障发生几率。
首先,针对每一台机床的具体性能和加工对象制定操作规程建立工作、故障、维修档案是很重要的。包括保养内容以及功能器件和元件的保养周期。
其次,在一般的工作车间的空气中都含有油雾、灰尘甚至金属粉末之类的污染物,一旦他们落在数控系统内的印制线路或电子器件上,很容易引起元器件之间绝缘电阻下降,甚至倒是元器件及印制线路受到损坏。所以除非是需要进行必要的调整及维修,一般情况下不允许随便开启柜门,更不允许在使用过程中敞开柜门。
另外,对数控系统的电网电压要实行时时监控,一旦发现超出正常的工作电压,就会造成系统不能正常工作,甚至会引起数控系统内部电子部件的损坏。所以配电系统在设备不具备自动检测保护的情况下要有专人负责监视,以及尽量的改善配电系统的稳定作业。
当然很重要的一点是数控机床采用直流进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动的,要注意将电刷从直流电动机中取出来,以免由于化学腐蚀作用,是换向器表面腐蚀,造成换向性能受损,致使整台电动机损坏。这是非常严重也容易引起的故障。
2.数控机床一般的故障诊断分析
2.1检查
在设备无法正常工作的情况下,首先要判断故障出现的具置和产生的原因,我们可以目测故障板,仔细检查有无由于电流过大造成的保险丝熔断,元器件的烧焦烟熏,有无杂物断路现象,造成板子的过流、过压、短路。观察阻容、半导体器件的管脚有无断脚、虚焊等,以此可发现一些较为明显的故障,缩小检修范围,判断故障产生的原因。
2.2系统自诊断
数控系统的自诊断功能随时监视数控系统的工作状态。一旦发生异常情况,立即在CRT上显示报警信息或用发光二级管指示故障的大致起因,这是维修中最有效的一种方法。近年来随着技术的发展,兴起了新的接口诊断技术,JTAG边界扫描,该规范提供了有效地检测引线间隔致密的电路板上零件的能力,进一步完善了系统的自我诊断能力。
2.3功能程序测试法
功能程序测试法就是将数控系统的常用功能和特殊功能用手工编程或自动变成的方法,编制成一个功能测试程序,送人数控系统,然后让数控系统运行这个测试程序,借以检查机床执行这些功能的准确定和可靠性,进而判断出故障发生的可能原因。
2.4接口信号检查
通过用可编程序控制器在线检查机床控制系统的接回信号,并与接口手册正确信号相对比,也可以查出相应的故障点。
2.5诊断备件替换法
随着现代技术的发展,电路的集成规模越来越大技术也越来越复杂,按常规方法,很难把故障定位到一个很小的区域,而一旦系统发生故障,为了缩短停机时间,在没有诊断备件的情况下可以采用相同或相容的模块对故障模块进行替换检查,对于现代数控的维修,越来越多的情况采用这种方法进行诊断,然后用备件替换损坏模块,使系统正常工作,尽最大可能缩短故障停机时间。
上述诊断方法,在实际应用时并无严格的界限,可能用一种方法就能排除故障,也可能需要多种方法同时进行。最主要的是根据诊断的结果间接或直接的找到问题的关键,或维修或替换尽快的恢复生产。3数控机床故障诊断实例
由于数控机床的驱动部分是强弱电一体的,是最容易发生问题的。因此将驱动部分作简单介绍:驱动部分包括主轴驱动器和伺服驱动器,有电源模块和驱动模块两部分组成,电源模块是将三相交流电有变压器升压为高压直流,而驱动部分实际上是个逆变换,将高压支流转换为三相交流,并驱动伺服电机,完成个伺服轴的运动和主轴的运转。因此这部分最容易出故障。以CJK6136数控机床和802S数控系统的故障现象为例,主要分析一下控制电路与机械传动接口的故障维修。
如在数控机床在加工过程中,主轴有时能回参考点有时不能。在数控操作面板上,主轴转速显示时有时无,主轴运转正常。分析出现的故障原因得该机床采用变频调速,其转速信号是有编码器提供,所以可排除编码器损坏的可能,否则根本就无法传递转速信号了。只能是编码器与其连接单元出现问题。两方面考虑,一是可能和数控系统连接的ECU连接松动,二是可能可和主轴的机械连接出现问题。由此可以着手解决问题了。首先检查编码器与ECU的连接。若不存在问题,就卸下编码器检查主传动与编码器的连接键是否脱离键槽,结果发现就是这个问题。修复并重新安装就解决了问题。
数控机床故障产生的原因是多种多样的,有机械问题、数控系统的问题、传感元件的问题、驱动元件的问题、强电部分的问题、线路连接的问题等。在检修过程中,要分析故障产生的可能原因和范围,然后逐步排除,直到找出故障点,切勿盲目的乱动,否则,不但不能解决问题。还可能使故障范围进一步扩大。总之,在面对数控机床故障和维修问题时,首先要防患于未燃,不能在数控机床出现问题后才去解决问题,要做好日常的维护工作和了解机床本身的结构和工作原理,这样才能做到有的放矢。
参考文献
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关键词:电容式电压互感器故障分析处理
2001年3月中旬,我局继电保护人员在对110kV金原变电站新安装设备电源自动投入(以下简称BZT)装置进行投运前检查时,发现备用电源侧无电压。因为这个电压是通过安装在备用电源线路侧的电容式电压互感器(以下简称CVT)而引入的,于是继电保护和高压试验人员对CVT及其二次回路进行了一系列的检查试验,结果发现该CVT电磁单元烧损的严重故障,检修人员及时对其进行了更换,避免了一起设备事故的发生。
1设备故障发现经过
我局金原变电站有两条110kV电源线路,正常运行时,一条主供一条CVT备用。为了在主供线路发生永久性故障时能快速合上备用线路开关,110kV系统装设了BZT装置。如图1所示,BZT装置接入金原110kV南北两段母线电压和两条线路侧电压,通过装置的切换把手,可以分别将每条线路转换为主供线路或备用线路,并把相应母线电压、线路电压和二次回路做相应的切换。正常运行方式下,紫金线为主供电源,T金线备用,这时将金原110kV北母线电压和T金2线路侧电压切入BZT装置,北母线电压反映主供电源工作状态,T金2线路侧电压反映备用电源是否正常,能否起到备用作用。
这套BZT装置是2000年12月份安装的。今年3月中旬,继电保护人员对装置进行投运前检查。工作人员在装置屏后端子排上测量了两段母线电压和紫金线路侧电压,正常:当测量备用电源T金2线路侧CVT的二次电压时,没有电压。当时工作人员认为线路没带电,就将此事搁下,而只对装置本身进行了检验。因那时全站设备要进行定期高压试验,只有将备用线路投入运行,主供线路设备才能停下作试验。运行人员同调度联系后将T金线投运带全站负荷,紫金线停运。这时继电保护人员确知T金线有电,便再次在BZT装置屏上测其线路侧电压,仍旧没有。CVT二次保险,没有爆;拆了回路核对线芯,没有问题;拔下二次保险,直接在二次出线端子上测量,还是没有电压。继电保护人员这才意识到可能是CVT内部出了故障。所以在很快对紫金线设备做完高压试验后,将紫金线投入运行,安排T金线停电,拆除其线路侧CVT的一次引线进行试验。
这台电容式电压互感器的型号是是2000年12月份才投入运行时,CVT的电气原理如图2所示。高压试验人员先测试了CVT的高压电容C1、中压电容C2以及总电容量,再试验了介质损耗,与设备出厂时和投运前的试验数据相比变化不大,说明电容分压器单元没有问题。
为查清CVT的电磁单元有什么问题,试验人员先用万用表的电阻档测中压互感器的一次线圈电阻,其阻值为500多欧姆;然后在中压互感器的一次线圈上加交流电压,测二次电压的值,当一次电压升高时二次电压不仅不升反而下降;最后在中压互感器二次侧的da、dn线圈上加交流电压,用静电电压表测一次电压的值,电压均为零。根据这些试验情况和数据,试验人员初步判断电磁单元内部可能有短路。因没有更为详细的关于这些型号CVT的技术和试验数据,所以当时无法判定具体的故障。鉴于设备要尽快投运(该站载波通讯的结合滤波器接在这台CVT下),检修人员就将这台CVT拆下,我局物资公司通知设备厂家在郑州的办事处,第二天就送来一台新的电容式电压互感器。
新CVT与原来的型号一样,只是电磁单元的结构稍有不同。有这台新CVT作参考,工作人员又对拆下的CVT电磁单元的线圈直流电阻和在二次侧加压重做了试验,对比试验数据如表1所示。这些数据表明,T金线路侧电容式电压互感器电磁单元的中压互感器一次绕组发生了短路。于是,工作人员很快对新CVT进行了试验和安装,及时投入了运行,并将旧CVT运回局里准备解剖检查。
2CVT解体检查和故障原因分析
2001年4月,我局专业技术人员和CVT厂家人员一起,对拆下的CVT进行了解体检查。当工作人员用扳手拧松电磁单元油箱法兰的几颗螺栓后,刺鼻和刺眼的油气从法兰缝隙朝外喷出,明显感到内部聚有很大压力。拆完一圈螺栓,用天车将电容器单元稍微吊离下节油箱,在取下中间电压端子A′和中压电容C2下端接线端子δ与电磁单元之间的引线时,发现固定中压电容C2下端接线端子δ的4只螺栓少了一只,因油箱中的油较满,也看不到这只螺栓掉到了哪里。工作人员用器具把油箱中的油慢慢抽出,当油面低于中压互感器的接线板时,人们终于看清了,掉下的螺栓落在了中压互感器一次绕组抽头的几个接线柱中间。在螺栓与接线柱接触的地方,发现有轻微的短路熔焊痕迹。油箱中的油已经失去了其应有的淡黄色,而变成了象酱油一样的黑褐色。在往外抽油的过程中,油中不断有气体逸出,油中泛起黑褐色的泡沫。当油被全部抽完后,人们看到了中压互感器的铁芯已经烧得没有了硅钢片特有的光泽,最外层的硅钢片已被烧变了形,中间鼓起来了。中压互感器绕组外面包的白布带已被烧成黑炭质,用手一扣就有渣子掉下来。油箱内壁沾满了含有炭质的油渍,用手一摸全是黑。为了拆掉补偿电抗器的引线,工作人员将出线端子盒上方的盖板拆开,发现这个盖板因内部压力太大已经鼓肚。至此,CVT的故障已经十分清楚,那就是中压互感器一次线圈烧损。既是这样,我们还是让油务人员取了油样,进行了油色谱分析。分析结果:除乙炔为零值外,总烃和氢气均大大超过注意值;经计算三比值为020,故障类型是低温过热(150~300℃),这进一步印证了故障的情况。根据对CVT解体检查所发现的情况,我局技术人员和设备厂家人员一致认为,造成中间单元烧损的原因是,固定中压电容C2下端的一只螺栓掉入中压互感器一次绕组的接线柱丛中,使一次绕组部分线匝被短接,其交流阻抗减小,一次电流超过额定值,造成一次绕组烧毁。但螺栓造成的短路不是太严重,或者说被螺栓短接的匝数并不多,因为如果短路严重,短路电流所产生的热将在短时间内使变压器油分解出大量气体,这有可能造成下节油箱爆炸,或使高压电容C1两端所加电压太高而使其爆炸。至于这只螺栓为什么会在运行中脱落,我们认为,这是该设备在安装时未紧固好,工序间检查时也未发现。设备运行后,它位于中压互感器的交变电磁场中,在交变电磁场的作用下不断振动、转动和向下移位,以至于最后脱落,造成中间互感器一次绕组短路。所幸的是,在这次对继电保护自动装置检验中,发现了这个问题,并及时进行了更换,防止了更为严重的设备事故发生。
3经验教训
电容式电压互感器在电力系统中的应用非常广泛,但象这次因螺栓脱落而造成故障的情况却是十分罕见的。对电力设备制造厂家来说,在出厂产品中若万分之一有问题,对设备用户来说就是百分之百的故障隐患。T金线路侧的这只CVT,幸亏发现及时,才未酿成更大的设备事故。因此,作为电力设备的生产厂家,安装人员一定要加强责任心,质检人员一定要把好验收关,以确保每台产品的质量。
引起爬行的原因很多,但主要有以下两个方面。
1.摩擦阻力的变化引起爬行
机床床身导轨工作台导轨面都是经过磨削或刮削获得的,宏观上看是平直而光滑的,但在微观下却总存在有较小间距和峰谷组成的微量高低不平的痕迹。实际上,两接触贴合面只有两面的微峰峰尖接触,所以实际接触面积是非常小的,因而峰尖所承受的压力非常之大,远远超过其弹性变形极限而出现的塑性变形,尤其是大型机床更为突出。此外,发生塑性变形的接触点的金属分子在运动中产生强烈的粘结作用。由于参差不同高度的峰谷会出现互相交错咬合,在相对运动时便产生“犁刨”现象。这便是机床两相对贴合运动导轨表面产生摩擦阻力的主要潜因。
机床的爬行现象主要发生在低速滑动时,因为高速时工作台导轨面在微观存在的较小间距和峰谷间储存着微量油液,在高速作用的贴合运动中容易形成动压油膜,而将两贴合导轨面隔离开,摩擦系数此时是非常小的。然而,在低速滑动时,则较难形成动压油膜,从而出现由微峰直接接触的边界。这时导轨表面的微峰由于直接接触,压力极高,因而发生塑性变形,导致接触处产生局部振动、高热、运动不平稳,出现金属分子的烧结,也称“冷焊”,这时摩擦系数是相当大的。
实验证明,在边界条件下摩擦系数与滑动速度之间呈现如图1所示的函数关系。
在实践中,我们都有这样的经验:需推动一个物体运动所用的力要大于维持这个物体运动所用的力。也就是说静摩擦力(静摩擦系数)大于动摩擦力(动摩擦系)。如图1,μ0表示边界的摩擦系数作为滑动速度的函数曲线。在相互贴合的工作面低速滑动开始的短暂时间内,摩擦系数μ0从静止状态下的最大值开始呈迅速下降趋势至最小值。此时工作台表现为向前冲动,又随速度μ0的增大而开始上升。当上升到较大值时,摩擦阻力增大,工作台趋向静止。此时,由于摩擦阻力的增大,相对的驱动力也随之增大,当驱动力增大到足以克服摩擦阻力时,工作台又重复出现以前那种冲动,驱动力随之减小。这个驱功力和摩擦阻力不断循环变化的过程,就是工作台时走时停的循环冲动的过程,这便是爬行。
2.滑动部件的驱动系统的刚性对爬行的影响
机床的滑动部件,如龙门刨床和龙门铣床的工作台是蜗杆与蜗轮传动;镗床的工作台是光杆与齿轮及齿轮与齿条传动;磨床的工作台是液压传动;不论哪一种传动,传动系统与滑动部件的连接决不是完全刚性的。从而产生以下的问题:①传动副中存在一定的传动间隙。如镗床的工作台就有光杆与齿轮,齿轮与齿条等多个传递环节,每个环节必须存在一定的间隙。②传动件由于刚性问题必须存在弹性变形。如轴类零件的扭转变形(如传动轴、螺杆、光杆等),这些传动系统可以理解为相当于一个弹簧系统,在驱动工作台滑动工作时,传动件(如传动光杆)刚性越差,弹性变形则越严重,传递动力就越不平稳。所以,在驱动力和摩擦阻力不断地循环变化过程中,又可以理解为一个不断地蓄能、放能的循环过程,即爬行的过程。
下面再以液压传动的磨床来分析这个问题。磨床加工精度高,要求工作平稳性和精确程度高,因此对爬行振动的特殊形式特别敏感。又由于磨床是以油液作为传递动力介质的,所以磨床最容易出现爬行现象。因此,对磨床的爬行的讨论就更有意义。
为什么以油液作为传递动力介质的磨床更容易出现爬行呢?这是因为:①油液具有可压缩性,当然这种可压缩性很小,一般情况下可以忽略不计。尽管如此,油液的刚性毕竟比刚体的刚性要差的多。②在这里关键的问题是组成液压系统的各个环节。如油泵、油管、接头、控制阀、油缸等密封不太严密,在运动的作用下常常会侵入空气。空气侵入液压系统中,或溶解在油液中或形成气泡浮游在油液中。空气的可压缩性则是极大的(大约相当油液的一万倍)。这样,侵入了空气的油液则必然增大了油液本身存在的可缩性。因此,液压驱动系统就成了一个十足的“弹簧环节”。
下面具体分析磨床工作台的爬行情况。从示意图2看,侵入空气的油液进入油缸的左腔,左腔的气泡受到压缩,压缩到一定压力时才能克服工作台与导轨之间的摩擦阻力,工作台开始向右方移动。开始移动的短暂时段内,静摩擦力转变为动摩擦力,摩擦力由大值骤然下降,工作台向右方冲动。此时,左腔的油液压力随之降低,气泡逸出随之膨胀。向右冲动的工作台又使右腔压力油液中的气泡受到压缩,工作台的阻力增大,致使工作台冲动受阻,速度降低,趋向静此。此时左腔的油液压力又增大,直到克服工作台的近乎静摩擦力再向前冲动。如此不断的循环,便形成了工作台时走时停地冲动,即为爬行。
二、消除爬行的措施
1.有效地降低摩擦阻力
有效地改善导轨摩擦阻力的变化环境,在于减小摩擦曲线随运动速度增加而下降的斜率,也就是减小静、动摩擦系数差,其重要措施在于有效地改善环境。
⑴改善导轨的环境,保证较为有效的油量及较好的油油性,粘度适宜。对于工作台载荷大的大型机床应采用粘度高耐磨的专业导轨油。
⑵在单靠油本身难以达到性能要求的情况下,可以通过改善工作面的储油条件(如在平整的工作面表面刮花);加入添加剂,改善油的性能。例如加入三甲酚磷酸脂、硫化鲸鱼油、M0S2油剂等,或者在导轨上涂一层固体M0S2剂。
⑶对大型和高精度机床采用液体静压导轨。液体静压导轨就是在导轨面上开出一定面积的油腔,让压力油通过节流器进入油腔,在两导轨面之间保持一定厚度的油膜,形成完全液体摩擦。这种静压导轨摩擦系数较小,无论滑动速度多么低,工作台均能平稳移动无爬行。但静压导轨结构复杂,成本高,应用受到限制。
⑷在导轨上粘贴一层TSF导轨软带(TSF导轨软带是一种以聚四氟乙烯为基的高分子复合材料,具有优异的摩擦特性,摩擦系数很低,约为铸铁滑动导轨的1/10)。在当机床导轨磨损较重,修复困难时采用TSF导轨软带是一种非常省事的办法。
2.提高传动系统刚性
⑴提高传动零件的加工精度;零部件的装配进度,尽量减小装配间隙。装配合理,如零件的平行、垂直关系,轴的同心,螺纹连接的松紧程度等。
⑵在机械传动中,除尽量减少动力传递层次,对传动类零件从材料和工艺上提高其刚性。
⑶对液压机床主要是防止液压系统的空气侵入。增强液压元件及接合处的密封程度。在快速往复移动的状态下,合理有效的可开启排气阀将空气排出。
三、其它爬行实例消除的措施
1.导轨表面拉伤或液压油缸内锈蚀拉毛
有些机床由于防护装置密封不良,滤油器损坏,机械杂质和金属切削末进入导轨摩擦面或液压油中,从而导致导轨表面拉伤或油缸内表面锈蚀拉气,使其表面粗糙,摩擦阻力增大,工作台不能确保正常运行而导致爬行。
消除方法:①采用耐磨涂层修补拉伤表面,精心修刮导轨,使其平直度和表面粗糙度恢复正常,选用油性好,粘度适当的导轨油。②修刮油缸内锈蚀拉毛处,如果拉毛程度较严重时,可上锉床按间隙配合塞,选用油质好的液压油。
2.机床导轨面缺油,或用油不当或油已经氧化变质,从而使机床产生爬行
消除方法:①机床导轨面必须有充足的油而产生油膜,减小摩擦阻力。②保证油质,因为油在温度升高的条件下,生成氧化胶质,产生酸性腐蚀,使表面发涩。所以对机床回油进行冷却降温,定期换油,检测酸性基础上,防止油的氧化胶质形成。
3.高速转动件处于动平衡,其不平衡点产生离心力而出现机械振动波,波及导轨产生爬行
消除方法:对电机和其它高速部件进行动平衡处理,例如在其底座安装弹性支承板,添置可调千斤顶作支承以抵消高速旋转而产生的离心力,除低自激振动,或垫橡胶、羊毛毡等防振材料,以减少机械振动时对导轨的影响。
机床爬行现象作为一种较为常见的机床故障,引发的原因是多方面的,主要是机械、液压、、电器等几个方面,在这里不能逐一阐述。在实际维修中,须针对具体情况进行分析,从分析中找到问题的症结,以找到解决问题的最佳措施。
[关键词]锅炉故障故障预测
一、锅炉故障的可预测性
锅炉是由汽水、燃烧及烟风等子系统组成的复杂多层次系统,而每个子系统又可以划分为若干次级子系统和部件,各层次子系统是相互关联的,只要某一个子系统出现异常或失效,就可能会使其它子系统产生功能异常或失效,甚至使整个机组处于故障状态,并且从原发性故障到系统级故障的发生、发展是一个量变到质变的过程。故锅炉故障具有层次性、相关性、延时性的特点。
锅炉故障一般具有一定的时延性,即从原发性故障到系统故障的发生、发展与形成,是一个渐变过程。以其高温过热器壁温为例,其某一时刻的壁温值,与其在过去时刻的壁温值有一定的关系,使其壁温序列间有一定的关联性(确定性),这种关联性是锅炉故障预测的基础。另外,由于影响高温过热器壁温的因素很多,如负荷、烟气温度、主蒸汽温度等,它们之间相互关联,且在锅炉运行中还受一些不确定因素的影响,使其故障预测具有一定的随机性,这种随机性使壁温序列间的关联性减弱,这就决定了高温过热器壁温值小能准确地预测,而只能从统计意义上做出最佳预测,使预测误差满足一定的精度要求。故障预测是故障诊断的一部分,故障诊断的最终目的就是为了指导运行和维修,因此,进行锅炉故障预测,对提高锅炉现代化运行水平和机组可用率具有重要意义。
二、锅炉故障预测相关知识
人工智能故障诊断与预测技术是随着现代化技术、经济高速发展而出现的一门新型技术,它能鉴别设备的状态是否正常,发现和确定故障的部位和性质并提出相应的对策,以提高设备运行的可靠性,延长其使用寿命,降低设备全寿命周期费用。且采用故障预测技术可以实现对故障的早期发现并预测其未来的发展趋势,便于对火电机组及时调整以避免恶性事故的发生,使机组能安全可靠的运行,同时提高机组的经济性。
根据预测期限长短的不同可将故障预测分为:长期预测,为了制定锅炉机组的长远维修计划和维修决策而进行的预测。时间一般为一个月以上。预测精度要求低;中期预测,对锅炉机组在未来比较长的时间内的状态进行预测,为机组的中期维修计划和维修决策服务。时间一般为一周左右。预测精度要求较低;短期预测,对锅炉机组的近期发展情况进行预测。时间为一大左右。对预测精度要求高。对于中、长期预测,由于精度要求不高,可考虑采取简单的预测模型,建立单变量时间序列模型进行预测。而对于短期预测,由于对精度要求较高,同时也由于各相关因素对当时的状态值影响较大,因此在进行短期预测时,除了要考虑时间序列本身外,还应适当将其他相关因素考虑进去,这就需要建立多变量时间序列模型进行预测,以满足短期预测对精度的要求。
三、常用的锅炉故障预测方法
近年来不少研究者采用线性回归分析法、时间序列分析法、灰色模型预测法、专家系统、人工神经网络等方法进行锅炉设备故障诊断研究,以探索快速有效的故障诊断与预测方法。常用的预测方法有:
(一)线性回归分析法
回归分析是寻找几个不完全确定的变量间的数学关系式之间进行统计推断的一种方法。在这种关系式中最简单的是线性回归分析。
(二)时间序列分析法
时间序列是指按时间顺序排列的一组数据:时间序列分析法是指采用参数模。型对所观测到的有序的随机数据进行分析与处理的一种数据处理方法。时间序列。分析法主要参数模型有以下四种:①曲线拟合②指数平滑③季节模型④线性随机模型。时间序列分析法主要适用于进行单因素预测,而对锅炉故障预测这种既有确定性趋势,又有一定的随机性的多因素预测时,需要进行确定性趋势的分离,计算比较复杂,同时还需对分离残差的零均值及平稳性进行假定,且其预测的精度不高。
(三)灰色模型预测法
灰色模型预测法是按灰色系统理论建立预测模型,它是根据系统的普遍发展。规律,建立一般性的灰色微分方程,然后通过对数据序列的拟合,求得微分方程的系数,从而获得灰色预测模型方程。应用灰色系统理论作故障预测主要有两种方法,一是基于灰色系统动态方程GM(或DM)的灰色预测模型,二是基于残差信息数据列的残差辨识预测模型。其中,GM(1,1)预测模型即1阶1个变量的微分方程描述的灰色模型比较常用。灰色预测的解从数学的角度看,相当于幂级数的叠加,它包含了一般线性回归和幂级数回归的内容,故灰色预测模型优于一般的线性回归或指数曲线拟合,也好于确定性时间序列分析法。灰色预测模型不要很多的原始数据,短数据GM(1,1)模型有较高的预测精度,并具有计算简单速度快的优点。
(四)专家系统
专家系统能成功地解决某些专门领域的问题,也有很多优点,但经过多年的实践表明,它离专家的水平总是相差一段距离,有时在某些问题上还不如一个初学者。分析其原因,主要有以下几方面:知识获取的“瓶颈”问题;模拟专家思维过程的单一推理机制的局限性;系统缺乏自学习能力。
(五)人工神经网络预测法
神经网络的故障诊断存在很多问题,它不能很好的利用领域专家积累的经验知识,只利用一些明确的故障诊断实例,而且需要一定数量的样本学习,通过训练最后得到的是一些阑值矩阵和权值矩阵,而不是像专家经验知识那样的逻辑推理产生式,所以缺乏对诊断结果的解释能力。目前应用神经网络进行故障预测的网络训练收敛速度慢,因此无法应用于实时诊断,只能处理历史记录数据。
(六)专家系统和人工神经网络相结合
专家系统和人工神经网络的相结合的方法是目前研究的热点。由神经网络与专家系统构成的神经网络专家系统,它可以利用神经网络的大规模并行分布处理和知识获取自动化等特点,解决专家系统存在的知识获取的“瓶颈”、推理能力弱、容错能力差、处理大型问题较为困难等问题,实现并行联想和自适应推理,提高系统的智能水平,使系统具有实时处理能力和较高的稳定性。同传统的专家系统相比,基于神经网络的专家系统具有以下几种优点:具有统一的内部知识表示形式,任何知识规则都可通过对范例的学习存储于同一个神经网络的各连接权中,便于知识库的组织和管理,通用性强;知识容量大,可把大量知识存储于一个相对小得多的神经网络中;便于知识的自动获取,能够自适应环境的变化;推理过程为并行的数值计算过程,避免了推理速度慢效率低等问题;推理速度快;具有联想、记忆、类比等形象思维能力,可工作于所学习过的知识以外的范围;实现了知识表示、存储和推理三者融为一体,即都由一个神经网络来实现。
参考文献:
[1]蒋宗礼,《人工神经网络导论》高等教育出版社,2001。
变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压,中间直流回路过电压主要危害在于:(1)引起电动机磁路饱和。对于电动机来说,电压主过高必然使电机铁芯磁通增加,可能导致磁路饱和,励磁电流过大,从面引起电机温升过高;(2)损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后,变频器输出电压的脉冲幅度过大,对电机绝缘寿命有很大的影响;(3)对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响,严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定在DC800V左右,一旦其电压超过限定值,变频器将按限定要求跳闸保护。
二、产生变频器过电压的原因
1.过电压的原因
一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面:
(1)来自电源输入侧的过电压
通常情况下的电源电压为380V,允许误差为-5%-+10%,经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V,个别情况下电源线电压达到450V,其峰值电压也只有636V,并不算很高,一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压,如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等,主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。
(2)来自负载侧的过电压
主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时,即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态,负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能,通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态,如果变频器中没采取消耗这些能量的措施,这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升。达到限值即行跳闸。
2.从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因
从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如下:
(1)变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。当变频器拖动大惯性负载时,其减速时间设定的比较小,在减速过程中,变频器输出频率下降的速度比较快,而负载惯性比较大,靠本身阻力减速比较慢,使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高,电动机处于发电状态,而变频器没有能量处理单元或其作用有限,因而导致变频器中间直流回路电压升高,超出保护值,就会出现过电压跳闸故障。
大多数变频器为了避免跳闸,专门设置了减速过电压的自处理功能,如果在减速过程中,直流电压超过了设定的电压上限值,变频器的输出频率将不再下降,暂缓减速,待直流电压下降到设定值以下后再继续减速。如果减速时间设定不合适,又没有利用减速过电压的自处理功能,就可能出现此类故障。
(2)工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。工艺流程限定了负载的减速时间,合理设定相关参数也不能减缓这一故障,系统也没有采取处理多余能量的措施,必然会引发过压跳闸故障。
(3)当电动机所传动的位能负载下放时,电动机将处于再生发电制动状态。位能负载下降过快,过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力,过电压故障也会发生。
(4)变频器负载突降。变频器负载突降会使负载的转速明显上升,使负载电机进入再生发电状态,从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量,短时间内能量的集中回馈,可能会中间直流回路及其能量处理单元的承受能力引发过电压故障。
(5)多个电机拖动同一个负载时,也可能出现这一故障,主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例,当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时,则转速高的电动机相当于原动机,转速低的处于发电状态,引起了过电压故障。处理时需加负荷分配控制。可以把变频器输出特性曲线调节的软一些。
(6)变频器中间直流回路电容容量下降
变频器在运行多年后,中间直流回路电容容量下降将不可避免,中间直流回路对直流电压的调节程度减弱,在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下,发生变频器过电压跳闸几率会增大,这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。三、过电压故障处理对策
对于过电压故障的处理,关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送,使其过电压的程度限定在允许的限值之内。下面是主要的对策。
1.在电源输入侧增加吸收装置,减少过电压因素
对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下,可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。
2.从变频器已设定的参数中寻找解决办法
在变频器可设定的参数中主要有两点:是减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。在工艺流程中如不限定负载减速时间时,变频器减速时间参数的设定不要太短,而使得负载动能释放的太快,该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限,特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制,而在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象,就要设定变频器失速自整定功能或先设定变频器不过压情况下可减至的频率值,暂缓后减速至零,减缓频率减少的速度。
3.通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题
在很多工艺流程中,变频器的减速和负载的突降是受控制系统支配的,可以利用控制系统的一些功能,在变频器的减速和负载的突降前进行控制,减少过多的能量馈入变频器中间直流回路。如对于规律性减速过电压故障,可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥,在减速前将中间直流电压控制在允许的较低值,相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力,避免产生过电压故障。而对于规律性负载突降过电压故障,可利用控制系统如SIEMENS的PLC系统的控制功能,在负载突降前,将变频器的频率作适当提升,减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路,以减少其引起的过电压故障。
4.采用增加泄放电阻的方法
一般小于7.5kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻,大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻,为中间直流回路多余能量释放提供通道,是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高,可能出现频繁投切或长时间投运,致使电阻温度升高、设备损坏。
5.在输入侧增加逆变电路的方法
处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路,可以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥价格昂贵,技术要求复杂,不是较经济的方法。这样在实际中就限制了它的应用,只有在较高级的场合才使用。
6.采用在中间直流回路上增加适当电容的方法中间直流回路电容对其电压稳定、提高回路承受过电压的能力起着非常重要的作用。适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过电压的有效方法。这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法,是以增大变频器容量的方法来换取过电压能力的提高。
7.在条件允许的情况下适当降低工频电源电压
目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥,电源电压高,中间直流回路电压也高,电源电压为380V、400V、450V时,直流回路电压分别为537V、565V、636V。有的变频器距离变压器很近,变频器输入电压高达400V以上,对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大,在这种情况下,如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档,通过适当降低电源电压的方式,达到相对提高变频器过电压能力的目的。
8.多台变频器共用直流母线的方法
至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好的解决变频器中间直流回路过电压问题,因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流,这样就可以基本上保持共用直流母线的电压。使用共用直流母线存在的最大的问题应是共用直流母线保护上的问题,在利用共用直流母线解决过电压的问题时应注意这一点。
变频器中间直流过电压故障是变频器的一个弱点,关键是要分清原因,结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况,才能制定相应的对策,只要认真对待,该过电压故障是不难解决的。
关键词:故障分量,差动保护,变压器保护,闸间短路,高阻接地故障
0引言
比率差动保护因能可靠检出区内故障,很好的躲避穿越性电流被广泛的应用于电力系统保护中,在变压器的保护中的应用更是由来已久。但由于受到负荷电流的干扰,制动电流不能很好的反映故障电流的大小,被负荷电流所淹没,使得对轻微故障的检测灵敏度过低。故障分量的比率差动保护,由于减去了负荷分量的影响,对轻微故障的检测具有很高的的灵敏度,大型变压器容量很大,满负荷运行时,低压侧的等效电阻非常小,往往只有1欧左右(如容量为150MVA,低压侧为10KV,0.6667欧),传统比率差动保护对低压侧高阻接地故障的灵敏的不够,故障分量的比率差动保护却能很好地检出故障,因而因该在大型变压器保护中得到了广泛的应用。
变压器在额定负荷运行的时候,发生轻微匝间短路故障时(2%匝短路),传统的比率差动保护往往没有足够的灵敏度检出故障。虽然差流大于了启动电流门槛值,由于制动电流加上了变压器的一倍负荷电流,要检出此类故障,比率制动系数(K值)将整得很低,会减弱比率差动保护抗CT饱和的能力,区外故障时很容易误动作,因此,实际的做法往往是降低保护的灵敏度,等待匝间故障进一步发展,差流、制动电流进入动作区内,保护再出口跳闸,这对变压器必将造成严重的损害。传统的比率差动抗CT饱和的能力是很弱的,必须增加额外的补充判据,防止保护误动。
对于故障分量的比率差动,制动电流去掉了负荷电流的干扰,k值(1.7)可以整定的很高,变压器在额定负荷运行的时候,发生轻微匝间短路故障时,保护具有足够的灵敏度检出故障,同时对低压侧区内高阻接地故障的检测灵敏度也提高了很多,由于k值很大,具有足够的抗CT饱和的能力。
本文对故障分量的比率差动的设计思想和特性曲线的参数的选择作相应的理论分析,同时建模验证算法的正确性。
1故障分量的比率差动算法的建立
1.1基本算法
故障分量的比率差动算法为传统的差动保护中的差动电流和制动电流分别减去正常时候的负荷电流而得到。以两圈变压器的纵连差动为例,以流入变压器为正方向,如式(1):
(1)
其中,,
--变压器高、低压侧的故障分量电
--为变压器正常运行时励磁电流
—分别为变压器高压侧低压侧电流和正常时的穿越性负荷电流
K—为比率差动的比率制动系数
从上式中可以看出:
,(2)
故障分量的比率差动电流和传统的比率差动电流相差一倍正常时磁电流,只是制动电流增加了两倍穿越性的负荷电流(略去励磁电流不计)。
1.2故障分量的提取
故障分量的比率差动保护性能的好坏,关键在于故障分量的提取。对于不同的保护设备,故障分量的提取很不相同,考虑到针对变压器这一电力系统中的特殊元件,对故障分量的提取提出了一些具体的要求。首先,应该准确减去负荷电流。其次,在转换性故障和故障重叠的时候不受第一次故障的影响,在第一次故障达到稳态的时侯,第二次故障到来的时候,能快速检测出故障来。
但在具体实现的时候会遇到如下困难:
在故障的发展过程中,故障前负荷电压(电流)在不断的变化,以第一次故障前的电压(电流)为基准,会带来误差.但故障前电压在不断的变化只能引起Δi1正序分量的提取,对Δi2,Δi0分量的提取没有影响,由变压器保护只是使用电器量进行比较,不涉及参数的计算,如阻抗,方向等,精度足够.
由于记录下故障前的电流量作为负荷量,故障中的量和故障前的电流量作差值提取Δih,Δil.但随着故障时间的延长,存在定时误差,故障后的电器量和故障前的电器量的相角差越来越大,Δih,Δil误差也越来越大,使得Δicd值不变(误差被减掉)Δizd值越来越小,所以计算K值随着时间偏移越来越大,只能限制故障分量的比率差动保护的开放时间,否则在区外故障时由于随时间积累的相角差会使保护误动,但开放时仅太短又会使得在发展性故障中不能检出第二次故障,开放时间为100ms~150ms.
2故障分量的比率差动动作参数的选定
2.1启动电流的确定
由于差动电流和传统的比率差动相同,大体应按传统比率差动整定,但也有特殊的要求。
Iqd.min=Kk[Ktx*fwc+ΔU/2+Δfph]Ie(3)
Iqd.min—比率差动启动门槛值
fwc=0.1—考虑一侧电流互感器10%误差曲线的系数
Δfph=0.01—软件相角校正时,由于小CT型号不同引起的偏移
ΔU/2—变压器的调压范围,取为5%,由于改变了变比,所以平衡系数相应变为原来的95%K,应躲开引起的差流值
Kk—可靠系数取1.3
假设由于以上条件,流入装置的高压侧的电流为准确的,误差均来自低压侧,
高低压侧电流为(略去励磁电流)式(4)
(4)
--变压器高、低压侧相电流
--穿越性负荷电流
--比率差动启动电流
(1)传统比率差动:
当产生Iqd.min差流时,一定有Ie+1/2*Iqd.min(Ie为额定电流)制动电流产生,K整定0.4,比率制动曲线过原点,,Ie取5A时,制动电流一定大于拐点电流,落在动作特性曲线的制动区,保护不会误动。
(2)故障分量的比率差动:
当产生Iqd.min差流时,一定有1/2*Iqd.min制动电流产生,所以计算K值(保护感受到的差流和制动电流的比值)为2.,当K值整定为1.7时(以下分析整定原因),比率制动曲线过原点,制动电流小于拐点电流,保护误动。
所以,由于以上原因产生的最大差流时,传统比率差动可以用比率制动曲线躲过,而故障分量的比率差动,则无法区分由于CT误差,有载调压所产生的差流,和由于低压侧三相短路,或变压器空载故障时产生的差流,因为其计算K值均为2。传统比率差动的Iqd.min应按允许的最小差流启动电流整定,故障分量的比率差动的Iqd.min应按允许的最大差流启动电流整定,但如整定太小,将影响检测轻微故障的能力,又考虑到故障分量的比率差动减去了励磁电流的影响,工程实际取0.2~0.5,取0.23。
2.2制动斜率K值的确定.
主要考虑两种极端的情况,使制动特性曲线过原点。
(1)区内故障
1.变压器空载时,发生区内故障,计算K值最小。
当变压器两侧带电源的时,发生区内故障,高低压侧同时感受到方向指向变压器的Δih(高压侧故障分量),Δil(低压侧故障分量),而变压器空载,或低压侧不带电源时,保护只感受到高压侧Δih(高压侧故障分量),所以(5)式成立计算K值,
(5)
--高、低压侧同时带电源时,保护感受到的差流和制动电流
--高压侧带电源,低压侧空载时,保护感受到的差流和制动电流
--计算K值
2.空投和低压侧三相短路等故障类型(低压侧不带电源),计算K值无法区分,都等于2.0,所以整定K值必小于2.0,空投的时候由于差流由励磁支路引起,其二次谐波含量很大,能可靠闭锁,当整定K值小于2.0时,低压侧三相短路时保护能动作,所以故障分量的比率差动保护在低压侧不带电源时发生三相短路故障,灵敏度最低,K值最小。
(2)区外故障
区外故障主要考虑由于CT传变误差引起的差流造成的保护误动作,考虑CT传变误差,带入比率差动动作方程,式(6)成立,
(6)
--分别为穿越性高低压侧的故障分量电流
--分别高低压侧CT传变误差的百分数
当高低压侧CT传变误差,分别为10%和-10%时,差流最大,制动电流最小,保护最容易误动,所以最严重的区外故障,保护发生误动时,比率制动系数K=0.2。K整定为1.6~1.8,满足工程需求。
2.3抗CT饱和的考虑
假定低压侧CT饱和,低压侧只有fl*Δil的电流流入保护装置,由于
|Δih+Δil|>K*0.5*|(Δih-Δil)|
则(6)式变为,各参数的含义如(6)式:
(7)
假设穿越性的故障,,等式左右相等,K为1.7时带入(7)式,fi=0.081。所以,低压侧CT饱和时只要有大于8.11%倍的原方电流能传变倒二次侧,为1.7时故障分量的比率差动不会误动.
3变压器匝间短路、高阻接地建模和算法仿真
3.1匝间短路模型的建立
由于变压器内部匝间短路故障的内部电磁过程非常复杂,要准确模拟非常困难,但我们可以抓住其主要特征,其精度已能满足继电保护的动模的要求。我们关心的只是变压器高低压侧端口电流的变化,对内部复杂电磁过程并不感兴趣,根据黑箱原理,只要我们考察的量,满足一定的精度要求(我们考察的主要是高、低压侧电流,短路匝电流),我们认为模型是成功的。
3.1.1短路匝之间的弧光电阻,电感的模拟
单相变压器的电阻和电感的标压值为:Rbase=548.2456欧,Lbase=1.7451亨
由于短路匝的匝数和变压器线圈绕组匝数相比,很小,选用第三绕组来模拟变压器低压侧的匝间断路时,第三绕组的漏感和漏阻应尽量取的比较小:
漏阻:Rbase*0.001=548.2456*0.001=0.5482欧
漏抗:Lbase*0.001=1.7451*0.001=0.0017亨
弧光电阻,电感:
弧光电阻:0.05欧
弧光电感:0.0001亨
设定为2%的匝间断路:
U2(第二绕组电压)=225.4KV
U3(第三绕组电压,短路匝模拟电压)=4.6KV
3.1.2波形分析
图(1)、(2)为RTDS的实录波形和EMTP建模产生波形的比较,可以看出模型的正确性.
(1)RTDS的A相电流波形(变压器不带负荷空载合闸,A相匝间断路2%)
figure1.ThecurrentwaveofphaseArecordedfromRTDSequipment(switching-onofanunloadedpowertransformer,2percentoftheturnsshortedat2.5s)
(2)EMTP的A相电流输出波形(变压器不带负荷空载合闸,A相匝间断路2%)
figure2.ThecurrentwaveofphaseAproducedbyEMTP(switching-onofanunloadedpowertransformer,2percentoftheturnsshortedat2.5s)
图(1)、(2)变化趋势来看是一致的
实际变压器2%匝短路的时侯,IA(A相电流)=1.6Ie.Ik(短路匝电流)=60Ie,而EMTP输出波形为IA=1.6156Ie,Ik=35Ie,由于算法的输入为相电流作差值,相电流和短路匝的电流的结果基本满足要求。
3.2算法仿真
两种算法Iqd.min=90A比率制动曲线过原点,折算到一次测的电流。
(3)高压侧A相电流波形(变压器满负荷运行时,在2.5s时发生低压侧A相2%的匝间断路,以下相同)
figure3.Thecurrentwaveofhigh-voltagesideofphaseA(2percentofturnsinthelow-voltagewindingoftransformershortedat2.5swithfullload,thesameasfollows)
(4)低压侧A相电流波形
figure4.Thecurrentwaveoflow-voltagesideofphaseA
(5)短路匝内的电流波形(折算到原方后,原方电流的倍数)
figure5.Thecurrentwaveintheshortedturns(transformedintounitvalue)
以下为调整K值的大小,两种算法的动作行为。
(6)K=0.3,比率差动特性(左边的为故障分量的比率差动,右边为传统比率差动,以下相同)
figure6.K=0.3,thepercentagedifferentialcharacteristic(theoneleftissuperimposeddifferentialcurrentsalgorithm;therightconventionalalgorithm,thesameasfollows)
K=0.3,两种保护均能可靠动作,但实际运行的时侯,传统比率差动的制动系数很难整定的这么低,区外故障容易误动,抗CT饱和能力越很弱。
(7)K=0.4,比率差动特性
figure7.K=0.3,thepercentagedifferentialcharacteristic
K=0.4,传统比率差动已到了动作区的边界,几乎检测不出如此轻微的故障,这一点也同我们的动模试验相吻合。
(8)K=1.7,比率差动特性
figure8.K=0.3,thepercentagedifferentialcharacteristic
从中可一看出故障分量的比率差动的高灵敏性和可靠性的结合。即能检出轻微故障,又有足够的抗CT饱和能力。
以下为,在2.5s发生低压侧A相1%的匝间断路时,两种算法的动作行为。
(9)K=0.25,比率差动特性(在2.5s发生低压侧A相1%的匝间断路)
figure9.K=0.3,thepercentagedifferentialcharacteristic(1percentofturnsshortedinlow-voltagesideofphaseAat2.5s)
传统比率差动对1%的匝间断路已失去了灵敏度,故障分量的比率差动同样能灵敏反映
(10)K=1.7,比率差动特性(在2.5s发生低压侧A相1%的匝间断路)
figure10.K=0.3,thepercentagedifferentialcharacteristic(1percentofturnsshortedinlow-voltagesideofphaseAat2.5s)
故障分量的比率差动在如此高的k值的情况下同样能检出1%的轻微故障
以下为低压侧区内AB相跨接20欧电阻在2.5s时短路故障,负荷侧为纯电阻负荷1.9206欧.时,两种算法的动作行为的仿真
(11)变压器端口的波形,左边为高压侧A,B,C相电流,右边为低压侧A,B,C三相电流。(AB相跨接20欧电阻在2.5s时短路故障)
figure11.Thecurrentwaveoftransformerterminals,theleftarethecurrentsofhigh-voltagesideofphaseofA,B,Crespectively,therightlow-voltageside。(thefaultof20ohmresistancecrossphaseAandBat2.5s)
从图(11)可以看出相电流几乎没有突变,对算法的考验更加严酷。
(12)K=1.7,比率差动特性(AB相跨接20欧电阻在2.5s时短路故障)
figure12.K=0.3,thepercentagedifferentialcharacteristic(thefaultof20ohmresistancecrossphaseAandBat2.5s)
对高阻接地故障分量的比率差动,相比传统比率差动也有不可比拟的优势。
4结论
本文对故障分量的比率差动保护相对于传统的在检测变压器匝间短路和低压侧高阻接地短路的灵敏方面作了分析。对故障分量的比率差动的动作特性参数作了分析计算,并对抗CT饱和的能力方面作了一些分析。在这基础上,提出了算法的实现,用EMTP建立了匝间短路和高阻接地的仿真模型,对两种算法的动作行为进行了仿真,验证了所选的制动系数K,和对故障分量的比率差动保护优越性的分析。
ResearchontheDetectionofturn-to-turnandHigh-Impedance-GroundedFaultofTransformerBasedonSuperimposedDifferentialCurrents
Abstract:Themethodofrealizingthetransformerprotectionbasedonsuperimposeddifferentialcurrentshasbeenpresentedandanalyzed.Thecompareofsensitivitydetectingturn-to-turnandhigh-impedancegroundfaultsbetweentraditionaldifferentialrelayanddifferentialrelaybasedonsuperimposeddifferentialcurrentshasbeenmade.Thesensitivityofoperationhasbeencomparedalso.Thedynamicmodelofturn-to-turnandhigh-impedance-groundedfaultoftransformerhasbeenestablished.Basedonthisdynamicmodeloftransformer,manysimulationworkshavebeenmadewiththisalgorithmandprovedsufficientlythegreateradvantagethanthetraditionalalgorithm.
Keywords:superimposeddifferentialcurrents;differentialprotection;transformerprotection;windsshortcircuit;high-impedance-groundedfault
参考文献
1B.Groar,D.Dolinar,Integrateddigitalpowertransformerprotection,IEEProc-Gener,T.ransm,Distrib,Vol,141,No.4,July1994
【关键词】汽轮机;振动故障;故障处理
0 引言
近年来,伴随着国家经济的快速发展,能源环保和资源重复利用问题显得尤为重要,凝汽式汽轮机凭着节约燃料,提高经济性的优势,得到越来越广泛的应用。因此,维护和保养凝汽式汽轮机的安全性已作为维护运行部门最重要的任务。在汽轮机的正常工作过程中,振动故障是随时产生的,如果对振动控制不严格,会造成非常严重的后果。本文对凝汽式汽轮机组进行研究,探讨其在工作过程中产生振动故障的原因,振动故障的危害以及振动故障的处理措施,为以后机组的维护查修工作起到指导作用。
1 振动故障原因及危害
1.1 振动故障原因
导致凝汽式汽轮机组振动故障的因素有很多种,主要的因素一般包括设计、制造水平问题,运行过程维护和保养问题,以及安装技术和检修技术问题等,这些因素之间的影响是相互的,本文将从几个最主要的因素进行探讨,具体如下:
1.1.1 汽轮机组设计和制造问题
由于目前技术不够先进,导致零部件加工精度和工艺达不到设计要求,使汽轮机转子不能满足设计精度,在进行高速和低速平稳试验时达不到合格要求,在一侧产生离心力,引起汽轮机组振动故障。
1.1.2 安装过程中的问题
安装工艺的精度对机组振动会产生非常大的影响。首先是对轴承的选择,轴承自身的特性,如强度、刚度以及预紧力等,这些都必须在选择和安装过程中符合现场要求;其次是严格保证汽轮机中心的同心度;第三是各个零部件之间的间隙问题,如果零部件间隙过大,容易引起零部件之间的相互碰撞,如果零部件之间的间隙过小,会加剧零部件之间的接触力,产生静碰撞。第四是连接销系统问题。当汽轮机运行时间过长时,各个零部件之间会产生膨胀,连接销系统也不例外。由于时间过长连接销中油缺少,机组的变形就会受到限制,引发汽轮机振动故障,此种故障在机组工作中经常遇见,因此应足够重视其危害性。
1.1.3 汽轮机运行维护和保养问题
同样会引起机组的振动故障问题还有维护和表扬问题。例如前面所说的汽轮机的热膨胀问题,这是由于人为因素造成的,在开机过程中也会出现这种故障。油的油温在轴瓦内会在旋转的过程中形成油膜,油膜的形成会极大影响转子的稳定性,及其容易导致机组的振动。汽轮机排气缸温度的控制不当直接会影响轴承的高度,也会引起发电机组振动故障。
1.2 振动故障危害
汽轮机在生产系统中起到心脏的作用,其工作异常直接影响到整个生产系统的正常运转,牵动着人们的生活。所以,对于机组的振动异常更不能小觑,力争做到早发现早解决。然而,在生产过程中,很难确定汽轮机的潜在危害点和危害发生的几率,置于危害程度的大小更不得而知,下面针对凝汽式汽轮机振动故障危害作一分析。
1.2.1 密封不严的危害
密封不严导致的机组振动异常的故障率占40%以上,主要是振动使低压端部轴封遭到破坏所致。由微小空隙进入低压缸中的空气,使真空度降低;相反,高压端部分较大的漏气量致使转子弯曲,蒸汽渗入油系统,油纯度不足,油质乳化。
1.2.3 汽封破坏的危害
隔板与隔板之间要采用汽封的方式进行密封。如果一旦汽封被破坏,增大的漏汽量加大了各级间的压力差,使转子产生了轴向推力。
1.2.4 滑销系统损坏的危害
当机组发生较大振动时,滑销承受巨大冲击力,机组就会发生不均匀热膨胀,造成过大的挤压力,损坏滑销系统。
1.2.5 耐疲劳强度减弱的危害
转动部分是汽轮机机组的核心机件,振动致使其疲劳强度降低,造成工作不能正常运行。
1.2.6 系统摆动不稳定的危害
振动不正常也会造成调速系统的部件磨损严重,迟缓率增加,使调速系统摆动不稳定。
上述故障的出现可以证明:汽轮机的安全经济运行取决于机组能否正常、规律的振动。汽轮机复杂的振动一直成为国内外学者高度关注的问题之一,找出振动的原因,如何精确确定发生振动的部位,采取何种解决方案,发生振动会危及到其它部位,哪些零部件以及危害大小,都是当今在技术上亟待解决的问题。
2 振动故障的处理措施
振动问题直接影响汽轮机组的正常工作,其复杂度不容忽视。针对工作现场汽轮机可能产生的振动故障问题,提出了如下应对措施:
2.1 材料刚度检测
刚度检测是重中之重。技术人员对汽轮机数据采集,及时数据处理,并与标准数据进行对照做出判断。掌握工作刚度范围、共振条件和刚度极值点。做到技术人员不离机组,实时监测,防患于未然。其次,机组带负荷和空载试运行必不可少。为确保汽轮机顺利工作,发生异常振动的几率降低,新安装或检修后的机组应经过带负荷和空载试运行,测试密封、汽封、滑销系统等均达到合格标准,才可以投入生产。
2.2 设置智能化监测装置
设计并安装智能化监测装置是汽轮机发生振动异常的有效措施。对正常监测困难点安装各种传感器设施,监测振动情况,及时报告工作异常点。同时,有序地安排技术人员,及时处理发出报警部位机组,杜绝扩大损坏,以免造成事故。
2.3 安装振动保护装置
当智能化监测装置监测出异常振动点后,会发出报警信号,通过自动控制装置命令振动保护装置自动切断电路,关闭主汽门,紧急停机。于此同时,技术人员采取拯救办法,保护机组设备安全。
凝汽式汽轮机支撑国家能源环保事业的快速发展,随着机组容量的增大,汽轮机安全、稳定运行显得更加重要。对不可避免的振动问题应采取有效地解决措施,以免造成重大的安全事故。同时对汽轮机设置智能化监测、保护装置必不可少。
3 结语
汽轮机振动会对整个系统产生非常不利的影响,能够带来极大的不安全隐患,对人们正常的生产生活带了极大的不便。因此,在以后的汽轮机运行使用和维护过程中,我们要严格进行检查,避免产生振动故障。在汽轮机组的设计、制造,运行维护和保养,以及安装和检修过程中,各个方面都做到精益求精,实时监测,及时发现振动问题并解决问题,确保机组的正常运行使用,为国家的经济发展起到带动作用。
【参考文献】
[1]韩广栋.关于汽轮机组振动故障的分析处理[J].科技与企业,2014-02.