試析高壓發(fā)電設(shè)備、電力變壓器運(yùn)行監(jiān)測(cè)的新要求

摘要：高壓水力發(fā)電設(shè)備和電力變壓器是水力發(fā)電站的主要設(shè)備，其重要性不言而喻，國內(nèi)大多數(shù)大型水力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)仍處于相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。對(duì)于大型的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及大容量的高壓發(fā)輸電、供變電設(shè)備，影響這些關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行安全的主要因素是各方面的應(yīng)力變化，根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特性如振動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力、溫度的熱應(yīng)力、絕緣強(qiáng)度和電壓強(qiáng)度的電場應(yīng)力等確定合適的采樣傳感器和傳輸方式后（某些傳感器需要在高電位端選擇適當(dāng)?shù)娜∧芊绞剑?，?jīng)有線或無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至后臺(tái)上位機(jī)和數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一次關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的可觀測(cè)、可控制和自動(dòng)化操作，為智能化電站的發(fā)展提供有利條件。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)；采樣；應(yīng)力；傳輸方式；智能電網(wǎng)

作者簡介：孫紅霞（1960-），女，滿族，遼寧西豐人，鐵嶺師范高等?？茖W(xué)校，副教授。（遼寧 鐵嶺 112008）

中圖分類號(hào)：TV741；TM930 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）15-0235-02

對(duì)高壓水力發(fā)電設(shè)備和電力變壓器監(jiān)測(cè)運(yùn)行安全的主要目的是危險(xiǎn)預(yù)測(cè)和防范，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器的真正要求并不在于像正式計(jì)量那樣需要達(dá)到如0.2%水平的高精度和準(zhǔn)確度，而是更加注重信號(hào)采樣和傳輸途徑的穩(wěn)定性與可靠性，重復(fù)精度達(dá)到2%～5%即可完全滿足預(yù)警系統(tǒng)的基本使用要求?？茖W(xué)設(shè)置合理的、多層預(yù)警門檻，監(jiān)測(cè)回報(bào)信號(hào)的重復(fù)間隔時(shí)間的長短是和實(shí)測(cè)值與正常值的大小有著直接關(guān)系，偏離正常值越大回報(bào)間隔越短。反之亦然，這也是大多數(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)采取節(jié)能環(huán)保的理想方案。

一、信息采樣與傳輸方式的多樣性

在測(cè)量電參量時(shí)傳統(tǒng)的信息傳輸技術(shù)大多使用PT、CT采用有源以及有線的信息傳遞技術(shù)，傳統(tǒng)的信息傳輸技術(shù)歷史悠久，目前為止已經(jīng)運(yùn)用得相當(dāng)成熟。

近年來出現(xiàn)了許多新型的基于無線傳輸、紅外傳輸和光纖傳輸?shù)刃录夹g(shù)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，它們能夠與最新的科學(xué)技術(shù)成果相結(jié)合，在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中發(fā)展迅速。新型監(jiān)測(cè)設(shè)備非常方便和行之有效，可以根據(jù)現(xiàn)場所有被監(jiān)測(cè)對(duì)象的特性、種類和數(shù)量等設(shè)計(jì)一個(gè)有限的無線局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的終端通過計(jì)算機(jī)后臺(tái)統(tǒng)一方便管理，監(jiān)測(cè)傳遞來的幾十個(gè)甚至幾百個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

有限的局域網(wǎng)終端處理機(jī)其主要功能在于有效管理和分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并且向中心控制室的上位機(jī)提供有使用價(jià)值的數(shù)據(jù)，同時(shí)可根據(jù)采集數(shù)據(jù)的實(shí)際情況設(shè)置智能分析程序，對(duì)某些幾倍于或遠(yuǎn)低于正常值水平的數(shù)值進(jìn)行更為科學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)幾率計(jì)算和插值估值以及平均值或真有效值還原，最大限度地去偽存真，提取其有效成分和使用價(jià)值。同樣終端機(jī)也可以分段設(shè)置實(shí)測(cè)值與正常值的差值，以差值的大小強(qiáng)度來確定數(shù)據(jù)的緊急和優(yōu)先程度。

對(duì)于監(jiān)測(cè)水輪機(jī)或發(fā)電機(jī)軸振動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力，以及斷路器觸頭溫度的熱應(yīng)力，均可采用形變電阻、熱敏電阻或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)的聲波/電壓變換器來采集信號(hào)，由于這些應(yīng)力變化的時(shí)間常數(shù)都比較長，采用無線傳輸?shù)姆绞奖容^適合。特別是水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)軸或是斷路器觸頭，在有外罩保護(hù)的情況下，其傳輸方式會(huì)顯得較為麻煩，而無線傳輸具有不受空間所限的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)起來較為容易。

對(duì)于監(jiān)測(cè)電場應(yīng)力及電量變化的對(duì)象，例如變壓器的絕緣狀態(tài)、斷路器的合分變化狀態(tài)都是時(shí)間常數(shù)非常短，而且有快速瞬態(tài)變化過程的信號(hào)。因此，采樣方式大多使用電容分壓器、電阻分壓器或阻容式分壓器來進(jìn)行電壓取樣，電流采樣通常采用Rogowski線圈（羅氏線圈）或無感分流器來取樣，而傳輸部分通常采用光纖或紅外傳輸方式。

二、高電位端采樣供電電源的多種形式

如果采用無線傳輸?shù)牟蓸有问?，一般首選使用高能量的鋰電池作為能量供應(yīng)，一般3.7V/0.5AH的高性能電池可以使用3～5年，這種電源供給方式占用空間很少、安裝靈活更換方便，達(dá)到使用期限后全部換新即可。

如果安裝位置可使用的空間余地較大，也可以采用安裝太陽能電池板和市電射燈的組合方式。太陽能電池板的作用是利用射燈的光隔離作用得到高電位隔離電源，太陽能電池板通過隔離二極管輸出給儲(chǔ)能電容作為儲(chǔ)能充電環(huán)節(jié)；也可以通過DC/DC變換器得到所需的供電電壓，這樣只要設(shè)備不損壞就可實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)拈L期電力供應(yīng)。

如果在高電位端需要對(duì)較大的電流進(jìn)行采樣，電流互感器可以采用復(fù)合鐵心結(jié)構(gòu)，即使用鐵基納米非晶和硅鋼復(fù)合的鐵心。鐵基納米的初始磁導(dǎo)率高4萬～8萬G/O，在母線很小的電流下也能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；而硅鋼鐵心飽和磁通密度比較高，一般為1.8～2.0T抗飽和能力強(qiáng)，在母線電流很大時(shí)仍可產(chǎn)生足夠的能量。

圖2是高電位端復(fù)合鐵心線圈的繞制方式。

在一個(gè)復(fù)合鐵心上同時(shí)繞制兩種線圈，一個(gè)為取能線圈，通過整流模塊整流后為供電模塊提供電能；另一個(gè)為控制線圈，通過另一個(gè)整流模塊給控制模塊供電。當(dāng)取能模塊的整流電壓Udc大于某一設(shè)計(jì)電壓時(shí)，控制模塊起作用，提供反向磁通和分流，使復(fù)合鐵心中的主磁通保持不變，同時(shí)使取能線圈I2×N2保持不變，最終達(dá)到輸出電壓不變。表1列出了一組測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 高電位端電流互感器測(cè)試數(shù)據(jù)

母線電流（A） 12 20 300 600 1800 3000 5000 8000 10000

整流取能模塊輸出電壓Udc（V） 3.31 9.44 10.56 11.32 12.11 12.44 12.32 19.26 18.79

穩(wěn)壓電源輸出U2（V） 2.61 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69

注：當(dāng)母線電流大于20A時(shí)，控制模塊參與工作，開始調(diào)節(jié)Udc值，使其變化趨緩，這種取能方式一般在大型電流互感器中采用。由于這種電子電流傳感器其本身的通流容量很大，所以配置相應(yīng)的取能電路并不復(fù)雜。

三、典型的采樣和傳輸系統(tǒng)

對(duì)于監(jiān)測(cè)機(jī)械應(yīng)力的場合，通常采用機(jī)械能/電能轉(zhuǎn)換模塊采樣，它可以方便地把運(yùn)動(dòng)或靜止的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸。由于設(shè)備空間的限制許多監(jiān)測(cè)對(duì)象都采用無線傳輸?shù)姆绞?，而且這些監(jiān)測(cè)對(duì)象的變化曲線相對(duì)緩慢，慣性時(shí)間常數(shù)比較大，圖3展示了上述系統(tǒng)的框圖，高壓電氣設(shè)備的觸頭溫度監(jiān)控也可歸屬于這一類。

對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)溫采用埋設(shè)鉑電阻PT100的方式，缺點(diǎn)是安裝空間小，布線復(fù)雜且容易損壞，而采用無線傳輸技術(shù)安裝調(diào)試簡單，測(cè)量準(zhǔn)確可靠?？稍谕呱习惭b溫度傳感器，傳感器把溫度轉(zhuǎn)換為無線發(fā)射信號(hào)，無線接收器安裝在推力油槽外殼上，通過無線接收器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再由RS485無線傳輸媒介使用MODBUS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)接收器，進(jìn)而把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，工作站通過上位機(jī)設(shè)定溫度預(yù)警值和溫度變化率預(yù)警值。

對(duì)于監(jiān)測(cè)電場應(yīng)力的場合，對(duì)電壓類信號(hào)如絕緣強(qiáng)度和電壓幅度的采樣，通常會(huì)用電容或阻容分壓器作為衰減探頭；而對(duì)漏電流或強(qiáng)電流的采樣一般采用無感分流器或羅式空心線圈，傳輸方式大多采用光纖傳輸，光纖傳輸方式可以分為兩種：±1%精確度的系統(tǒng)采用模擬電壓/頻率的調(diào)制解調(diào)方式就可達(dá)到；而0.2%精確度的系統(tǒng)就得采用模擬電壓/數(shù)字計(jì)算機(jī)。前者造價(jià)大約是后者造價(jià)的1/4。圖4展示了這種傳輸系統(tǒng)的框圖。

四、高壓水電設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展

水力發(fā)電站的機(jī)電設(shè)備在電力系統(tǒng)中的重要性不言而喻，隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步，對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)的要求也將越來越高，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)或正在發(fā)展以下監(jiān)測(cè)技術(shù)：

1.加強(qiáng)對(duì)流量和磁場的監(jiān)測(cè)

在監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的溫度和壓力參數(shù)的同時(shí)，增加了對(duì)液體和氣體的變量，如流量、流速和風(fēng)速的監(jiān)測(cè)。如在發(fā)電機(jī)蝸殼出口、導(dǎo)葉進(jìn)口、頂蓋下空腔和尾水管入口處增加流量傳感器監(jiān)測(cè)水壓脈動(dòng)；在發(fā)電機(jī)中增加對(duì)磁場強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，例如在定子上端上游側(cè)槽楔處增加非接觸式磁場強(qiáng)度傳感器，可以監(jiān)測(cè)到最小磁場強(qiáng)度和相位變化，進(jìn)而判斷產(chǎn)生振動(dòng)的原因是否為電磁力，判斷是否存在匝間短路等故障以及檢測(cè)機(jī)組定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和組件由于振動(dòng)、過熱等導(dǎo)致的不平衡。

2.對(duì)機(jī)械設(shè)備物理參量的監(jiān)測(cè)

對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備增加振動(dòng)和擺度的監(jiān)測(cè)，例如在發(fā)電機(jī)定子線棒端部每支路分別加裝1只振動(dòng)傳感器，對(duì)發(fā)電機(jī)定子線棒的徑向振動(dòng)（即線棒與定子鐵心的相對(duì)振動(dòng)）傳感器與目標(biāo)之間的距離變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.對(duì)一次主電氣設(shè)備的絕緣情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)

如對(duì)發(fā)電機(jī)和主變壓器增加局部放電監(jiān)測(cè)點(diǎn)，局部放電分析系統(tǒng)的耦合器監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)定子絕緣系統(tǒng)內(nèi)和主變壓器內(nèi)的局部放電脈沖，通過對(duì)各相放電量、放電次數(shù)以及放電相位的分析、計(jì)算可以明確一次主設(shè)備絕緣損傷程度和產(chǎn)生局部放電的大致位置，對(duì)設(shè)備的預(yù)警、維修起到很大作用。

4.增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，滿足對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)監(jiān)測(cè)

對(duì)傳統(tǒng)的三部軸承、發(fā)電機(jī)定/轉(zhuǎn)子的監(jiān)測(cè)建議采樣點(diǎn)由幾十個(gè)增加到數(shù)百點(diǎn)，對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如定子電壓和電流、轉(zhuǎn)子電壓和電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、P-Q曲線、負(fù)序電流、零序電流、并網(wǎng)相角、頻率、發(fā)電機(jī)定子鐵芯和繞組溫度、發(fā)電機(jī)冷卻水溫度和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平均溫度等進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。

5.數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的智能化發(fā)展

監(jiān)測(cè)設(shè)備與主設(shè)備的控制/測(cè)量系統(tǒng)智能一體化，采樣的數(shù)據(jù)接入電站的統(tǒng)一的整體系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，提高數(shù)據(jù)處理速度和智能化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄在硬盤上，以便事故追憶與指導(dǎo)維修，同時(shí)可通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問調(diào)用。

五、結(jié)語

當(dāng)今時(shí)代，智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，發(fā)電廠作為電網(wǎng)的重要組成部分，其智能化建設(shè)是社會(huì)發(fā)展的必然。利用多種類型的傳感器對(duì)高壓水力發(fā)電機(jī)、電力變壓器等一次關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的可觀測(cè)、可控制和自動(dòng)化操作。智能化控制使其在具有傳統(tǒng)功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多種類型參量采集、數(shù)字化數(shù)據(jù)采集以及測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)功能的一體化融合設(shè)計(jì)，合理利用電站現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)或者新建專用的智能電站網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)電站的智能化發(fā)展，以適應(yīng)智能電網(wǎng)的運(yùn)行要求。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）