亭子口水利樞紐發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

羅安全

（嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

0 概 述

亭子口電站水輪發(fā)電機(jī)為傘式結(jié)構(gòu)，型號(hào)為SF275-60/1390，額定功率為275 MW，磁極數(shù)為60，設(shè)計(jì)空氣間隙為27.5 mm，轉(zhuǎn)速為100 r/min。定子鐵芯高1860 mm，直徑14700 mm?？諝忾g隙監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)采用TN8000AGMS，由北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司提供。此系統(tǒng)既可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)運(yùn)行，也可以作為機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行，可實(shí)時(shí)同步采集各氣隙傳感器信號(hào)，并進(jìn)行分析與處理，提供各種專業(yè)的分析手段和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)組成

TN8000AGMS水輪發(fā)電機(jī)空氣間隙在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由空氣間隙傳感器、前置器、智能數(shù)據(jù)采集箱和分析軟件組成，該系統(tǒng)可通過(guò)以態(tài)網(wǎng)與電廠狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。傳感器的信號(hào)通過(guò)多芯屏蔽電纜連接到TN8000AGMS系統(tǒng)的空氣間隙輸入接線端，再通過(guò)專用電纜傳送到空氣間隙采集模塊，由采集模塊進(jìn)行預(yù)處理和采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)總線傳送到系統(tǒng)板，然后進(jìn)行大量的在線信號(hào)處理和加工，得到反映發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)。智能數(shù)據(jù)采集箱一方面根據(jù)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行故障預(yù)警和報(bào)警，另一方面可將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)，供網(wǎng)絡(luò)客戶對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)做監(jiān)測(cè)分析和診斷。亭子口發(fā)電機(jī)氣隙一級(jí)報(bào)警值設(shè)置為23.5 mm，二級(jí)報(bào)警值設(shè)置為21.5 mm。

亭子口定子氣隙傳感器共配置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)沿周向均勻分布在定子鐵芯的上端部，在+X、+Y、-X、-Y方位布置4個(gè)，4個(gè)象限45°角上共分布4個(gè)。為了監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的磁極位置，空氣間隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還配置一個(gè)同步鍵相測(cè)點(diǎn)，傳感器安裝在水輪機(jī)室內(nèi)+Y方向，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的靶片與轉(zhuǎn)子1號(hào)磁極對(duì)應(yīng)粘貼固定。氣隙傳感器通常由平板電容傳感器，專用電纜和信號(hào)調(diào)理器 （前置器）組成，亭子口電站采用的氣隙傳感器運(yùn)用氣隙靜電電容測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量無(wú)源傳感器和磁極之間的調(diào)他電容電流獲得。傳感器是一塊電容器極板，被粘貼在定子內(nèi)腔上，另一極板就是轉(zhuǎn)動(dòng)的磁極，電容介質(zhì)是轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙。當(dāng)傳感器受到高頻率恒壓電流的激發(fā)時(shí)，可通過(guò)監(jiān)測(cè)氣隙中的電容電流來(lái)觀察氣隙電容的調(diào)制。它對(duì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)具有抗干擾性，不受油、灰塵和通風(fēng)條件的影響。調(diào)制電流信號(hào)與氣隙大小成反比例。通過(guò)電子信號(hào)處理，將調(diào)制電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA輸出，該輸出響應(yīng)與氣隙成比例。通過(guò)其他幾個(gè)傳感器的采樣數(shù)據(jù)，就可以用電子儀器計(jì)算轉(zhuǎn)子和定子的圓度及實(shí)際中心位置。

2 空氣間隙測(cè)量數(shù)值的影響因素

2.1 大軸擺度影響

在氣隙傳感器測(cè)量得到的氣隙數(shù)值中，除了定轉(zhuǎn)子間自身的氣隙外，還會(huì)受到大軸擺度的影響。因此實(shí)際測(cè)到的轉(zhuǎn)子圓度包含了真正的轉(zhuǎn)子圓度外，還包含了轉(zhuǎn)子部位的大軸擺度。大軸擺度的影響可通過(guò)結(jié)合穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的擺度波形值及相應(yīng)的算法，獲得去除大軸擺度影響外的真實(shí)的轉(zhuǎn)子磁極形貌。對(duì)各導(dǎo)軸瓦的間隙有很好的監(jiān)測(cè)作用。

2.2 離心力影響

在不同轉(zhuǎn)速下，由于轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的離心力不同。隨著轉(zhuǎn)速的爬升，離心力不斷增大，轉(zhuǎn)子就會(huì)膨脹，將導(dǎo)致各傳感器測(cè)得的氣隙減??；隨著導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉，轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，轉(zhuǎn)子持續(xù)收縮，氣隙就會(huì)逐漸增大。因此通過(guò)分析開(kāi)停機(jī)過(guò)程或甩負(fù)荷/過(guò)速過(guò)程的氣隙變化規(guī)律，可以掌握離心力對(duì)氣隙的影響以及各磁極的機(jī)械特性。對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分磁軛及機(jī)架的剛性和磁極的抗力有很好作用。

2.3 磁拉力影響

在機(jī)組變勵(lì)磁的過(guò)程中，由于磁拉力影響，定子鐵芯向內(nèi)收縮，而轉(zhuǎn)子磁極則向外膨脹，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子間氣隙迅速減小，當(dāng)突然去掉勵(lì)磁后，定轉(zhuǎn)子間氣隙則會(huì)增大。因此通過(guò)分析變勵(lì)磁過(guò)程的氣隙變化規(guī)律，可以掌握磁拉力對(duì)氣隙的影響。

2.4 熱膨脹影響

在機(jī)組冷態(tài)啟機(jī)時(shí)，隨著定子溫度的升高，定子由于熱膨脹而向外擴(kuò)展，從而導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子間氣隙發(fā)生變化。如定子相對(duì)熱膨脹過(guò)大或不同部位相對(duì)熱膨脹不均勻，將會(huì)導(dǎo)致氣隙不均勻，從而產(chǎn)生較大的磁拉力不平衡，影響機(jī)組正常運(yùn)行。通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)組熱穩(wěn)定過(guò)程各氣隙傳感器測(cè)量得到的平均氣隙的變化趨勢(shì)，可實(shí)時(shí)掌握定子的相對(duì)熱膨脹狀態(tài)。

2.5 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)影響

由于制造、安裝或設(shè)計(jì)問(wèn)題，導(dǎo)致在正常運(yùn)行過(guò)程中定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如磁極伸長(zhǎng)、定子基礎(chǔ)移動(dòng)、定子上部變形、轉(zhuǎn)子磁軛松動(dòng)等都會(huì)導(dǎo)致氣隙發(fā)生異常變化。通過(guò)比較相同工況下氣隙的長(zhǎng)期變化規(guī)律，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)故障。

3 空氣間隙監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 過(guò)速試驗(yàn)過(guò)程中氣隙特性變化分析

亭子口4號(hào)機(jī)組在啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了115%過(guò)速試驗(yàn)，最高過(guò)速為150%，從TN8000氣隙監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)中可以看出過(guò)速前后轉(zhuǎn)子磁極形貌比較及過(guò)速后各磁極氣隙值減去過(guò)速前氣隙值后的氣隙變化，在機(jī)組過(guò)速過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速開(kāi)始爬升，由于離心力不斷增大，轉(zhuǎn)子開(kāi)始膨脹，導(dǎo)致各傳感器測(cè)量得到的氣隙急劇減?。浑S著導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉，轉(zhuǎn)速開(kāi)始減小，轉(zhuǎn)子持續(xù)收縮，氣隙才逐漸增大。通過(guò)比較過(guò)速前后相同的穩(wěn)定工況下各氣隙特性參數(shù)發(fā)現(xiàn)，過(guò)速試驗(yàn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極形貌發(fā)生了變化，定轉(zhuǎn)子間氣隙明顯減小。過(guò)速后各磁極氣隙均有所減小，特別是41號(hào)磁極氣隙平均減小了0.5 mm。 由于不同磁極氣隙減小量有所差別，轉(zhuǎn)子磁極形貌發(fā)生了一些變化。

3.2 甩負(fù)荷過(guò)程中氣隙特性變化分析

圖1 四號(hào)機(jī)組甩75%負(fù)荷前后的氣隙數(shù)據(jù)

4號(hào)機(jī)組在啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行了甩220 MW負(fù)荷試驗(yàn)，甩負(fù)荷過(guò)程為75%。圖1記錄了轉(zhuǎn)速和所有氣隙傳感器平均氣隙快速變化趨勢(shì)。

從圖1可以看到，在甩負(fù)荷過(guò)程中，同樣由于作用于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的離心力影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙減小，在最高轉(zhuǎn)速下定轉(zhuǎn)子間氣隙減小了0.1 mm。但通過(guò)比較甩負(fù)荷前后穩(wěn)定工況的氣隙數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極形貌和氣隙基本沒(méi)有變化。說(shuō)明甩負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)發(fā)電機(jī)氣隙特性基本沒(méi)有造成影響，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和磁軛狀態(tài)良好。

圖2 四號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)前后的氣隙數(shù)據(jù)

圖3 4號(hào)機(jī)組加勵(lì)磁前后的氣隙數(shù)據(jù)

3.3 開(kāi)停機(jī)過(guò)程中氣隙特性變化規(guī)律

在機(jī)組開(kāi)停機(jī)過(guò)程中，由于作用于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的離心力的影響，也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙將發(fā)生變化，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中氣隙逐漸減小，而在停機(jī)過(guò)程中氣隙則會(huì)逐漸增大。開(kāi)機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)子磁極氣隙的變化幅度與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。如圖2所示。

圖2a為開(kāi)機(jī)前各通道平均氣隙的數(shù)據(jù)，圖2b為額定轉(zhuǎn)速100%時(shí)轉(zhuǎn)子氣隙數(shù)據(jù)變化，從中可以看出，停機(jī)過(guò)程中各磁極氣隙均有明顯增大，隨著轉(zhuǎn)速的升高氣隙有所減小。

3.4 變勵(lì)磁過(guò)程中對(duì)氣隙特性的影響

在機(jī)組運(yùn)行突然施加勵(lì)磁電流時(shí)，由于磁拉力影響，定子鐵芯向內(nèi)收縮，轉(zhuǎn)子磁極向外膨脹，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子間氣隙迅速減小，突然去掉勵(lì)磁后，定轉(zhuǎn)子間氣隙則會(huì)增大。若在此過(guò)程中某通道氣隙變化過(guò)大，則可能表明定子鐵芯存在松動(dòng)移位故障。圖3為機(jī)組加勵(lì)瞬間各通道氣隙變化數(shù)據(jù)。

可以看出機(jī)組逐漸加勵(lì)磁至100%Un并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后突然去勵(lì)過(guò)程。從上述數(shù)據(jù)可以看出，加勵(lì)磁瞬間各通道氣隙有所變化，但隨著勵(lì)磁穩(wěn)定后，氣隙又慢慢恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，加勵(lì)磁后各氣隙數(shù)值更加穩(wěn)定，甚至有所減小，上述數(shù)據(jù)說(shuō)明定子強(qiáng)度良好。通過(guò)以上數(shù)據(jù)的分析，可以羅列出影響發(fā)電機(jī)氣隙變化最大的前10個(gè)磁極，對(duì)個(gè)別磁極的安全性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，然后在檢修過(guò)程中，有針對(duì)性重點(diǎn)對(duì)個(gè)別磁極及定子不同方位基礎(chǔ)進(jìn)行檢查維修。

4 結(jié)語(yǔ)

采用發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測(cè)技術(shù)，不但對(duì)能夠清楚了解發(fā)電機(jī)安裝質(zhì)量，對(duì)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中定轉(zhuǎn)子的狀態(tài)也可以在線進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)。對(duì)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了準(zhǔn)確詳實(shí)的數(shù)據(jù)，為發(fā)電機(jī)檢修工作提供了準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，對(duì)可能出現(xiàn)的重大事故可以提前進(jìn)行預(yù)警和分析，消除了機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極松動(dòng)掃膛、定子位移、軸瓦偏移等重大設(shè)備事故。為電站安全高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的技術(shù)保障，值得發(fā)電企業(yè)進(jìn)行推廣和重視。

［1］張潤(rùn)時(shí)，賀建華，鄭松遠(yuǎn).發(fā)電機(jī)空氣間隙在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在三峽右岸電站的應(yīng)用［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（06）: 11-17.

［2］孫偉，鄭宇.TN8000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析故障診斷系統(tǒng)在大唐彭水電廠的應(yīng)用［J］.華中電力，2012，25（02）: 20-25.