大型水輪發(fā)電機狀況監(jiān)測智能診斷平臺

周洪宇，周 明，張 宇，黃 梅

（1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川雅安 625409；2.四川預(yù)維佳科技有限公司，四川成都 610095）

1 水輪機絕緣檢測

根據(jù)國標GB/T 28570—2012《水輪發(fā)電機組狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》要求，水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測參量包括振動、擺度、軸向位置、壓力脈動、空氣間隙、磁通密度和局部放電等。根據(jù)美國電力協(xié)會及清華大學(xué)相關(guān)統(tǒng)計，發(fā)電機故障有40%來自定子繞組電氣絕緣故障，15%來自轉(zhuǎn)子絕緣故障。絕緣監(jiān)測是水力發(fā)電廠的長期工作內(nèi)容。

大崗山公司與專業(yè)廠家合作，在2016 年試點實施的局放在線監(jiān)測智能分析系統(tǒng)，能提供對定子線棒絕緣狀況的實時監(jiān)控，提供Web 化系統(tǒng)構(gòu)建，并有多種分析功能，便于設(shè)備運行狀況監(jiān)控，提供檢維修依據(jù)。大崗山4 臺機組實施局放在線分析系統(tǒng)以來，已經(jīng)成功在大崗山1#機的運行中發(fā)現(xiàn)了較為嚴重的絕緣隱患，并準確指導(dǎo)檢維修方案，及時準確排除了隱患。目前實施的系統(tǒng)只能提供對發(fā)電機定子繞組絕緣狀況在線實時監(jiān)測，而發(fā)電機運行中處于同樣工況下運行的轉(zhuǎn)子，以及位于發(fā)電機鐵心外部，面臨更苛刻工況的端部繞組，同樣也存在較大絕緣隱患的可能。轉(zhuǎn)子匝間短路，繞組端部的振動異常，會對發(fā)電機的經(jīng)濟安全運行造成較大影響。本項目是基于工業(yè)設(shè)備狀態(tài)檢修的大趨勢，通過配備安全、穩(wěn)定、有效的多維度狀態(tài)監(jiān)測手段，運用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，綜合判斷、識別水輪發(fā)電機絕緣故障的早期征兆，對故障部位、嚴重程度、發(fā)展趨勢做出分析判斷，主動實施針對性維修的引領(lǐng)行業(yè)先進技術(shù)的試驗性項目。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

目前國內(nèi)電力行業(yè)普遍實施的是設(shè)備預(yù)防性維護管理模式（預(yù)防檢修），它是根據(jù)設(shè)備發(fā)生故障的統(tǒng)計規(guī)律或經(jīng)驗，事先確定檢修類別、檢修周期、檢修工作內(nèi)容的檢修方式，比早期傳統(tǒng)的（隨壞隨修的）故障檢修模式有一定的先進性，可以在一定程度上主動預(yù)防故障發(fā)生。發(fā)電設(shè)備在投產(chǎn)初期和壽命末期的故障概率較大，中間要經(jīng)過一個較可靠的穩(wěn)定期，并且在各個階段的故障特點也不盡相同?，F(xiàn)行的檢修管理體制下確定的預(yù)防性檢修項目和周期相對固定，在故障率偏高的初、末階段降低了設(shè)備的可靠性和利用率，在設(shè)備穩(wěn)定運行階段造成了檢修人、物、財力上的浪費。受計劃準確度的影響，預(yù)防性維修模式必然會在一定程度上造成維修過度或者維修不足，經(jīng)濟性比較差。

已有部分發(fā)電企業(yè)意識到狀態(tài)檢修的重要性，逐步開展了部分狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和實施，但一般都需要外請工程師專家進行數(shù)據(jù)分析，不僅依賴于人工判讀，準確性和時效性都不能科學(xué)把控。有些試驗數(shù)據(jù)還需停機檢修才能獲取，這些都嚴重滯后了對生產(chǎn)維護的即時指導(dǎo)意義。

3 本系統(tǒng)的技術(shù)方案

在原有的定子繞組局放在線監(jiān)測系統(tǒng)上做智能分析模塊的深化，構(gòu)建智能分析模型，輔以大數(shù)據(jù)診斷，對狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)警設(shè)定、故障診斷做智能化升級。同時借助現(xiàn)有的發(fā)電機局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路、繞組端部振動實時監(jiān)控，并定位發(fā)生位置，實現(xiàn)對發(fā)電機運行工況的多維度綜合監(jiān)控。水輪發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測智能診斷平臺是通過安裝在發(fā)電子定子繞組端部的耦合電容傳感器監(jiān)控繞組局放狀況（已于2017年成功實施），通過安裝在定子鐵心齒上的磁通傳感器監(jiān)控轉(zhuǎn)子各磁極的匝間短路狀況，通過安裝在繞組端部的振動傳感器監(jiān)控繞組端部振動狀況，并將這3 個監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一集成在1 個監(jiān)測平臺內(nèi)，從而得到發(fā)電機運行的綜合實時狀態(tài)，通過具備智能判斷的運行平臺，對發(fā)電機狀況做出綜合判斷。

3.1 局放在線監(jiān)測智能診斷模塊

局放在線監(jiān)測智能診斷模塊由耦合器（80 pF 云母耦合器）、局放監(jiān)測主機（Guard II）、接線盒及專用信號電纜、預(yù)裝有智能診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器和機柜等組成。耦合器可以抓取各支路的局放信息提供給監(jiān)測主機。局放監(jiān)測系統(tǒng)工作站，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器、工業(yè)交換機等硬件及局放數(shù)據(jù)采集軟件IAM、局放數(shù)據(jù)分析軟件PDView、中文版局放智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等組成。

局放監(jiān)測主機通過光纖通信將局放信號同時傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝有數(shù)據(jù)采集軟件IAM 和數(shù)據(jù)分析軟件PDView，可對局放數(shù)據(jù)進行采集和專業(yè)分析。數(shù)據(jù)服務(wù)器將局放信息通過正向隔離裝置傳輸給Web 服務(wù)器，Web 服務(wù)器上安裝有預(yù)維佳公司定制開發(fā)的中文版局放智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可對機組整體的局放水平進行實時監(jiān)測、顯示和趨勢分析，并方便進行Web 查詢和即時監(jiān)控（圖1）。

圖1 智能判斷流程

3.2 轉(zhuǎn)子匝間短路監(jiān)測模塊

轉(zhuǎn)子匝間短路監(jiān)控采取可以和局放智能平臺兼容的在線監(jiān)測系統(tǒng)，進行磁通測量，實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子匝間絕緣狀況的信息，并定位故障點。通過安裝在鐵齒上和智能系統(tǒng)連接的新式磁通探頭，同時量測主磁通及漏磁通，將2 個不同極但相對應(yīng)的磁通資料進行比對，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)有匝間短路的繞組所在的槽（圖2）。不需要改變電機的負載，即可準確測量轉(zhuǎn)子是否有匝間短路，并找出短路所在的槽。匝間短路的數(shù)據(jù)可以直接連接到已安裝局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的Guard II 主機中，只需要增加1 個匝間短路功能模塊。

圖2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路監(jiān)測系統(tǒng)組成

3.3 端部振動在線監(jiān)測模塊

端部振動實時監(jiān)控可以和局放智能平臺兼容的在線監(jiān)測系統(tǒng)，使用光纖傳感器安裝在線棒上連續(xù)監(jiān)測，并定位故障點。端部振動測量有徑向和切向的光纖傳感器，對機組本身振動造成的影響免疫，能夠監(jiān)測到20～400 Hz 的廣譜加速度，傳感器為自身固有頻率在1000 Hz 以上的光纖傳感器。停機時，臨時安裝1 個傳統(tǒng)的加速度傳感器在遠離鐵芯的定子線棒上，然后敲擊加速度傳感器附近的線棒，振幅較大的部位（連接處及匯流環(huán)）再次進行局部的擊錘試驗，找出50 Hz/60 Hz 及100 Hz/120 Hz 共振頻率有最大振動幅值的部位進行安裝，監(jiān)測振動數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析會幫助確定可許用振動水平（圖3）。傳感器通過光纖延長線連接到安全可靠的光纖轉(zhuǎn)換器，最終連接到已安裝局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的Guard II 主機中，只需要增加1 個端部振動功能模塊。

圖3 發(fā)電機端部振動安裝位置

4 總結(jié)

通過發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測平臺建設(shè)，可以在最大程度上預(yù)防包括定子局放惡化、轉(zhuǎn)子匝間短路故障、繞組端部振動惡化等最有可能導(dǎo)致發(fā)電機故障的絕緣因素，降低查找并處理故障使用的人力物力投入。該技術(shù)的推廣對電廠提高發(fā)電主設(shè)備生產(chǎn)及檢修維護的效率，完善智能管理所具有的深遠意義。初期研究成功的局放在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于流域公司大崗山、銅街子、深溪溝等3 座大型水電站，可控裝機3960 MW，涉及12 臺發(fā)電機組。局放在線監(jiān)測系統(tǒng)提供全面機組保護的同時，有效提高了設(shè)備狀態(tài)檢修的準確性，為設(shè)備檢修提供專業(yè)建議。

發(fā)電機狀態(tài)智能監(jiān)測平臺深入研究項目的探索與研究，極大加強了水電行業(yè)設(shè)備狀態(tài)檢修的技術(shù)基礎(chǔ)，本項目開發(fā)的局放智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的成功應(yīng)用具有標桿性示范作用，對促進水電行業(yè)設(shè)備檢修手段由計劃性檢修向狀態(tài)檢修邁進具有重要意義。