抽水蓄能機組發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

孫 凱，尹和松，陳 爽，李淑鈺

(1.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江 157000)

0 前言

抽水蓄能機組與常規(guī)水電機組相比，其發(fā)電電動機具有發(fā)電機/電動機雙工況運行、轉(zhuǎn)速高、雙向旋轉(zhuǎn)、頻繁啟停等特點，這為該類機組帶來了一些新的運行安全問題[1]。發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部的各種部件隨著電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，且長期運行在電、熱和機械應(yīng)力的環(huán)境下，會發(fā)生各種機械故障，從而對機組運行帶來安全隱患。為了保證機組運行安全，根據(jù)電機運行中發(fā)生的故障，對發(fā)電電動機的在線監(jiān)測系統(tǒng)增加一些新的監(jiān)測項目就顯得十分必要[2]。

本文提出了一種新型抽水蓄能機組發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部運行狀態(tài)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過在線監(jiān)測抽水蓄能機組的電機轉(zhuǎn)子端部某些關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對這些關(guān)鍵部件各種機械故障與缺陷的早期發(fā)現(xiàn)、早期預(yù)警及早期處理，保障機組運行安全，避免故障對機組安全運行產(chǎn)生嚴(yán)重的隱患。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的重要部件，磁極線圈之間用極間連接線和磁極引出線相連接，以構(gòu)成勵磁繞組，磁極阻尼條與阻尼環(huán)通過阻尼環(huán)連接片構(gòu)成電機阻尼繞組[3]。電機的磁極引出線、極間連接線、阻尼環(huán)連接片等部件均位于電機轉(zhuǎn)子上端部，隨著電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，并且長期運行在電、熱和機械應(yīng)力的環(huán)境下。水輪發(fā)電機以及抽水蓄能電動機轉(zhuǎn)子繞組是串聯(lián)連接的，其電阻值變化將引起溫度變化，因此通過溫度與損耗和電阻值的關(guān)系可以判斷是否存在機械故障問題；同理，極間連接線和阻尼環(huán)連接片的溫度變化同樣可以反映電阻值的變化。當(dāng)極間連接線的連接部位出現(xiàn)松動或者局部出現(xiàn)裂紋時，其電阻值變大，損耗隨之變大，其溫度會出現(xiàn)異常波動。所以電機運行過程中，如果能夠監(jiān)測轉(zhuǎn)子端部的溫度分布情況，則可以早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)測磁極連接線或者阻尼環(huán)連接片的輕微機械故障[4-5]。另外，根據(jù)磁極線圈的溫度分布情況，也可以早期判斷磁極線圈間絕緣是否存在問題。通過監(jiān)測電機轉(zhuǎn)子端部溫度分布情況，可以早期發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子機械故障，避免其進一步擴大，提高機組運行的安全可靠性。

本文提出的新型抽水蓄能機組發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)利用紅外輻射測溫與智能數(shù)字圖像技術(shù)，采用非接觸式的紅外熱像儀與高速工業(yè)照相機，把紅外熱像儀與高速工業(yè)照相機安裝到電機定子上機架上，拍攝電機運行過程中轉(zhuǎn)子端部磁極上部的狀態(tài)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，熱像儀和相機可以掃描到電機轉(zhuǎn)子所有磁極的磁極線圈上部、磁極引出線、極間連接線和阻尼環(huán)連接片，這樣就可以監(jiān)測到所有需要監(jiān)測部件的溫度與高清圖像，通過數(shù)字智能化在線監(jiān)測系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析軟件實現(xiàn)電機端部運行狀態(tài)的在線監(jiān)測[6]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

抽水蓄能機組發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)由高速紅外熱像儀對轉(zhuǎn)子端部關(guān)鍵部件的溫度熱圖像進行非接觸式拍攝，同時采用高速工業(yè)相機對相同部位進行高清拍攝。溫度熱圖像與高清圖像的定位是利用電機測速齒盤、轉(zhuǎn)速傳感器和鍵相傳感器獲得的，后通過計算機測控技術(shù)及大數(shù)據(jù)軟件對上述圖像進行分析，從而對蓄能機組發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部可能的運行故障進行預(yù)警[7-8]。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.1 鍵相傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器

鍵相傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器安裝于電機定子機座。在轉(zhuǎn)子大軸表面與某一特定磁極對應(yīng)的部位，貼一個信號標(biāo)志鍵相片，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的鍵相片旋轉(zhuǎn)至與鍵相傳感器相遇時，鍵相傳感器就會發(fā)出一個脈沖信號，這個信號稱為鍵相信號。在電機轉(zhuǎn)子大軸上安裝一個與轉(zhuǎn)速傳感器相對且齒數(shù)為轉(zhuǎn)子磁極數(shù)3倍的測速齒盤，在電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，每旋轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)速傳感器就會發(fā)出與測速齒盤齒數(shù)等量的轉(zhuǎn)速脈沖信號。轉(zhuǎn)速脈沖信號與鍵相信號共同使用，通過計算機控制技術(shù)，可以控制紅外熱像儀與高速工業(yè)相機采集電機轉(zhuǎn)子端部任意磁極部位的熱像圖及高清圖像[9]。

2.2 FLIR A6751型紅外熱像儀

在紅外熱像儀拍攝發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部部件的溫度過程中，電機轉(zhuǎn)子以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子不同的半徑處以不同的線速度運動，電機磁極外側(cè)的線速度可達到120m/s以上，所以紅外熱像儀所拍攝測量的每一點溫度值均為某一段弧線區(qū)域內(nèi)的溫度平均值，這段弧線區(qū)域的長短與電機轉(zhuǎn)速及高速熱像儀的積分時間有關(guān)，所以紅外熱像儀的選擇及積分時間的確定是在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵因素[10]。

FLIR A6751型紅外熱像儀為超晶格制冷長波熱像儀，在拍攝測量過程中，積分時間可以達到480ns～20000μs，但是拍攝中使用的具體積分時間與拍攝畫面的頻率及拍攝對象的表面溫度有很大關(guān)系[11]。在監(jiān)測發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部部件溫度的過程中，被測部件的溫度約為70～160℃，熱像儀的積分時間約為10～30μs，如果電機轉(zhuǎn)子端部溫度監(jiān)測點按照125m/s的線速度旋轉(zhuǎn)，熱像儀的積分時間為30μs，那么一個溫度采樣點的溫度實際是一段3.75mm長的弧線區(qū)域的溫度平均值，由于3.75mm數(shù)值很小，因此將此區(qū)域的溫度平均值作為一點的溫度值是可以被接受的。

2.2.1 紅外熱像儀的安裝方式

在安裝紅外熱像儀時，根據(jù)紅外熱像儀的外形及安裝機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計一個金屬防護罩，把熱像儀固定安裝在金屬防護罩內(nèi)，再根據(jù)電機定子上機架的機械結(jié)構(gòu)，把紅外熱像儀金屬防護罩吊裝固定在電機定子上機架并對著轉(zhuǎn)子上端面要監(jiān)測溫度的部位。紅外熱像儀的鏡頭與需要監(jiān)測溫度的電機轉(zhuǎn)子部件的垂直距離需要根據(jù)監(jiān)測畫面的視場以及紅外熱像儀鏡頭的焦距進行計算。

2.2.2 紅外熱像儀監(jiān)測的熱圖像定位

紅外熱像儀在電機定子圓周空間安裝位置與鍵相傳感器的圓周空間安裝位置相對固定。熱像儀測控軟件將電機鍵相傳感器信號作為控制紅外熱圖像采集開始的零相位信號，把轉(zhuǎn)速傳感器輸出的轉(zhuǎn)速脈沖信號作為紅外熱圖像采集位置的定位信號。這樣就可以定位每幅圖像與電機轉(zhuǎn)子的空間相對位置，從而測量出每一個磁極線圈、阻尼環(huán)連接片、磁極引出線及極間連接線的溫度變化曲線。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子某一磁極的引出線或連接線等部位的溫度發(fā)生突變，則預(yù)示著這一部位有可能發(fā)生裂紋或把合螺絲松動等機械故障，需要對相同部位的高清圖像做進一步分析。如果電機轉(zhuǎn)子端部某部位的溫度突變特別明顯，而通過相同部位的高清圖像又發(fā)現(xiàn)不了確切的裂紋等機械缺陷，則可以懷疑是銅排內(nèi)部發(fā)生斷裂缺陷，此時，為避免故障進一步加大而造成嚴(yán)重的運行安全事故，可以在發(fā)電電動機運行工況轉(zhuǎn)換停機期間，對懷疑的部位進行無損探傷檢查。

2.3 TRIO50S型高速工業(yè)相機

發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子以高于400r/min的轉(zhuǎn)速長期雙向運行，機械結(jié)構(gòu)在運行過程中有可能出現(xiàn)疲勞損傷問題，為避免機械疲勞損傷引發(fā)非正常停機，本文建立了一套轉(zhuǎn)子端部高清圖像監(jiān)測系統(tǒng)。通過分析電機運行過程中拍攝到的電機轉(zhuǎn)子端部高清圖像，可以發(fā)現(xiàn)重要部位在運行過程中發(fā)生的細(xì)微變化，建立電機轉(zhuǎn)子端部圖像數(shù)據(jù)庫。通過對溫度數(shù)據(jù)發(fā)生顯著變化的磁極引出線、極間連接線等部件表面圖像進行詳細(xì)分析觀察，可達到對機械故障早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防的目的。

TRIO50S型高速工業(yè)相機是一款具有高分辨率、高速度的工業(yè)級照相機，其快門速度最快可以達到1μs，與適當(dāng)?shù)母咚俟庠磁浜?，可以拍下高速旋轉(zhuǎn)的電機轉(zhuǎn)子端部的高清圖像。這些高清圖像可以與紅外測溫圖像互為輔助數(shù)據(jù)，作為電機轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)在線監(jiān)測分析的重要依據(jù)。

系統(tǒng)監(jiān)控軟件可以把電機轉(zhuǎn)子端部高清圖像存入監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)發(fā)電電動機各種運行工況下轉(zhuǎn)子端部磁極線圈、磁極引出線、極間連接線以及阻尼環(huán)連接片的各種高清圖像積累的足夠多，可以利用圖像人工智能識別技術(shù)，開發(fā)電機轉(zhuǎn)子端部高清圖像機械故障自動判別軟件，由計算機自動分析判斷電機轉(zhuǎn)子高清圖像的機械故障，這樣可以大大提高監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率及可靠性。

2.3.1 高清工業(yè)相機的安裝方式

高清工業(yè)相機的安裝方式與紅外熱像儀的安裝方式類似，將高清工業(yè)相機固定安裝在金屬防護罩內(nèi)，再吊裝固定在電機定子上機架并對著轉(zhuǎn)子上端面需要監(jiān)測圖像的部位。高清工業(yè)相機的鏡頭與需要監(jiān)測的電機轉(zhuǎn)子部件的垂直距離需要根據(jù)監(jiān)測畫面的視場及鏡頭的焦距進行計算。

2.3.2 高清工業(yè)相機拍攝的高清圖像定位

采用與紅外熱像儀拍攝的電機轉(zhuǎn)子端部紅外熱圖像相同的定位方式就可以定位高清工業(yè)相機拍攝的電機轉(zhuǎn)子端部每一個磁極線圈、阻尼環(huán)連接片、磁極引出線和極間連接線的高清圖像。通過對電機轉(zhuǎn)子端部高清圖像進行人工分析，并結(jié)合相應(yīng)部位的溫度變化曲線，可以對電機轉(zhuǎn)子端部磁極線圈、磁極引出線、極間連接線以及阻尼環(huán)連接片的機械故障進行早期預(yù)警和處理，避免故障繼續(xù)發(fā)展而造成機組的重大運行事故。

3 電站現(xiàn)場試驗應(yīng)用

將本文研發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)在某抽水蓄能電站發(fā)電電動機上進行了應(yīng)用試驗，監(jiān)測效果良好。紅外熱像儀的監(jiān)測工作界面如圖2所示，電機轉(zhuǎn)子端部高清圖像如圖3所示。

圖2 紅外熱像儀的監(jiān)測工作界面

圖3 電機轉(zhuǎn)子端部高清圖像

4 結(jié)論

本文論述了一種用于監(jiān)測高速旋轉(zhuǎn)的抽水蓄能電站發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子端部運行狀態(tài)的系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過紅外熱像儀與高清工業(yè)照相機在線獲取電機轉(zhuǎn)子端部關(guān)鍵部件在高速旋轉(zhuǎn)過程中的運行溫度與高清圖像，利用智能自動化測控技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件，可以實現(xiàn)對抽水蓄能機組電機轉(zhuǎn)子端部關(guān)鍵部件機械故障與缺陷的早期預(yù)警與監(jiān)測。電站現(xiàn)場運行試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，非接觸測量，對電機運行不會帶來任何安全隱患，溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，圖像清晰，對發(fā)現(xiàn)早期的機械故障具有明顯作用，對保障電機的運行安全具有重要作用。