國內水電機組狀態監測和故障診斷技術現狀

劉 娟，潘羅平，桂中華，周 葉

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 引言

水電機組是水電廠的關鍵設備，運行狀態的好壞直接影響水電廠的安全運行。同時，隨著水輪發電機組單機容量的不斷增大，對機組的檢修、維護、運行、管理提出了更高的要求，實施水輪發電機組運行狀況的狀態監測，對機組故障進行及時預測預報、分析原因，對于大中型水輪發電機組的安全運行具有重要的意義。另一方面，隨著現代監測技術和管理模式的不斷發展和完善，電廠的設備維修方式正在逐漸從過去的以時間為基礎的定期“預防性維修”向今天的以狀態監測為基礎的“預測性維修”方式過渡，正逐漸向著無人值班，少人值守的管理模式發展[1,2]。實施水電機組的狀態監測和故障診斷，在此基礎上對水電機組實施“狀態檢修”已成為水電機組運行保障技術發展的必然趨勢。

三峽總公司為適應現代化電廠運行管理、檢修技術發展的趨勢，同時也為滿足流域、梯級開發的發展需求，計劃建立一個具有國際領先水平的、全面的、可擴展性的大型水電機組遠程監測和故障診斷中心，為實現電廠的狀態檢修策略提供科學、全面、及時的技術支持和依據。為此，針對國內大中型水電廠（三峽電廠、葛洲壩電廠、二灘電廠、廣蓄電廠等）水電機組狀態監測、故障診斷和狀態檢修技術的應用現狀，開展了廣泛、系統的文獻調研和實地考察。本文以此次文獻調研和實地考察結果為主要依據，對我國水電機組的狀態監測、故障診斷技術的應用現狀和發展前景進行了全面分析和總結，以便為我國電廠狀態檢修工作的全面實施提供有力的技術支持和理論依據。

2 國內水電機組狀態監測和故障診斷技術現狀

現代機械設備監測與診斷技術的研究，起源于二十世紀60年代，由航天、軍事工業的需要而發展起來的，二十世紀70、80年代逐步完善并開始應用，到了二十世紀90年代，狀態監測技術在石油、化工、交通、電力、冶金、航空、核工業、能源等領域逐步跨入了實用化時代。近十幾年來，國內外已有大量的生產廠家和研究機構針對水電機組的狀態監測技術開展了相關研究，并開發了相應的產品成功應用于電廠。從已開發和應用的水電機組狀態監測系統來看，普遍具有較好的分析功能，但很多還沒有診斷功能，且監測對象大都僅局限于機組某方面的或某部分，沒有一個是針對機組的全狀態監測，更沒有形成多個區域多臺機組的監測診斷的網絡系統出現。建廠時間越晚的一些現代化、大型電廠，如三峽電廠、葛洲壩電廠等，其機組設備狀態監測系統更為全面、應用效率更高、管理也更為科學；但是大多數早期建立的電廠，在設備狀態監測產品的應用和管理方面還存在很大完善空間。總體而言，國內水電機組狀態監測與故障診斷技術的研究及應用狀況存在以下幾個特點：

(1)監測系統產品的研制取得了一定的進展，從過去的單一的振動、擺度監測發展到現在振動、擺度、壓力、溫度、氣隙與磁場強度、局放、油氣等多種項目的監測。

(2)水輪發電機組穩定性(包括振動、擺度和壓力脈動)監測技術基本成熟；已能對氣隙、局放、油氣等進行初步監測，但監測技術還有待進一步完善。例如，如何降低局放監測中的噪聲干擾；水輪發電機組低頻振動、空化空蝕、關鍵部件應力與裂紋、發電機轉子繞組溫度在線監測等還是國內外尚未解決的技術難題。

(3)專家系統技術和神經網絡技術是水輪發電機組故障診斷技術研究的熱點，但多年停留在方法的匯合、算法的改進上，始終未能成功地給出工程性的實用產品。相對來說專家系統技術的應用較神經網絡技術要好，有一些初級不太成熟的故障診斷專家系統投入了試用。

(4)國內目前還沒有出現一個多區域多機組的監測、診斷、管理、維修一體化的網絡系統。現有水電機組監測系統的分析功能還不夠強大；個別采用專家系統技術提供了初級故障診斷功能，但缺乏來自故障機理的深層次的理論和技術支持，且缺少大量寶貴的現場實際診斷經驗，與工程實際應用存在較大差距；狀態檢修功能幾近空白。

2.1 水輪機系統的狀態監測技術現狀

為保證電廠的高效和安全運行，電廠主要應從兩個方面對水輪機系統相關物理量和參數展開狀態監測：(1)水輪機穩定性方面：主要包括主軸擺度，機組結構振動、水壓力脈動的狀態監測。(2)水輪機狀態方面：包括水輪機能量效率、水輪機空化與泥沙磨損狀態、水輪機主要部件的應力與裂紋的狀態監測。

穩定性監測：目前，水輪機穩定性的在線監測技術相對比較成熟，主要應用的傳感器有位移傳感器、低頻振動傳感器、壓力傳感器等，所用傳感器都可以在后續安裝。其中擺度監測產品的開發和應用相對成熟；低頻振動監測技術方面，由于傳統慣性式低頻振動傳感器其輸出信號信噪比低的固有缺陷，低頻振動測量在負荷變化時還存在測不準的問題；測量壓力脈動通常采用壓力傳感器，要求所選用的壓力傳感器具有良好的動態特性。但目前壓力傳感器的安裝存在較大的問題，通常經過很長的取壓管路后安裝，使壓力脈動有所衰減或管路共振，給測量帶來較大的誤差。

應用比較廣泛、成熟的穩定性監測系統主要有華科同安TN8000、華水機HJS系統、Vibro-Meter?VM600振動監測系統、創為實S8000監測系統、以及一些國外機組自帶（瑞士Vibro-Meter系統）的監測系統等。

水輪機狀態監測：能量效率監測已有研究，主要對機組過流量、工作水頭、有功功率、接力器行程、無功功率、蝸殼進出口斷面壓力等參數進行采集測量，除流量外，其他參數在大中型水電廠已實現了自動監測采集，數據具有較高的精確度。主要傳感器有功率變送器、差壓傳感器、轉速傳感器等。國內水電廠的效率監測已初步實現，但需要在實用性和精確性上做進一步的開發和完善。近年來，超聲波測流技術在水輪機流量的監測方面已有應用，但在測量精度和穩定性方面有待提高，應加強流量在線監測方法和技術的研究。

目前水輪機空化、泥沙磨損、水輪機主要部件的應力與裂紋監測技術尚屬空白，有待進一步研究?？栈瘴g振動屬于高頻振動，振動源不好判斷，位置不好確定。同時沒有特別明顯的頻段能夠決定是否存在空化及其嚴重程度；由于水輪機結構的問題，空化監測設備裝置的安裝固定也非常困難，目前國內空化監測的研究還不多，也沒有比較成熟的產品可以直接加以利用。需要從空化監測方法和監測傳感器選擇及布置等方面對空化監測進行研究。近年來，葛洲壩電站利用超聲波和加速度傳感器對空化監測進行了試探性地研究，積累了一些數據，但目前技術不太成熟，監測數據參考價值不大。由于受到監測手段和監測方法的限制，國內外對水輪機關鍵部件疲勞裂紋的監測，還停留在根據機組異常振動停機觀察的隨機察看階段，還沒有相對比較完善的監測技術。因此，分析水輪機關鍵部位裂紋產生原因和特征信號表征，并對易產生裂紋部位的應力進行在線監測，及時處理轉輪缺陷、消除事故隱患，也是下一步需要進行研究的技術難點之一。

2.2 發電機系統的狀態監測技術現狀

發電機系統主要監測項目包括：發電機定子振動、發電機定子線棒振動、發電機空氣氣隙與磁場強度、絕緣與局部放電參數、定子線棒溫度、定子鐵芯溫度、轉子磁極溫度、轉子線棒溫度。

發電機定子振動和定子線棒振動監測與水輪機穩定性監測同屬主機穩定性監測項目，相關物理參數和信號的監測手段和方法相同，監測技術相對比較成熟。

發電機空氣氣隙與磁場強度、絕緣與局部放電參數的監測國內外已有研究，相關監測產品在我國水電機組中也有所應用。我國一般都是在機組安裝調整過程中，用塞尺對氣隙作定點靜態測量，而對運行中發電機的氣隙監測還很少，三峽（加拿大VibroSystM系統）、葛洲壩（HOMIS監測系統集成）、巖灘等少數幾個電站配置了氣隙監測裝置，目前國內在氣隙監測技術及應用方面還相對落后，如何根據氣隙監測數據進行氣隙偏心診斷，判定問題磁極位置，發現發電機潛在故障，還需要進行更深層次地研究。

局部放電的測量通常選用一個窄頻帶裝置測量放電頻率，其范圍在幾千赫茲至幾兆赫茲之間，如絕緣有空隙或裂紋，則放電電壓脈動幅值較大、頻率較高。目前采用的傳感器主要有電容傳感器、電流傳感器，及定子槽藕合器等。發電機內部局部放電信號通過兩條途徑傳播到發電機外：①發電機出線；② 發電機繞組中性點接地線。從這兩條途徑檢測到的局部放電信號都受到外部電磁干擾的影響，如何消除外部的電磁干擾，這是當前發電機局部放電在線監測面臨的一大難題[3]。如安裝在廣蓄電廠的IRIS局放監測設備，就在應用中發現了一些問題，核心問題是不能確定測到的信號是否為局放信號，如果局放監測中抗干擾問題不能得到解決，局放監測就不能取得很好的效果，監測到的結果就只能作為檢修工作中的參考，而不能作為依據。三峽部分機組上安裝了瑞士 PDTech公司MICAMAXXTM Plus局放在線監測設備，對定子線圈的局放進行了在線的實時監測。應用過程中發現該系統采用傳統的泄漏電流的監測，并通過經驗豐富的專業技術人員對采集的波形型態進行分析，才能確定設備局放的狀態，系統分析功能較弱，對分析人員的經驗要求較高。如何提高水輪發電機組局放監測的抗干擾能力，以及從大量局放監測信號中正確識別、分離局放信號、定位局放信號是一個急需解決的技術難題，需要進行深入地研究。從目前應用情況看，局放監測信號的抗干擾和信噪分離等相關技術還需進一步研究。

定子線棒溫度、定子鐵芯溫度的在線監測多已預埋傳感器，可接監控系統信號。發電機轉子溫度監測，一種方法是采用埋入測溫電阻，則需裝設很多小碳刷將信號引出，給發電機運行帶來隱患，且工藝上實現也很困難；另一種方法是利用勵磁電流和勵磁電壓的關系求出轉子線圈電阻，計算轉子溫度。但這種間接方法所獲得的是線圈的平均溫度，而且由于運行表盤的表計及其附件的精度等級較低，表盤刻度單位較大，結果誤差也較大。這些方法各有優缺點，但都很難做到多點同時監測，抗干擾能力較差。目前，監測大型發電機轉子溫度的直接測試手段尚在研究之中，國外曾報道過利用熒光體的光學特性測量發電機轉子溫度的研究報告，該方法的困難之處是難以找到合適的熒光物質[4]。

2.3 軸承系統的狀態監測技術現狀

隨著我國水電事業的發展，大型機組的投產，各種容量機組數量增多，軸承運行狀態及故障，特別是推力軸承的運行故障，對水電機組的安全穩定性運行影響越來越大。我國近年建成投運的大型水電廠的大型水電機組都曾發生過推力軸承瓦面溫度升高，瓦面磨損的故障現象（含彈性金屬塑料瓦），直接影響到機組的可靠運行[5]。

軸承系統的狀態監測對象主要包括：推力軸承、上導軸承、下導軸承、水導的軸承瓦溫、油槽油溫、冷卻水量、進出口水溫、推力負荷、油位、油混水等。上述大部分監測量可從監控系統中獲取，相應傳感器已安裝，其中推力軸承運行特性的狀態監測中尚有部分監測量需做進一步地研究。

根據推力軸承運行特性及故障特征，通常測量的參數為：推力軸承潤滑參數，即軸瓦的油膜厚度，油膜壓力，油膜溫度（瓦溫）和瓦體溫度（油溫）；當推力軸承為水冷瓦結構時，還需測量水冷瓦的能量特性；具有高壓油頂起裝置的軸瓦還需增測軸瓦油室壓力和摩擦系數。如此多的監測參數，測點數量相當多，其測點布置是相當繁雜的。現在應用的主要有以下三種方法：

油膜厚度（位移傳感器）的測量方法，如光干涉法、電渦流法及電容法等。

油膜壓力（壓力傳感器）測量方法，為了保證測量數據的精度，消除溫度對壓力傳感器輸出的影響，要對每只傳感器都做溫漂曲線，在工作溫度條件下進行標定根據各測點的溫度逐一修正。另外測量一塊瓦的壓力分布，傳感器安裝在瓦上，所用的傳感器數量不少于9 只。這種安裝方法對于巴氏合金瓦推力軸承沒有問題，而對于彈性金屬塑料瓦推力軸承，要考慮測壓孔的橫向泄漏問題。測量一套瓦的壓力分布，傳感器安裝在鏡板上，呈徑向分布，傳感器數量3～5只，但測試技術較復雜。

溫度（溫度傳感器）測量方法，測量瓦和鏡板溫度的傳感器采用靈敏度高的半導體溫度傳感器，也可以采用熱敏電阻，熱電偶或熱電阻。每個傳感器都要標定，以保證測量結果的精度。測量一塊瓦的瓦面溫度分布，傳感器安裝在瓦上，所用的傳感器數量不少于16 只。

每種測量方法都各有優缺點，但都存在精度不高、傳感器數量要求較多、測試技術不夠直接簡便的問題；另外溫度傳感器體積較大，與瓦體接觸不良，熱響應速度慢，又僅憑經驗選擇埋設位置，測量瓦體溫度誤差較大，很難推斷出軸瓦表面的準確溫度值，常引起燒瓦事故。

2.4 輔機系統的狀態監測技術現狀

輔機系統的狀態監測對象主要包括發電機冷卻系統、調速系統、勵磁系統、主變壓器、GIS等輔助系統。

主要測點有空冷機組的風溫、水溫、水量；水冷機組風溫、冷卻器水溫、冷卻器水量、純水系統水溫、純水系統進出口水量（線棒漏水量）、純水泵故障；調速器報警、調速器正常；勵磁電壓、勵磁電流；主變主油箱油溫、主變冷卻水量、水溫、進出口水壓、主變冷卻器故障；GIS的A相氣隔SF6密度異常、B相氣隔SF6密度異常、C相氣隔SF6密度異常、斷路器氣隔SF6密度過低以及主軸密封水流量等。這些參數可以從監控系統中取得。

電力變壓器的內部故障主要有過熱性故障、放電性故障及絕緣受潮等多種類型，通過對變壓器油中氣體的色譜分析，是發現變壓器內部的某些潛伏性故障及其發展程度的早期診斷最有效的方法。主變色譜在線監測系統就是通過在線監測變壓器等油浸式高壓設備油中溶解的故障特征氣體的含量及其增長率，并通過故障診斷專家系統早期預報設備故障隱患信息，避免設備事故，減少重大損失，提高設備運行的可靠性。

國內采用的主變油色譜在線監測系統產品主要有Serveron公司的TM8系統（三峽電廠）、三菱絕緣油含氣量在線監測儀C-TCG-6C（二灘）、美國GE的HYDRAN 201R油氣監測系統（廣蓄）。這些監測系統的核心是氣相色譜儀，可以檢測甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、油溫、油中水分等。具備一定的組網和WEB發布功能，能夠較好地反映含氣量的變化趨勢，但在線測量與離線測量比較，存在較大偏差。如何提高油色譜監測設備的精度，將是未來推行油氣在線監測的關鍵。

2.5 水電機組故障診斷技術現狀

國內在故障診斷技術方面的研究起步較晚，二十世紀70年代末開始研究和嘗試應用診斷技術，二十世紀90年代開始進行智能化故障診斷的研究工作，研究方法集中在模糊邏輯法、故障樹分析法、專家系統技術、人工神經網絡技術等，其中專家系統技術和神經網絡技術是應用的熱點。許多監測診斷系統也開始投入使用，但大都集中在汽輪機以及其他旋轉機械設備的監測與故障診斷，針對水電機組的應用很少。這主要由于水電機組轉速低，對機組的安全運行沒有給予足夠的重視，使得水電機組在線監測和故障診斷技術的研究落后于其他（大型）旋轉機械。

近年來，國內在水電機組故障診斷領域的研究取得了一些進展[6,7]，但主要還處于理論研究階段，還沒有成功應用的工程系統，國內現已配備的智能診斷系統應用的效果并不理想，其中較好的具有可靠的數據存儲管理和分析功能，絕大多數沒有到達在線自動診斷的功能目標，不能向運行人員和生產管理人員提供有效的診斷結果。遠不能滿足水電廠狀態檢修的實際需要，其主要原因如下：

（1）缺乏來自故障機理的深層次的理論和技術支持；

水力機械的振動故障復雜，除了考慮機械方面的原因外，尚需考慮流體、動壓力以及發電機電磁力的影響，且某些故障機理及特征表現形式還沒有很好地被研究透徹，如泥沙磨損與空化等，增加了故障診斷的難度。

（2）缺乏將大量寶貴的現場實際診斷經驗有效地融入診斷的推理系統；

故障診斷是一實踐性極強的技術，研究人員必須結合從事現場實際診斷工程技術人員以及具有豐富領域知識的專家來建立盡可能接近實際的規則，并將推理機制與實際診斷思維方法、診斷信息相結合，才能建立接近人工診斷的推理系統機制。但多數研究人員缺乏對現場實際診斷過程和特點的了解。

（3）人工智能與專家系統知識獲取和應用上還存在一定的問題；

人工智能與專家系統在工程應用方面還未達到人們期望的水平，其中問題的癥結仍是知識獲取和知識應用問題，即如何很好地結合領域知識、如何推理以及如何提高自學習能力，因此，應加強專家系統的實現方法和規則研究。

3 國內水電機組檢修現狀及發展

當代世界各國水電站實行的設備預防性維修制度，主要有兩大體系：一是以原蘇聯為代表的、以周期結構和修理系數等整套定額標準為主要支持的計劃預修制度；二是以歐、美國家為代表的、以日常監測和定期檢查為基礎的預測性的維修體制。

我國水電廠設備維修是設備綜合管理的基礎。我國水電廠是在引用原蘇聯水電廠的維修制度的基礎上，建立并形成了具有中國特點的定期保養和修理制度，并不斷修改補充，到2002年《SD230-87發電廠檢修規程》仍是我國各水電廠設備維修的基本法規。該檢修規程仍以"預防為主、計劃檢修"和"到期必修，修必修好"為主要方針，是定期預防維修的規程，其體系仍然屬于蘇式的設備計劃預修制度。我國水電廠現有的擴大性大修、大修、小修、臨檢等定期維護形式，是沿用原蘇聯計劃性維修的經驗總結。

基于國內外設備診斷技術的迅速發展，到二十世紀90年代初，以水輪發電機組振動監測和分析為主的系統（含離線或在線監測）在水電廠中開始實施應用，對運行機組的穩定性監測和故障分析發揮了較好作用。其中葛洲壩、二灘、三門峽等電站在實施機組部分系統狀態檢修中的探索和初試，為我國水電站實施真正意義上的狀態檢修開辟了良好的開端[8-10]。

我國水電廠實施狀態檢修，將計劃檢修逐步過度到預測維修制度，經過近20年的研究和實踐，隨著水電廠"無人值班（少人值守）"工作深入，水電廠運行管理和設備管理，積累了豐富的經驗，有了很大的提高，在利用計算機、監測診斷技術、研制開發水電機組狀態監測及故障診斷系統方面取得較好的成績，為狀態檢修奠定了良好的基礎。但是應該看到，由于水電廠狀態檢修起步較晚，真正實施狀態檢修還有一定的距離。

4 總結

目前，幾乎國內所有的大中型電廠都對其水電機組的水輪機、發電機、軸承及輔機系統的設備性能實施了全面或部分的在線監測，但一些監測系統的可靠性和準確度還有待提高；由于受傳感技術、監測儀器等技術發展的限制，一些諸如低頻振動、空化空蝕和轉子溫度的在線監測等技術還沒有實現；由于缺乏一套行之有效的故障推理機理和故障案例庫，機組的故障診斷基本還停留在人工診斷階段；在檢修策略上，所有電廠還停留在從“計劃檢修”模式向“狀態檢修”過渡的階段，沒有實現真正意義上的狀態檢修。

[1]李成家, 李幼木. 正確認識水電機組的狀態檢修[J]. 水電站機電技術, 2001, (2): 34-35.

[2]劉曉亭，劉昱. 水電機組狀態檢修的實施及關鍵技術[J]. 水力發電, 2004,30(4): 41-44.

[3]張毅剛，郁惟鏞, 等. 發電機局部放電在線監測研究的現狀與展望[J]. 水力發電, 2002, 28(12):32-35.

[4]岳優蘭. 發電機轉子溫度的光電測量[J]. 武漢大學學報（工學版）, 2001,34(5): 59-63.

[5]曹麗英. 水輪發電機組主要技術的實踐與應用[J].甘肅水利水電技術, 2005, 41(1): 66-69.

[6]陳林剛, 韓鳳琴, 等. 基于神經網絡的水電機組智能故障診斷系統[J]. 電網技術, 2006, 30(1):40-45.

[7]陳衛剛, 周建中, 等. 基于專家系統的水電機組振動故障診斷研究[J]. 華中科技大學學報（自然科學版）, 2002, 30(6): 102-104.

[8]付芳芳，楊建良. 三門峽電廠狀態檢修的探索和實踐，http://www.863p.com/shuili/Riverslzl/200612/2723 7.html

[9]胡濱. 從葛洲壩電廠檢修實踐談未來的狀態檢修，http://www.66view.com/lunwen/11/76/39252.html

[10]黃中良. 二灘水電廠水輪發電機組狀態檢修初探[J]. 廣西電力技術, 1999, 22(3): 12-15.