淺析尼爾基發電廠機組狀態監測系統

寇立國，吳希華，姚 遠

（1.松遼水利委員會水文局，吉林 長春130021；2.松遼水利委員，吉林 長春130021；3.嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 116000）

1 樞紐概述

尼爾基水利樞紐具有防洪、工農業供水、發電、航運、環境保護、魚葦養殖等綜合效益，是嫩江流域水資源開發利用、防治水旱災害的控制性工程，也是實現“北水南調”的重要水源工程。尼爾基水利樞紐水庫總庫容86.11億m3。尼爾基發電廠采用河床式電站廠房，廠內裝有4臺水輪發電機組，單機容量62.5MW，總裝機容量250MW；發電廠水輪發電機組由哈爾濱電機廠生產，水輪機為軸流轉槳式，立軸布置。發電機為立軸半傘式密閉自循環空氣冷卻三相凸極同步發電機。額定容量62.5MW，額定電壓13.8kV，額定電流2988A，額定轉速107.1r/min，額定頻率50Hz。

2 機組狀態監測系統構成

尼爾基發電廠采用的是目前國內較為先進的TN8000系統，是由北京華科同安公司自主研發。該系統充分利用目前國內最先進的技術建立系統平臺，通過對水輪機組的運行穩定性在線監測，同時聯合計算機監控系統的監測信息，針對尼爾基發電廠現場機組實際運行參數建立功能完備的監測分析診斷系統，提供報警、預警、狀態分析、性能評價、故障診斷等一系列工具和手段，并可以方便地形成機組穩定性性能曲線、水力參數性能曲線、過渡過程性能曲線，為用戶了解機組的運行性能，及時發現缺陷和故障，狀態檢修提供系統的、直接的技術數據和報告。為機組的安全運行、優化調度和檢修指導提供有力的技術支持。系統由傳感器、數據采集站、上位機設備等組成。

按照現場測點分布情況，該系統可分為空氣間隙狀態監測系統、局部放電監測系統、振動擺度監測系統、壓力脈動監測系統。

2.1 空氣間隙狀態監測系統

該系統由安裝在發電機定子內壁的4個LS121空氣間隙傳感器（分別位于±X、±Y方向）和ILS731信號調理器組成，用于實時監測最小氣隙、最大氣隙、平均氣隙及其發生的準確角度和磁極號，給出轉子中心和定子中心的偏移量，并模擬磁極周向形貌，真實地描述發電機結構情況，以及在機械和電氣影響下的運動情況。通過氣隙變化趨勢以及定子熱變形和磁極結構的蠕變等數據分析，可以及時發現和鑒別異常情況，并根據監測結果分析定子圓度蠕變、磁拉力不平衡、定子合縫與定子鐵心松動等故障。

傳感器安裝在定子的內壁上，周向均勻分布，信號調理器輸出信號供TN8000數據采集箱，由TN8000系統實現數據的采集、處理、分析和故障診斷。

2.2 局部放電監測系統

局部放電是發生在高壓定子繞組絕緣中的小電火花。通常情況下，質量良好的定子繞組在良好的工作條件下僅有少量的局部放電發生。然而，由于繞組振動和工作在高溫環境下、或者由于油污、潮濕和化學物質的作用，隨著定子繞組絕緣的不斷惡化，局部放電將呈10倍或10倍以上的速率增長。因此，在線局放監測系統可以發現繞組絕緣故障的主要根源。采用在發電機正常運行的情況下進行局部放電監測，通常會給出提前兩年或兩年以上的故障風險預報。

根據尼爾基電廠實際情況，采用PAD監測法進行監測。該方法由加拿大Ontaio Hydro公司于20世紀70年代首先提出，主要用于在線監測水輪發電機組內部的局部放電。主要利用繞組內放電信號和外部噪聲信號在繞組中傳播時具有不同特點來抑制噪聲，提取放電信號。該監測法在國外水輪發電機組的在線監測中已被大量采用。尼爾基電廠成為國內少數采用該監測法的電廠之一。

尼爾基發電廠每臺機組配置6個傳感器，采用IRIS公司PDA電容耦合器，該耦合器可以探測定子線圈的局部放電信號,并能將無用的噪音濾掉。耦合器通常與定子線棒的環狀匯流排跨接線相連。

2.3 振動擺度監測系統

振動是水輪發電機組較為常見的問題，在機組各部位均易發生，各種類型的水輪發電機組在運行中都存在著不同程度的振動。強烈的振動將影響電網的安全和穩定，因而振動成為評價機組運行狀態的重要指標，振動擺度也是機組穩定性的直接信號和判斷依據之一。

針對尼爾基發電廠實際情況，TN8000數據采集箱對機組的振動、擺度以及相關的過程量參數進行實時、并行、整周期采樣，并進行相應的處理、計算和特征提取，在數據采集站液晶顯示器、工程師站顯示器以及網絡所聯的有關工作終端上以結構示意圖、棒圖、數據表格、曲線等形式實時動態以位移形式（mm或μm）顯示所監測的數據和狀態。

根據尼爾基發電廠機組的特性，每臺水輪發電機組在不同的位置設置測點，并針對狀態監測系統的需要，機組上還配置了一個鍵相傳感器對所有信號進行同步。在導軸承部分的測點以及鍵相傳感器均采用IN-081一體化渦流傳感器，該傳感器利用電渦流原理測量轉子表面相對于傳感器頭部距離的變化，由探頭、延伸電纜、前置器等三部分組成，特別適合于測量轉軸的振動；上機架、下機架、頂蓋部分的測點采用MLS-9振動傳感器，其中水平向MLS-9H有6個，垂直向MLS-9V有4個。該傳感器具有工作頻率低、長期運行可靠、互換性好的特點。

2.4 壓力脈動監測系統

壓力脈動是水輪機最普遍的不穩定因素，是導致水電機組振動的主要原因之一，流場的壓力脈動周期性地作用在流道壁面上和轉輪上，引起結構和部件的振動。壓力脈動過大時會引起水輪機和廠房結構振動、葉片裂紋和斷裂、機組運行不穩定和軸承損壞，當壓力為負壓時，可能造成空化和空蝕，伴隨較強烈的噪音。

壓力脈動的測量采用壓力變送器。當機組壓力脈動出現異常時，壓力脈動監測系統通過壓力脈動的變化趨勢、壓力脈動的頻譜特征和壓力脈動隨工況變化的特征，自動判斷引起壓力脈動異常的可能原因，并結合振動擺度監測系統對該原因進行深入分析。通過一定時間的數據積累，該系統自動統計各個工況下的壓力脈動參數，逐步得到機組運行的壓力脈動良好工況區域，明確危險或不良工況區，從而指導機組盡可能避開壓力脈動危險工況區運行。

根據尼爾基發電廠實際情況，每臺機組安裝5臺壓力變送器，分別用于測量蝸殼進口壓力脈動、尾水管進口壓力脈動和活動導葉前后壓力脈動。采用PR—21S/81400壓力傳感器。

3 結語

（1）該系統在尼爾基發電廠安全運行近3年，各項指標符合設計要求,提供數據真實、準確，為尼爾基發電廠機組正常運行提供了保障。

（2）尼爾基發電廠技術人員經過深入研究，根據現場實際在原系統的基礎上加以改進，添加了輔助生產的機組各部溫度巡檢系統，該系統的應用為運行人員監視機組狀態提供了更為直觀的參考依據。