亭子口水利樞紐發電機空氣間隙監測技術及應用

羅安全

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

0 概 述

亭子口電站水輪發電機為傘式結構，型號為SF275-60/1390，額定功率為275 MW，磁極數為60，設計空氣間隙為27.5 mm，轉速為100 r/min。定子鐵芯高1860 mm，直徑14700 mm。空氣間隙監測分析系統采用TN8000AGMS，由北京華科同安監控技術有限公司提供。此系統既可以作為一個獨立的系統運行，也可以作為機組狀態監測與故障診斷系統的一個子系統運行，可實時同步采集各氣隙傳感器信號，并進行分析與處理，提供各種專業的分析手段和實時數據分析。

1 系統組成

TN8000AGMS水輪發電機空氣間隙在線監測分析系統由空氣間隙傳感器、前置器、智能數據采集箱和分析軟件組成，該系統可通過以態網與電廠狀態監測和故障診斷系統實現集成。傳感器的信號通過多芯屏蔽電纜連接到TN8000AGMS系統的空氣間隙輸入接線端，再通過專用電纜傳送到空氣間隙采集模塊，由采集模塊進行預處理和采集，轉換成數字信號，再通過總線傳送到系統板，然后進行大量的在線信號處理和加工，得到反映發電機運行狀態的各種數據。智能數據采集箱一方面根據狀態參數進行故障預警和報警，另一方面可將數據通過網絡傳送給狀態監測故障診斷系統，供網絡客戶對發電機狀態做監測分析和診斷。亭子口發電機氣隙一級報警值設置為23.5 mm，二級報警值設置為21.5 mm。

亭子口定子氣隙傳感器共配置8個測點，測點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，4個象限45°角上共分布4個。為了監測對應的磁極位置，空氣間隙監測系統還配置一個同步鍵相測點，傳感器安裝在水輪機室內+Y方向，轉動軸上的靶片與轉子1號磁極對應粘貼固定。氣隙傳感器通常由平板電容傳感器，專用電纜和信號調理器 （前置器）組成，亭子口電站采用的氣隙傳感器運用氣隙靜電電容測量技術，通過測量無源傳感器和磁極之間的調他電容電流獲得。傳感器是一塊電容器極板，被粘貼在定子內腔上，另一極板就是轉動的磁極，電容介質是轉子和定子間的氣隙。當傳感器受到高頻率恒壓電流的激發時，可通過監測氣隙中的電容電流來觀察氣隙電容的調制。它對發電機磁場具有抗干擾性，不受油、灰塵和通風條件的影響。調制電流信號與氣隙大小成反比例。通過電子信號處理，將調制電流轉換成標準4～20 mA輸出，該輸出響應與氣隙成比例。通過其他幾個傳感器的采樣數據，就可以用電子儀器計算轉子和定子的圓度及實際中心位置。

2 空氣間隙測量數值的影響因素

2.1 大軸擺度影響

在氣隙傳感器測量得到的氣隙數值中，除了定轉子間自身的氣隙外，還會受到大軸擺度的影響。因此實際測到的轉子圓度包含了真正的轉子圓度外，還包含了轉子部位的大軸擺度。大軸擺度的影響可通過結合穩定性監測系統獲取的擺度波形值及相應的算法，獲得去除大軸擺度影響外的真實的轉子磁極形貌。對各導軸瓦的間隙有很好的監測作用。

2.2 離心力影響

在不同轉速下，由于轉速不同導致轉子的離心力不同。隨著轉速的爬升，離心力不斷增大，轉子就會膨脹，將導致各傳感器測得的氣隙減?。浑S著導葉逐漸關閉，轉速開始下降，轉子持續收縮，氣隙就會逐漸增大。因此通過分析開停機過程或甩負荷/過速過程的氣隙變化規律，可以掌握離心力對氣隙的影響以及各磁極的機械特性。對發電機轉動部分磁軛及機架的剛性和磁極的抗力有很好作用。

2.3 磁拉力影響

在機組變勵磁的過程中，由于磁拉力影響，定子鐵芯向內收縮，而轉子磁極則向外膨脹，導致定轉子間氣隙迅速減小，當突然去掉勵磁后，定轉子間氣隙則會增大。因此通過分析變勵磁過程的氣隙變化規律，可以掌握磁拉力對氣隙的影響。

2.4 熱膨脹影響

在機組冷態啟機時，隨著定子溫度的升高，定子由于熱膨脹而向外擴展，從而導致定轉子間氣隙發生變化。如定子相對熱膨脹過大或不同部位相對熱膨脹不均勻，將會導致氣隙不均勻，從而產生較大的磁拉力不平衡，影響機組正常運行。通過監測機組熱穩定過程各氣隙傳感器測量得到的平均氣隙的變化趨勢，可實時掌握定子的相對熱膨脹狀態。

2.5 定轉子結構影響

由于制造、安裝或設計問題，導致在正常運行過程中定轉子結構發生變化，如磁極伸長、定子基礎移動、定子上部變形、轉子磁軛松動等都會導致氣隙發生異常變化。通過比較相同工況下氣隙的長期變化規律，可以及時發現定轉子結構故障。

3 空氣間隙監測技術應用分析

3.1 過速試驗過程中氣隙特性變化分析

亭子口4號機組在啟動試驗過程中進行了115%過速試驗，最高過速為150%，從TN8000氣隙監測分析系統中可以看出過速前后轉子磁極形貌比較及過速后各磁極氣隙值減去過速前氣隙值后的氣隙變化，在機組過速過程中，隨著轉速開始爬升，由于離心力不斷增大，轉子開始膨脹，導致各傳感器測量得到的氣隙急劇減??；隨著導葉逐漸關閉，轉速開始減小，轉子持續收縮，氣隙才逐漸增大。通過比較過速前后相同的穩定工況下各氣隙特性參數發現，過速試驗導致轉子磁極形貌發生了變化，定轉子間氣隙明顯減小。過速后各磁極氣隙均有所減小，特別是41號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，轉子磁極形貌發生了一些變化。

3.2 甩負荷過程中氣隙特性變化分析

圖1 四號機組甩75%負荷前后的氣隙數據

4號機組在啟動試驗過程中進行了甩220 MW負荷試驗，甩負荷過程為75%。圖1記錄了轉速和所有氣隙傳感器平均氣隙快速變化趨勢。

從圖1可以看到，在甩負荷過程中，同樣由于作用于轉子磁軛和磁極的離心力影響，導致轉子膨脹，定轉子間氣隙減小，在最高轉速下定轉子間氣隙減小了0.1 mm。但通過比較甩負荷前后穩定工況的氣隙數據，發現轉子磁極形貌和氣隙基本沒有變化。說明甩負荷試驗對發電機氣隙特性基本沒有造成影響，轉子機械強度和磁軛狀態良好。

圖2 四號機組開機前后的氣隙數據

圖3 4號機組加勵磁前后的氣隙數據

3.3 開停機過程中氣隙特性變化規律

在機組開停機過程中，由于作用于轉子磁軛和磁極的離心力的影響，也會導致轉子膨脹，定轉子間氣隙將發生變化，在開機過程中氣隙逐漸減小，而在停機過程中氣隙則會逐漸增大。開機過程中轉子磁極氣隙的變化幅度與轉子結構設計有關。如圖2所示。

圖2a為開機前各通道平均氣隙的數據，圖2b為額定轉速100%時轉子氣隙數據變化，從中可以看出，停機過程中各磁極氣隙均有明顯增大，隨著轉速的升高氣隙有所減小。

3.4 變勵磁過程中對氣隙特性的影響

在機組運行突然施加勵磁電流時，由于磁拉力影響，定子鐵芯向內收縮，轉子磁極向外膨脹，導致定轉子間氣隙迅速減小，突然去掉勵磁后，定轉子間氣隙則會增大。若在此過程中某通道氣隙變化過大，則可能表明定子鐵芯存在松動移位故障。圖3為機組加勵瞬間各通道氣隙變化數據。

可以看出機組逐漸加勵磁至100%Un并穩定運行一段時間后突然去勵過程。從上述數據可以看出，加勵磁瞬間各通道氣隙有所變化，但隨著勵磁穩定后，氣隙又慢慢恢復穩定狀態，加勵磁后各氣隙數值更加穩定，甚至有所減小，上述數據說明定子強度良好。通過以上數據的分析，可以羅列出影響發電機氣隙變化最大的前10個磁極，對個別磁極的安全性進行科學評價，然后在檢修過程中，有針對性重點對個別磁極及定子不同方位基礎進行檢查維修。

4 結語

采用發電機空氣間隙監測技術，不但對能夠清楚了解發電機安裝質量，對發電機長期運行過程中定轉子的狀態也可以在線進行分析和監測。對發電機的安全穩定高效運行提供了準確詳實的數據，為發電機檢修工作提供了準確的判斷依據，對可能出現的重大事故可以提前進行預警和分析，消除了機組出現轉子磁極松動掃膛、定子位移、軸瓦偏移等重大設備事故。為電站安全高效穩定運行提供了有力的技術保障，值得發電企業進行推廣和重視。

［1］張潤時，賀建華，鄭松遠.發電機空氣間隙在線監測技術在三峽右岸電站的應用［J］.水電站機電技術，2008，31（06）: 11-17.

［2］孫偉，鄭宇.TN8000水電機組狀態監測分析故障診斷系統在大唐彭水電廠的應用［J］.華中電力，2012，25（02）: 20-25.