水電機組狀態監測技術及發展趨勢解析

【摘要】開展狀態監測與故障診斷技術是有效避免設備事故發生，延長使用壽命和節約維修費用的重要手段之一，可為設備維修提供科學決策與技術支持。本文主要對水電機組狀態監測技術及發展趨勢進行分解析。

【關鍵詞】水電機組；狀態監測；技術；發展

隨著狀態檢修概念的普及，水電機組的在線狀態監測技術也得到電力企業大力推廣。在水電站中，要實現對水電機組狀態的實時監測，掌握設備狀態的發展趨勢，分析監測數據。在水電站水電機組檢修中，掌握設備的監測數據和狀態趨勢十分重要。

1、水電機組的狀態監測概述

水電機組的狀態監測主要是指通過對表征機組運行狀態的參量實行監測，以便運行人員及時了解機組的運行狀態，及時發現事故隱患，采取措施處理，從而減少事故的發生和損失，保證安全經濟運行。通過對機組運行狀態的監測，為制訂大、小修計劃和方案提供數據參考和技術支持。水電機組的運行狀態與水力、機械、電氣等因素都有直接的關系，狀態監測也涉及多種參數和方法。同時，通過引入其他系統，如監控系統油溫、瓦溫、油位及冷卻水溫度等變化較慢的過程量數據，以及有功功率、轉速、水頭等工況參數，使狀態監測系統能夠對機組運行狀態有較為全面的了解和評估。目前，國內外應用較多、技術較為成熟和實用的水電機組狀態監測技術包括：機組穩定性監測技術、發電機局放監測技術、發電機氣隙和磁場強度監測技術、水輪機效率監測技術、主變壓器油氣監測技術等。另外，近年來轉子紅外測溫等技術也逐漸走向成熟和實用。

2、水電機組狀態監測技術

2.1機組穩定性監測技術

該技術主要適用于水電機組的機械振動的監測。監測的內容主要包括主結構振動、水壓脈動、主軸承的擺動幅度等。針對每項技術參數都采用特定的傳感器進行監測。狀態監測系統將各個傳感器監測到的數據進行匯總、分類、分析，判斷機組的穩定性。需要指出的是，根據機組型號及容量的不同，監測點并不是一概而論的。實際應用中，一般根據經驗數據確定監測點的位置和數量。目前國內關于機組穩定性監測方面的研究，已經有較為成熟的數據。定子繞組所承受的電動力與電流的二次方成正比，所以當發電機的單機容量增加時，這種電動力也會成倍的增加。值得注意的是，當定子繞組的端部長時間處于100 Hz振動的環境下，再加上如果固定的較差，則很可能短期內被嚴重磨損，甚至達到擊穿的臨界。此外，由于大朝山水電站發生的轉輪葉片和卡門渦之間的共振，導致轉輪葉片轉速過快而引起的葉片裂縫現象，人們不得不對此類共振現象進行細致而有針對性的研究。由此取得一系列的研究成果已經在國內的一些大型水電站得到了實際的應用，在一定程度上推動了機組穩定性監測技術的進一步發展和成熟。

2.2空氣間隙與磁場強度監測技術

國內針對水輪發電機空氣間隙監測技術的研究起步較晚，而且沒有得到足夠的重視，導致現在仍然沒有一種成功的實際應用系統。但是隨著水電機組監測技術大發展的需求，我國的一些大型的水電廠，例如三峽、二灘等，陸續引進了上面提到的AGMS系統的一些子模塊或者整個系統引進，并嘗試著在一些機組上安裝、運行，也取得了一些應用經驗。

2.3發電機局部放電監測技術

定子繞組的絕緣老化所造成的故障占水電機組電氣故障的五分之二，而電氣故障在水電機組全部故障中占到一半左右。所謂局部放電，指的是水輪發電機定子繞組絕緣層的內部或邊緣發生的非貫穿性放電現象。在高壓絕緣環境中，系統中的一些小空隙或者表面都有較大幾率產生局部放電。實際中，定子繞組一直處于高溫、高壓以及各種化學物質和機械振動影響的環境中，對其絕緣水平要求較高。時間久了，絕緣老化、磨損都會增加局部放電的幾率，破壞定子繞組的絕緣系統。所以，很有必要對定子繞組的絕緣放電進行在線監測，以便盡早發現故障并及時解決，避免導致機組運行事故的發生。

2.4主變壓器油氣監測技術

變壓器的內部故障主要包括過熱引起的故障、放電引起的故障以及絕緣受潮失靈導致的故障等類型。早期發現及鑒別電力變壓器故障的主要方法是對變壓器中的氣體進行色譜分析。發展到后來，陸續出現了氣相色譜分析、光聲光譜分析等方法。氣相色譜分析法是一種離線分析方案，主要應用在實驗室環境中，目前應用比較廣泛而且技術已經相對成熟。

光聲光譜技術的最終目的是得到某種氣體的含量，主要采用的原理是不同的氣體分子可以由不同波長的紅外線進行激發，然后通過測量封閉容器中氣體的壓力大小，得到某種確定氣體的含量。該種技術的主要代表產品是英國凱爾曼有限公司研制的TRANSPORT X（便攜型）變壓器油氣監測系統，該系統可對8種氣體產生的故障進行量測，能夠最大程度的克服傳統分析法中干擾分析的弊端。

2.5水輪機空蝕監測技術

空蝕是影響水輪機正常運行的主要威脅之一，既可以影響整個發電系統的發電效率，也會降低機組運行的穩定性。清華大學、華中科技大學等開發了一種基于超聲波傳感器的水輪機空蝕在線監測系統，為在線監測與診斷水泵和水輪機的空蝕現象提供了簡捷易行的手段，但還不能有效的診斷機組空蝕強度，其監測數據只能作為運行中的輔助分析工具。

3、水電機組狀態監測發展趨勢

目前水電廠中的狀態監測技術仍然局限在實現某一種特定功能上，各個獨立的功能模塊的監測結果的共享性較差，監測內容單一，各自獨立，很難全面的掌握整個水電機組的運行狀態，存在嚴重的重信息采集、輕狀態分析的問題，目前急需一種綜合的監測系統，實現數據的共享和綜合分析。

近幾年計算機信息技術和傳感器測量技術得到了極大的發展，狀態監測和狀態檢修技術逐步成為各能源企業的熱門話題，通過對發電設備各方面狀態的監測和分析，積累大量的設備運行信息，再結合數據挖掘、數學建模和邏輯推理，實現設備的故障自動或智能診斷，最終破除當前設備計劃檢修的舊路，實現按照設備的狀態來進行靈活檢修，既減少了檢修部門的負擔，又能減少機組停機時間，從而帶來豐厚的經濟效益。

對現階段的水電站機組進行認真研究分析，并在原來的基礎上對相關監測內容進行完善，尤其是那些能夠為機組的安全運行提供關鍵性信息幫助的主要監測內容，我們必須要及時對其進行優先完善。在選擇機組監測參量的過程中，不管監測數量是多少，都應該要對其監測的必要性以及監測的可能性進行綜合分析。必要性分析也就是要求監測工作的開展要有利于對機組運行狀況進行了解，可能性則要求選取的參量要具備相應的有效監測技術。通過這種方式，實現診斷必要性以及技術可能性的有效結合，提高機械選擇的科學性和合理性，切實將電氣系統以及冷卻系統各項性能參數納入機組狀態監測的重要內容，實現及時發現故障，準確識別故障，有效解決故障問題。

4、結語

對于水電機組狀態監測來說，受多種多樣因素的影響，例如作業人員素質、監測技術和監測效果等。本文在結合筆者實際工作經驗的基礎上對水電機組狀態監測技術進行了總結和分析，并針對性的提出了加強水電機組狀態監測的對策。

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