水電機組狀態監測與故障診斷研究新進展

宋卓吏

國電電力發展股份有限公司太平哨發電廠

水電機組狀態監測與故障診斷研究新進展

宋卓吏

國電電力發展股份有限公司太平哨發電廠

設備狀態檢修是現階段世界上非常先進的設備檢修管理方式，此種方式能夠很好的避免由于計劃檢修造成的設備過度維修以及失修等問題，并且能夠快速、及時的發現設備隱患以及缺陷，從而能夠更加針對性對設備進行維護保養，能夠為電廠帶來更好的經濟效益。所以，基于現有水電機組的實際情況來研究設備的狀態檢測以及診斷系統的狀態檢修模式，對于提升水電廠相關設備診斷以及維護的效率具有非常重要的意義。

水電機組；狀態監測；故障診斷

在水電廠設備當中，機電設備是對水電廠的安全、穩定、經濟運行有直接影響的設備機組，并且在水電機組的工程建設以及水電機組的運行中起著越來越重要的作用。隨著當今社會的可持續發展理念的提出，為了讓水電廠更好地與社會發展相適應，就必須加強水電廠機電設備的狀態檢修工作。

1 水電機組故障發生的特點

水電機組故障發生的特點主要表現在以下幾個方面：復雜性特點。水電機組的系統組成十分復雜，涉及到機械系統、電磁系統、水力系統等諸多內容，在其運行過程中，機械、電磁、水力等因素均會對其運行狀態產生影響，從而引發各種故障。具體而言，包括轉動部件失衡、部件脫落、法蘭連接松動等，故水電機組振動故障十分復雜；漸變性特點。水電機組在不同的運行階段，其所表現出來的故障問題也存在差異，與其它旋轉設備相比，水電機組轉速相對較慢，在 100～200 轉 /min 左右，因此水電機組突發性故障相對較少，振動故障是其常見故障，通常是由于長期磨損或疲勞導致的，經過長期積累形成的，故體現出漸變性的特點。

2 狀態監測技術的范疇與現狀

水電機組在線狀態監測系統是一個實時在線監測水輪發電機組各部位運行狀態的網絡化測量系統。它是區別于“計算機監控系統”的電廠的一個獨立系統。狀態監測技術的實施涉及到計算機、通信、電氣、機械、水力等多個專業多個學科，是一項系統工程。一個完整的狀態監測系統應該包括對機組以下各部位的狀態進行監測：機組相應部位的振動、擺度、軸向位移、壓力脈動、空氣間隙、磁通密度、局部放電、水輪機空蝕、定子線棒振動、定轉子溫度、水輪機效率(流量)、主變壓器油色譜、勵磁系統及其它輔助設備等。其一，監測系統的研究和產品的研制取得了一定的進展。水輪發電機組穩定性(包括振動、擺度和壓力脈動)監測和主變壓器油色譜的監測技術基本成熟，已廣泛地應用到各種水電廠，監測系統的研發重心已轉到發電機空間氣隙和磁場強度、發電機絕緣局放、定子線棒振動、水輪機空化氣蝕、水輪機效率等多種項目上來。其二，大多數早期建立的電廠，其機組的狀態監測系統比較單一，或是采取了多個項目的監測，但是各項監測相互獨立，此類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。一些建廠時間晚的現代化大型水電廠，如葛洲壩電廠、隔河巖電廠等，其機組設備狀態監測系統更加全面，且有一定的分析診斷能力。

3 水電機組運行狀態檢測及故障診斷的主要內容

3.1 水電機組運行穩定監測

水電機組運行穩定性監測包括以下幾種：進行機械振動監測。振動故障是水電機組最常見、最突出的故障，通常常采用低頻振動速度傳感器及加速度傳感器進行監測，其中采用電渦流位移傳感器、電容式非接觸位移傳感器監測主軸擺度，并采用壓力傳感器進行水壓脈動監測。具體監測過程中要根據現場的實際情況、機組型號及實際容量選擇監測測點。通常并非所有機組均需進行全面的狀態在線監測，因為多數機組故障發生均有特定的規律，且可反映出機組的安裝及運行歷史記錄中，因此出于節約成本、提高經濟效益的角度，可根據機組的實際運行情況選擇最主要的狀態進行監測。

3.2 調速系統監測

在水電站運行過程中，調速系統是重要的組成部分，其主要功能是實現機組運行控制及速度、功率的調節等，包括機組的開停機、并網等。調速系統運行狀態監測的主要對象包括調速器系統、油壓系統運行設備，其主要內容包括控制參數、靜態特征參數、動態特征參數、機組控制參數等等。調速系統運行的可靠性會對水電站、電網的生產質量及生產安全產生直接影響。不過現階段專門針對調速系統的狀態監測及故障診斷技術研究還相對較少，多采用傳統的檢修方法。我國研究出一種水輪機調速系統仿真測試裝置，其具備系統仿真、狀態監測、故障診斷等功能，相信隨著水電機組故障診斷技術的不斷發展，針對調速系統監測的故障診斷技術也會得到迅速發展。

3.3 建立起合適的專家系統

對于水電機組運行設備狀態檢修專家系統來說，需要注意的內容包括：①明確與我國實際情況相符合的水電機組故障診斷模式；②按照水電機組檢測專家系統的建設基本原則來確定出專家系統的主體結構。水電機組運行設備診斷模式能夠很好的建立起工程專家以及診斷專家的聯系，診斷模式直接決定了專家系統的推理機制以及控制策略等相關問題。從現階段來看，我國已經建立起了很多的診斷模式和相應的專家系統，在實際的應用過程中也取得了一定的成績，但是因為這些系統自身存在著一定的問題造成達不到真正診斷的目的，并且也不能真正反映出機組的運行特性以及運行規律，不能清楚的辨識出機組的故障位置以及嚴重程度等等。另外，系統的智能化程度相對較低，造成診斷結果不能很明確的表示出來，更多是依靠工程師的技術水平。所以要更加深入的研究適合我國水電機組自身特性以及故障特性的診斷模型，在此基礎上才能建立起準確可靠、真實可信的專家系統。

綜上所述，線狀態監測與故障診斷通過對機組各種狀態信息的實時監測，捕捉早期故障征兆，根據其發展趨勢和歷史記錄，對機組進行實時故障分析，有利于水電廠制定合理的設備檢修計劃，對提高水電機組運行安全可靠性和經濟性具有重大意義。

[1] 劉娟，潘羅平，桂中華，周葉. 國內水電機組狀態監測和故障診斷技術現狀

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