大型水輪發電機端部振動在線監測

楊 軍，周 明，鄒洪剛，唐李軍

（1.國電大渡河大崗山水電開發有限公司，四川雅安 625000；2.成都英孚德科貿有限公司，四川成都 610000）

0 引言

發電機正常運行時，定子繞組端部不停運動，振源主要是雙倍頻交變電磁力。正常通過定子線圈和線棒的50 Hz 或60 Hz電流，會產生100 Hz 或120 Hz 的巨大電磁力。若繞組端部支撐固定不足，線圈會因振動使絕緣逐漸磨損。定子繞組端部振動是電機發生故障的一個重要原因，也是大型水輪發電機非常重要的故障機理。絕緣故障產生機理的多樣化，受外界干擾造成絕緣監測數據的非準確性，絕緣數據判讀的經驗性，這些因素都嚴重制約發電機組絕緣監測技術的發展。

1 水輪發電機端部振動在線監測難點

水輪發電定子繞組并聯支路較多，按照目前眾多振動監測技術的慣例，僅安裝個別監測傳感器，是無法有效監測端部振動的，給計劃檢修帶來諸多不確定因素。為使監測數據能夠行之有效，需要一個大量、長期積累的、經過時間考驗的數據庫作為參考。同時還需要有人工智能的手段，通過與數據庫中數據在幅值、相位、頻率和特征參數的對比，達到自動判斷的效果，在機組狀態檢修中發揮主動作用。

發電機內部電氣環境非常惡劣，是一個高電壓、強交變電磁場的特殊環境。在強電磁場的作用下，金屬結構的普通傳感器可能產生放電，引起磁場分布的變化，干擾自身工作。同時含鐵磁性材料的傳感器本身還存在劇烈的電磁振動和渦流發熱，對線棒絕緣形成嚴重威脅，降低發電機安全運行可靠性，增加事故隱患。

2 端部振動在線監測思路

（1）在強電磁場的作用下，普通金屬傳感器可能發生放電，引起磁場變化。故選用可抵御電磁干擾的EVA 光纖加速度傳感器。

（2）構建智能分析模型，引入機組運行參數，創建有效的監測數據庫。通過大數據分析，人工智能識別，對監測數據的判讀，對狀態監控，預警設定，故障診斷做智能化升級。同時借助現有發電機在線監測系統的模塊化設計，對端部振動實現實時監控，確認絕緣故障的嚴重程度，定位發生位置，達到指導檢修的目標。

（3）端部振動監測系統連線布局見圖1。

圖1 在線監測系統連線布局

3 端部振動監測安裝

（1）依照JB/T 10392—2002《透平發電機定子鐵心、基座模態試驗分析和振動測量方法及評定》進行。安裝試驗時，先安裝一個壓電晶體加速度傳感器（樣本傳感器），然后用振動測試用的小錘在樣本傳感器附近敲擊線棒。通過振動錘擊試驗，找到結構的各階固有頻率，以及50 Hz/60 Hz 和100 Hz/120 Hz 共振頻率有最大振動幅值的部位，進行傳感器安裝。EVA 光纖加速度傳感器適合安裝在有高電壓、高磁場的定子繞組端部，對光纖電纜的振動不靈敏。光電轉換器與貫穿件完全分離，且安裝在水輪發電機外側混凝土墻上（圖2），確保長壽命及定期校正方便。

圖2 端部振動安裝

（2）依據GB/T 28570—2012《水輪發電機組狀態在線監測技術導則》要求，借助升級后的發電機在線智能監測系統的模塊化設計，實現發電機端部振動實時監控。同時定位故障點，實現對發電機運行工況的多維度綜合智能監控，構建國內外首創的發電機狀態智能監測平臺。智能系統采用C/S 和B/S混和開發模式，其中數據采集及傳輸程序采用C/S 模式進行開發，數據在線監測及查詢統計采用B/S 模式進行開發。開發技術上C/S 程序采用運行效率高的C++開發，B/S 程序采用主流技術J2EE 開發。

4 端部振動監測系統介紹

端部振動在線監測系統由光纖傳感器、數據采集單元和上位機組成。

（1）EVA 光纖加速度傳感器是非導電、抗電磁干擾的振動測量傳感器，如圖3 所示，其光信號處理技術可確保傳感器與測量儀表之間極好的電絕緣狀態，是危險環境中測量沖擊和振動的理想裝置。EVA 光纖加速度傳感器主要技術指標：光電原理；靈敏度100 mV/g；量程0～50 g；線性誤差≤0.1%；工作溫度-50～200 ℃；工作溫度-20～60 ℃；可與不同的光纖加速度傳感器交互搭配。

圖3 光纖加速度傳感器

（2）數據采集裝置采用GuardⅡ主機加裝端部振動模塊，滿足模塊化和標準化要求。同時預留足夠的通道擴展能力，方便擴充現場信號采集單元和傳感器，支持熱插拔和互換性要求。工作電壓AC 92～264 V，47～63 Hz，功耗～100 W；脈沖動態范圍±5～±8500 mV，雙極性；輸入阻抗50 Ω；參考頻率通過局放耦合器自動獲得，最小同步電壓為100 mV；通信接口為RJ45 網口；防護等級NEMA4X（等同IP65）；運行環境為-20～+55 ℃，相對濕度為最大95%。

（3）上位機。多個機組可配置一個上位機，由品牌服務器、顯示器和相關應用軟件等組成。

5 系統主要功能

（1）分析功能。振動幅值（加速度及位移）與時間的對應波形；振動幅值（加速度、速度及位移）與頻率的對應波形；振動位移的趨勢圖；特定頻率的位移幅值（轉速、2 倍電源頻率以及用戶自定義頻率）；在2 倍電源頻率的振動幅值與定子電流平方的趨勢對應圖；設置各個不同振動量測值的報警范圍（圖4）。

圖4 數據預警

（2）系統集成和擴展功能。本系統可將發電機端部振動的相關參數和工況參數集成到一個數據平臺，利用監測軟件實現對發電機參數的統一監測和分析，進行分析診斷。

（3）系統自檢與故障日志生成功能。系統能提供自檢信息，生成故障日志。

（4）歷史數據回放、趨勢分析。在線監測系統提供以“小時、天、星期、月、年”等不同更新周期的趨勢分析，并且可選擇數據趨勢的顯示時間段。

（5）數據存儲功能。系統實時自動備份存儲數據，文件夾的創建日期及訪問日期均可進行歷史查詢。

（6）系統管理權限控制。

6 水輪發電機定子繞組端部振動在線監測的意義

水輪發電機定子端部振動在線監測系統導入可時時掌握發電機組運行狀態，對機組狀態進行趨勢分析，對機組狀態進行智能判斷，對機組可能發生的故障及時預警，從而讓設備維護人員對機組狀態了如指掌，針對不同的機組采取不同的維保措施，及時有效對機組進行預知維護，實現在故障初期實施修正，以減少盲目維修及突發性事故帶來的安全隱患與重大的經濟損失，提高企業的綜合經濟效益。