大型水輪發電機狀況監測智能診斷平臺

周洪宇，周 明，張 宇，黃 梅

（1.國電大渡河大崗山水電開發有限公司，四川雅安 625409；2.四川預維佳科技有限公司，四川成都 610095）

1 水輪機絕緣檢測

根據國標GB/T 28570—2012《水輪發電機組狀態在線監測技術導則》要求，水輪發電機組狀態監測參量包括振動、擺度、軸向位置、壓力脈動、空氣間隙、磁通密度和局部放電等。根據美國電力協會及清華大學相關統計，發電機故障有40%來自定子繞組電氣絕緣故障，15%來自轉子絕緣故障。絕緣監測是水力發電廠的長期工作內容。

大崗山公司與專業廠家合作，在2016 年試點實施的局放在線監測智能分析系統，能提供對定子線棒絕緣狀況的實時監控，提供Web 化系統構建，并有多種分析功能，便于設備運行狀況監控，提供檢維修依據。大崗山4 臺機組實施局放在線分析系統以來，已經成功在大崗山1#機的運行中發現了較為嚴重的絕緣隱患，并準確指導檢維修方案，及時準確排除了隱患。目前實施的系統只能提供對發電機定子繞組絕緣狀況在線實時監測，而發電機運行中處于同樣工況下運行的轉子，以及位于發電機鐵心外部，面臨更苛刻工況的端部繞組，同樣也存在較大絕緣隱患的可能。轉子匝間短路，繞組端部的振動異常，會對發電機的經濟安全運行造成較大影響。本項目是基于工業設備狀態檢修的大趨勢，通過配備安全、穩定、有效的多維度狀態監測手段，運用先進的數據分析技術，綜合判斷、識別水輪發電機絕緣故障的早期征兆，對故障部位、嚴重程度、發展趨勢做出分析判斷，主動實施針對性維修的引領行業先進技術的試驗性項目。

2 現有技術分析

目前國內電力行業普遍實施的是設備預防性維護管理模式（預防檢修），它是根據設備發生故障的統計規律或經驗，事先確定檢修類別、檢修周期、檢修工作內容的檢修方式，比早期傳統的（隨壞隨修的）故障檢修模式有一定的先進性，可以在一定程度上主動預防故障發生。發電設備在投產初期和壽命末期的故障概率較大，中間要經過一個較可靠的穩定期，并且在各個階段的故障特點也不盡相同。現行的檢修管理體制下確定的預防性檢修項目和周期相對固定，在故障率偏高的初、末階段降低了設備的可靠性和利用率，在設備穩定運行階段造成了檢修人、物、財力上的浪費。受計劃準確度的影響，預防性維修模式必然會在一定程度上造成維修過度或者維修不足，經濟性比較差。

已有部分發電企業意識到狀態檢修的重要性，逐步開展了部分狀態監控系統的開發和實施，但一般都需要外請工程師專家進行數據分析，不僅依賴于人工判讀，準確性和時效性都不能科學把控。有些試驗數據還需停機檢修才能獲取，這些都嚴重滯后了對生產維護的即時指導意義。

3 本系統的技術方案

在原有的定子繞組局放在線監測系統上做智能分析模塊的深化，構建智能分析模型，輔以大數據診斷，對狀態監控、預警設定、故障診斷做智能化升級。同時借助現有的發電機局放在線監測系統的模塊化設計，對發電機轉子匝間短路、繞組端部振動實時監控，并定位發生位置，實現對發電機運行工況的多維度綜合監控。水輪發電機狀態監測智能診斷平臺是通過安裝在發電子定子繞組端部的耦合電容傳感器監控繞組局放狀況（已于2017年成功實施），通過安裝在定子鐵心齒上的磁通傳感器監控轉子各磁極的匝間短路狀況，通過安裝在繞組端部的振動傳感器監控繞組端部振動狀況，并將這3 個監控系統統一集成在1 個監測平臺內，從而得到發電機運行的綜合實時狀態，通過具備智能判斷的運行平臺，對發電機狀況做出綜合判斷。

3.1 局放在線監測智能診斷模塊

局放在線監測智能診斷模塊由耦合器（80 pF 云母耦合器）、局放監測主機（Guard II）、接線盒及專用信號電纜、預裝有智能診斷系統的數據服務器和機柜等組成。耦合器可以抓取各支路的局放信息提供給監測主機。局放監測系統工作站，由數據服務器、Web 服務器、工業交換機等硬件及局放數據采集軟件IAM、局放數據分析軟件PDView、中文版局放智能監測預警系統等組成。

局放監測主機通過光纖通信將局放信號同時傳輸給數據服務器。數據服務器安裝有數據采集軟件IAM 和數據分析軟件PDView，可對局放數據進行采集和專業分析。數據服務器將局放信息通過正向隔離裝置傳輸給Web 服務器，Web 服務器上安裝有預維佳公司定制開發的中文版局放智能監測預警系統，可對機組整體的局放水平進行實時監測、顯示和趨勢分析，并方便進行Web 查詢和即時監控（圖1）。

圖1 智能判斷流程

3.2 轉子匝間短路監測模塊

轉子匝間短路監控采取可以和局放智能平臺兼容的在線監測系統，進行磁通測量，實時監測轉子匝間絕緣狀況的信息，并定位故障點。通過安裝在鐵齒上和智能系統連接的新式磁通探頭，同時量測主磁通及漏磁通，將2 個不同極但相對應的磁通資料進行比對，可以很直觀地發現有匝間短路的繞組所在的槽（圖2）。不需要改變電機的負載，即可準確測量轉子是否有匝間短路，并找出短路所在的槽。匝間短路的數據可以直接連接到已安裝局放在線監測系統的Guard II 主機中，只需要增加1 個匝間短路功能模塊。

圖2 發電機轉子匝間短路監測系統組成

3.3 端部振動在線監測模塊

端部振動實時監控可以和局放智能平臺兼容的在線監測系統，使用光纖傳感器安裝在線棒上連續監測，并定位故障點。端部振動測量有徑向和切向的光纖傳感器，對機組本身振動造成的影響免疫，能夠監測到20～400 Hz 的廣譜加速度，傳感器為自身固有頻率在1000 Hz 以上的光纖傳感器。停機時，臨時安裝1 個傳統的加速度傳感器在遠離鐵芯的定子線棒上，然后敲擊加速度傳感器附近的線棒，振幅較大的部位（連接處及匯流環）再次進行局部的擊錘試驗，找出50 Hz/60 Hz 及100 Hz/120 Hz 共振頻率有最大振動幅值的部位進行安裝，監測振動數據的統計學分析會幫助確定可許用振動水平（圖3）。傳感器通過光纖延長線連接到安全可靠的光纖轉換器，最終連接到已安裝局放在線監測系統的Guard II 主機中，只需要增加1 個端部振動功能模塊。

圖3 發電機端部振動安裝位置

4 總結

通過發電機狀態監測平臺建設，可以在最大程度上預防包括定子局放惡化、轉子匝間短路故障、繞組端部振動惡化等最有可能導致發電機故障的絕緣因素，降低查找并處理故障使用的人力物力投入。該技術的推廣對電廠提高發電主設備生產及檢修維護的效率，完善智能管理所具有的深遠意義。初期研究成功的局放在線監測系統已經應用于流域公司大崗山、銅街子、深溪溝等3 座大型水電站，可控裝機3960 MW，涉及12 臺發電機組。局放在線監測系統提供全面機組保護的同時，有效提高了設備狀態檢修的準確性，為設備檢修提供專業建議。

發電機狀態智能監測平臺深入研究項目的探索與研究，極大加強了水電行業設備狀態檢修的技術基礎，本項目開發的局放智能監測預警系統的成功應用具有標桿性示范作用，對促進水電行業設備檢修手段由計劃性檢修向狀態檢修邁進具有重要意義。