發電電動機核心部件在線監測方式選擇方法淺析

蔣友凱，梅人杰，侯曉宇，婁騰升，顧鑫名，劉云平，高 濤

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城 245300；2.東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

1 引言

隨著新型電力系統的推進，風光等新能源在系統內占比快速增加，抽水蓄能的削峰填谷以及事故備用的作用越發突出，抽水蓄能機組工況類型多，切換較為頻繁，使機組本身的安全性面臨著更大的考驗。因此，對抽水蓄能機組重要部件進行在線監測，及時掌握設備運行狀態、提前預警異常信息，減少長期振動、局部高溫、強電磁環境、油霧粉塵等因素可能導致的部件性能下降或損壞，從而造成非計劃停機，甚至發生嚴重事故的風險。

目前，抽蓄機組標配的部件狀態和特征參量數量較少，一些重要部件狀態和特征參量的獲取，主要依靠手段仍然是采用人工定期現場巡檢模式。面對數量眾多的發電部件及其特性參數，這種傳統的監測方式需要耗費大量的人力，工作負荷大，并且無法對發電設備做到全面實時掌控。因此，無論是電站無人值守、少人值守提升工作便利性的需求，還是“定期檢修”到“預防性檢修”減少非計劃停運，保障機組運行效益的要求，都需要加強機組狀態感知，提升機組智慧水平。本文分析了抽水蓄能發電電動機定轉子的工作特點、運行狀態、主要監測方式，以發電電動機定子穿心螺桿絕緣監測為例，討論有線和無線兩種監測方式的適用情況，并提出一種可靠的螺桿絕緣有線監測信號引出結構。為發電機組智慧化水平提升提供理論依據和應用方法。

2 接觸式監測與非接觸式監測

針對抽蓄機組重要部件，開展先進監測技術研究，消除關鍵區域監測盲點，加強機組狀態感知功能是實現機組智慧化功能的重要途徑。抽水蓄能機組與常規水電機組相比，工況更加復雜，這既為機組運行帶來新的風險隱患，也對感知監測技術的可靠性提出了更高的要求。與此同時，監測某類物理量的技術，在機組不同的區域應用時，其通用性往往會受到一定的限制，目前，隨著技術的發展，針對同一類物理量已經有多種監測技術路線可供選擇，可以實現不同場景的準確、安全可靠監測[1，2]。以熱學類參數為例，常用的經過工業場景實踐檢驗的監測技術有：紅外溫度監測、基于射頻的溫度監測、光纖溫度監測等。對于機械振動，常用的監測技術有位移檢測、光纖測振等。

總體而言，各類監測技術可以分為接觸式監測與非接觸監測兩大類。由于接觸式監測可以直接接觸被測對象，相對非接觸監測方式，其監測精度更高。但是接觸式測量需要將監測設備部署在被測對象上，相對非接觸監測方式，其對設備抗振動、抗電磁干擾、防護等級、高溫環境下的長期可靠性、信號線纜布設等均有更高要求。

針對具體監測場景，選用接觸式監測還是非接觸監測的技術路線，往往需要提前策劃，而被測部件的工作特點、環境狀態等是重要的參考因素。下面以發電電動機定轉子為例，闡明抽蓄機組關鍵部件的工作特點、環境狀態與監測方式選取方法。

3 發電電動機定轉子區域監測淺析

長期以來，行業內對監測機組關鍵部件性能參數做了較多探索，并取得了監測技術成果。然而受限于現有的技術水平，部分監測方法應用時對環境要求較高，在抽蓄機組監測的運用場景受到了一定的限制，監測方法的持續開發與應用仍然任重而道遠。

3.1 發電電動機工作特點

（1）正反轉。抽水蓄能電站發電電動機在發電工況和抽水工況下旋轉方向相反，電磁環境和機組狀態都有所不同。

（2）啟停頻率高。由于抽蓄電站在電網中調峰、調頻、保電、備用等作用，發電與抽水工況切換頻繁。

（3）有專門的啟動方式。抽水蓄能機組抽水一般采用靜止變頻器啟動或者背靠背啟動，導致電氣接線、控制操作復雜。

（4）過渡過程工況復雜。在工況轉換過程中要經歷各種瞬態過程，這些瞬態過程使得機組需要承受更多的振動。

（5）轉速高。部件高速轉動會進一步導致運行環境復雜化，同時對高速轉動部件本身的監測也帶來了巨大的挑戰。

3.2 發電電動機運行狀態

（1）電壓高。發電機線圈本身具有較高電壓，部分電站在長期運行中都發現了定子線棒端部和槽口存在不同程度的電腐蝕，以及線棒松動等情況。一些處于絕緣狀態的部件，如穿心螺桿，也會感應出較高電壓，甚至達到500 V[3]。

（2）電磁環境復雜多變。開機停機過程中，在離心力的作用下，轉子會略微膨脹，定轉子間氣隙會發生變化，在開機過程氣隙減小，停機過程氣隙則會增大[4]。

（3）多過程溫度特征及影響。機組長期運行會使局部溫度維持在較高水平，加速電氣部件絕緣老化；頻繁啟停急劇變化的瞬時工況會導致溫度在短期內大幅波動，可能降低設備性能。

（4）高轉速引起高頻振動及影響。一些制造安裝過程中產生的微小瑕疵在不均勻的變化工況和高頻振動下被逐步放大，引起基礎螺栓松動等部件斷裂風險[5]。高頻振動往往伴隨產生高頻背景噪聲，對監測信號造成污染，提升了監測設備選型中屏蔽功能的要求，同時也加大了分離監測信號的難度。

（5）定轉子區域風速大。安裝不牢固的零件極易隨風而走，進入定轉子關鍵部位造成事故。也存在金屬屑等污物吸附到一些電氣連接處，造成絕緣下降及短路的情況。

3.3 常見監測方式

作為抽蓄機組的核心部件，發電電動機定轉子的運行狀態成為運維關注的焦點，發電行業對此不斷開展新課題研究，引進和研發了多種監測技術，并不斷創新監測方案，盡可能安全高效地實時感知、監測、診斷機組各部件的性能狀態。

3.3.1 溫度監測技術

傳統測溫方式有熱電偶或熱電阻接觸式測溫，該類方法技術成熟、性能可靠、測溫精度高，在運維實踐中，其長期可靠性較差，部分位置，如定子繞組層間溫度、軸承瓦溫等監測場景下，測溫元器件損壞后不易更換，運維難度較高。

光纖測溫同屬接觸式測溫，其原理是將光纖吸附或纏繞在被測物體表面，以光作為溫度變化的載體，通過解調儀解調，把測得的溫度信息傳給監測中心[6]。

紅外測溫是一種非接觸的測溫方式，對動態部件難以有效捕捉到異常發熱點，即使捕捉到也無法精確定位，因此常見于靜態區域測溫。近年來應用方案也有新的突破，有效地將紅外測溫技術拓展到監測高速轉動部件溫度的場景[7]。

3.3.2 絕緣及短路監測技術

對于發電機來說，定子絕緣失效前會呈現出多種物理現象，如電信號、光、熱、聲音、氣體等。目前多通過局部放電在線監測來發現部件絕緣的早期問題。而火花放電或者電弧放電往往意味著絕緣已經嚴重損害，瀕臨擊穿。

吳建輝 等[3]采用電容式傳感器直接接在電氣回路上，也有采用天線式傳感器，有代表性的是定子槽耦合器SSC（Stator Slot Coupler）和測溫電阻傳感器，非接觸式測量信號。但只能近距離捕捉放電產生的電磁信號，需要大量傳感器才能覆蓋一定范圍的監測。

紅外測溫儀可以利用短路發熱量更高觀察發電機內部的溫度找到短路點。英國中心電力委員會研發的ELCID 法[7]能檢測局部故障電流。武玉才 等[8]采用串接測量電阻的方式監測穿心螺桿與定子鐵心之間是否出現短路點的方法。該方法破壞了螺桿不接地系統原有特性，且難以保證監測的精確度。

3.3.3 振動監測技術

振動是發電機組故障的主要表征之一，水電機組振動主要有水力振動、電磁振動、機械振動3 方面，導致振動的常見因素表現在軸線不對中、水壓脈動和轉動部分質量不均等[9]。

電測傳感器測振是傳統測振技術，振動的參量轉換成電信號，經電子線路放大后顯示和記錄，再經過后期轉化，從而得到所要測量的機械量[10]。這是目前應用得最廣泛的測量方法。

光纖測振是一種新型振動檢測技術。它靈敏度高，可靠性好，具有良好的抗干擾、耐腐蝕及絕緣特性。在發電機定子端部測振的場景中已廣泛使用，反響良好[11]。

3.3.4 其他監測技術

根據故障的不同物理量表現，往往也可以通過多維度監測對故障進行綜合診斷。如電氣絕緣損壞后發熱燒損引起的異常焦糊味，異常滲油的異常油味，可以進行異味監測。機組的異常振動，發電機轉子與定子等部件間的刮擦，油泵電機的異常運行聲音，異常電磁聲等現象，可以進行噪聲監測。如發生著火或者線路絕緣皮燒損，則可能產生煙霧，可以進行煙霧監測[12]。這幾類監測都有較為成熟的傳感器和監測方式。

4 螺桿絕緣在線監測難點與現狀

據統計，水電機組有大約50%的故障來源于電氣，其中40%以上的故障歸咎于定子相關的絕緣故障[13]。定子鐵心穿心螺桿對地絕緣健康狀態對機組安全運行意義重大。

4.1 劣化機理

由于發電電動機運行時定子穿心螺桿處于交變的磁場中，會感應產生電動勢，正常狀態下，穿心螺桿與沖片之間設計有絕緣保護層以防止兩者短路造成局部渦流或環流發生過熱損壞。然而隨著長時間的運行和其他因素影響，螺桿的絕緣水平存在逐步下降的風險。發電機運行時本身內部環境復雜，不僅有高低頻振動、高電壓強電磁，環境中還充斥著碳刷磨損的金屬粉塵以及油霧等導電性腐蝕性污染物。長期運行的機械振動可能導致絕緣材料被磨損，螺桿與鐵心之間產生空隙，污物累積進而使螺桿絕緣降低，甚至出現短路燒損鐵心和定子線圈的情況。

4.2 監測方式分析

目前，對于定子鐵心穿心螺桿對地絕緣狀態監測，運維實踐中采用絕緣搖表，在機組停機時人工測量。多年的技術探索，在線監測方式也有一些應用，其中有接觸式監測，如注入式絕緣監測技術。也有一些非接觸監測的技術路線，如通過無線紅外監測溫度變化，判斷是否絕緣被破壞導致短路，或通過監測是否存在局部放電來推測絕緣劣化。評估已有的穿心螺桿對地絕緣監測技術路線，通過一些相關物理表征間接監測絕緣劣化后的螺桿狀態的無線監測技術，仍無法準確地反映螺桿絕緣水平。因此，基于工程應用的角度，接觸式監測技術路線在現有技術條件下仍是首選。

5 一種螺桿絕緣在線監測的引出線結構

為了實現對螺桿絕緣水平的實時在線監測，需要用引線將螺桿的電氣量引出?？紤]到發電電動機運行過程中螺桿處有較強電磁干擾、振動、油污等因素，能保證定子穿心螺桿監測引出線與螺桿可靠連接的結構方案，對保障信號的穩定傳輸，保障監測的安全性和長期有效性至關重要。

本文提出一種連接結構，該結構既不改變發電電動機定子鐵心穿心螺桿的原結構，不影響原結構安全性，又能保證螺桿端頭與引出線實現良好的電氣連接及可靠的機械固定，為實現穿心螺桿對鐵心的絕緣在線監測提供了應用基礎。

該結構的螺套利用螺桿原有的結構進行安裝固定，止動墊圈保證螺套安裝穩固，不會掉落。螺套、螺釘、環形端子、引線構成了一條電氣信號通路，將螺桿的電氣量有效引出（圖1~圖3）。

圖1 引出線連接結構示意圖

圖2 螺套示意圖

圖3 環形端子示意圖

6 總結與展望

本文分析了抽水蓄能發電電動機定轉子的工作特點、運行狀態，總結了發電電動機定轉子區域復雜的監測環境和部分常用的監測方式，討論了接觸式監測與非接觸監測的優缺點，并以發電電動機定子穿心螺桿絕緣監測為例，討論接觸式非接觸式兩種監測方式的適用情況，提出一種可靠的螺桿絕緣有線監測信號引出結構，為發電機組智慧化水平提升提供理論依據和應用方法。

抽蓄機組對發電機組本體及其監測設備的高可靠性有著嚴格的要求。因此在抽蓄機組上開展先進監測技術的應用時，應當首先考慮技術的安全性、長期可靠性。同時，監測技術的應用應該有益于減輕運維工作的壓力，所以在重點區域開展非接觸監測，以及開發具有嵌入式自感知功能的智能化部件仍然是發電設備智能化技術發展的趨勢。