发电机状态监测

水电厂机组的状态监测

刘万景

关键词监测技术状态监测变送器水电机组水电厂

摘要目前，国内已有越来越多的水电厂实现了计算机监控，机组检修模式也由计划检修向状态检修过渡，因此必须对水电机组实施状态监测，因为它是实现计算机监控的基础。水电机组的状态监测涉及多种参量和多种方法，这是需要深入探讨和研究的。笔者结合当前国内水电厂的实际，就当今世界先进监测技术和机组参量的监测方法作一介绍，并推荐了一些成熟的监测仪表和元件，供正在开展这项工作的有关水电厂参考借鉴。

目前，我国水电厂机组的检修制度，正在由计划检修逐步向状态检修过渡；实践证明，实施状态检修将带来良好的经济效益。为了实现状态检修，就必须对水电机组进行状态检测。以下就有关问题进行一些探讨研究。

1 水电机组状态监测技术概述

水电厂的机组状态监测，其参量主要有电量和非电量之分，这里着重介绍非电量的监测技术。

1.1 振动监测技术

振动是水电机组较为常见的问题，较大的振动直接影响着机组的安全运行，因此它是评定机组运行质量的一个重要指标。在国标GB8564-88《水轮发电机组安装技术规范》中，就振动的等级作了详细的规定；部标DL／T556-94《水轮发电机组振动监测装置设置导则》中，就振动监测装置的设置作出了详细的说明。这就为振动监测装置的设置和结果评定提供了依据。

从振动理论上讲，振动由3个参数来表征，即幅值、频率和相位。振动幅值表征振动大小，振动频率表征振动的产生原因，振动相位表征振动方位。但在过去通常的振动监测中，我们只是测量振动幅值，但从状态检修的角度出发，应该对这3个参数都进行测量，以便确定维修部位。

振动测量由振动传感器和二次仪表或分析系统组成。振动传感器有3种，即位移型、速度型和加速度型，水电机组通常应用前2种。振动幅值、频率和相位这3个参数的获得，主要不取决于传感器，而是取决于二次仪表的功能设置。目前振动测量仪表主要有两大类，一是单元式监测仪表，这种型式的仪表以单元为单位，用户根据需要配置单元数量，该仪表的主要功能就是提供振动幅值监测，结构和操作都较为简单，价格也较低；二是带有分析功能的监测系统，该类仪表可获取较为全面的振动信息，包括幅值、相位、频率、振动波形、轴心轨迹和振动趋势等，这对于判定振动的起因和进行事故的分析是比较合适的选择。

1.2 发电机气隙监测技术

水轮发电机定、转子空气间隙(以下简称气隙)是1项重要的电磁参数，它对电机的其它参数、运行性能及技术经济指标有着直接的影响；运行中的发电机，其气隙的均匀性将直接影响电气特性和机械性能的稳定。为确保大型发电机的安全运行，预防突发性事故的发生，一些国家和有关部门提出，建立1套专门的空气间隙监测系统，在机组投入试运行时和正式投产之后对气隙进行反复测量，为

运行、检修提供一系列的预防性数据，并为机组的优化设计提供相应的验证。

目前，我国水轮发电机空气间隙的测量水平还较低，一般都是在机组安装调整过程中，用塞尺对气隙作定点静态测量，而对运行中发电机的气隙监测还很少见。对运行中发电机的气隙监测目前已有成熟产品，即气隙监测系统。该系统主要是以平板式电容传感器来检测气隙的变化。传感器以粘贴方式安装在定子铁心上，其安装的数量通常以用户要求而定。来自传感器的测量信号，由电子采集单元采集、传输，并由计算机和软件控制测量模态和进行过程分析，及贮存和记录其测量数据。气隙监测系统的功能是：测量定、转子静态气隙变化，转子变形和滑移，定子膨胀的不均匀度，单个磁极极靴形状，定、转子圆度和同心度，开机和停机过程中的动态分析，特殊试验工况下(磁场放电、短路、甩负荷、飞逸转速)动态气隙的变化，4～20 mA的模拟量输出，间隙最小值报警和停机跳闸设定等。

1.3 发电机定子绝缘监测技术

迄今为止，一致认为绝缘不良是电机事故率最高的部分。如何通过无损诊断及早发现其缺陷，对提高运行可靠性、防止突然事故有重要意义。现在广泛应用的检测方法有直观检查法、测量绝缘电阻法、测量绝缘泄漏电流法、高电压试验法、测损失角法和局部放电法；其中局部放电法是一种较为先进的方法。该方法通常选1个窄频带装置测量放电频率，其范围在几千Hz至几兆Hz之间。如绝缘有空隙或裂纹，则放电电压脉动幅值较大、频率较高。通过初始放电电压，可以判断绝缘的老化程度。发生在发电机定子绝缘系统内的局部放电脉冲，由局部放电分析系统的高压耦合器检测，该耦合器通常安装在发电机的定子线圈上。试验期间，成对的耦合器经50Ω同轴电缆接到安装在发电机外面的端子箱上，而后者又与局部放电分析仪相连。目前，世界上已有300多个用户装有局部放电分析系统；局部放电测量法已被证明是一种非常有效的诊断工具，并将取代预防性维修。

1.4 水轮机空蚀监测技术

众所周知，空蚀问题一直困扰着我国水轮机的安全、高效运行，并造成机组频繁抢修和巨大的经济损失。目前我国对水轮机空蚀的监测还停留在凭感觉或定期察看的阶段，运行人员不能适时地掌握水轮机空蚀状况及发展趋势，不利于机组的准确、适时维修。从运行的角度出发，我国除积极采取有效措施力争从根本上消除空蚀现象发生外，还应发展或引进空蚀监测与诊断系统，以提高我国水轮机的运行状态监测水平。近几年，国外在水轮机空蚀监测方面做了大量的研究工作，如美国电力研究所(EPRI)、加拿大魁北克水力研究所(IREQ)和美国声学ORE 股份有限公司等。他们基于声传播原理开发出一些产品，应用加速度传感器测量声强。这些产品可以监测空蚀发生和发展的过程，并用建立的相对标准来评判水轮机空蚀的严重程度，该系统已在美国许多水电站应用，收到了良好的效果。

1.5 水压脉动监测技术

水压脉动，尤其是尾水管涡带引起的水压脉动，是水轮机普遍存在的现象，它在较大程度上决定着水轮机的稳定性。为此，部标DL445-91《水轮机基础技术规范》规定了反击式水轮机尾水管的压力脉动幅值(双振幅)应不大于相应水头的3%～7%。我国近年来建造的大型水电站，对水轮机的尾水管压力脉动保证值都做出了明确的规定，如：三峡为7%，天生桥一级为3%，五强溪为5%。因此加强对水压脉动的监测，对了解水轮机状态、优化机组运行工况和指导检修都是非常必要的。对水压脉动的专门监测仪表在近几年才问世，以前只能通过试验来获