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阿海水电厂机组在线监测系统(硬件篇)前言据统计,发电机组50%的故障来自轴承和振动问题,40%来自定子绕组绝缘问题,10%来自转子绕组问题。根据上面三个问题可分别应用三种不同的方法来检测及监视。振动问题属于机械故障可以采用在线振动监测绕组绝缘问题可以采用在线局放监测转子绕组问题可以采用在线磁通监测机组在线监测系统功能采集水轮发电机组运行过程中产生的振动、摆度、压力脉动、空气间隙、磁场强度、局部放电以及其它相关状态参数长期记录对设备管理、诊断有用的数据,提供专业的诊断图谱,自动生成机组状态分析报告,最终把数据在网络上传输与发布及时识别机组的状态、发现故障早期征兆,对故障原因、严重程度、及发展趋势做出判断,从而可以及时消除故障隐患,避免破坏性事故的发生,为机组实现状态检修提供了坚实的技术基础作用及意义在水电厂实施状态监测,可及时掌握和分析水电机组各主要关键设备的运行状态,为设备的运行和维护提供决策参考,可减轻电站运行人员的劳动强度,优化机组运行,指导机组检修,提高检修维护质量,提升管理水平,有利于保障机组安全经济运行,是水电厂实现“无人值班、少人值守”的必要手段,也是由“计划检修”转为“状态检修”的必要技术条件。机组状态检修极大提高了机组的安全经济运行水平,带来巨大的经济效益和社会效益。业界主流系统简介阿尔斯通创为实S8000水轮发电机组在线监测和分析系统华科同安TN8000水电机组状态监测分析故障诊断系统奥技异PSTA2003状态监测及跟踪分析系统南瑞SJ-9000水电机组状态监测分析系统及TN8000系统简介北京华科同安监控技术有限公司,由华北电力科学研究院创办。从2001年开始,华科同安公司对水电机组状态监测系统重新规划设计,开发充实了振动摆度监测分析、压力脉动监测分析、空化与能量监测分析、发电机空气间隙监测分析、发电机局部放电监测分析、发电机磁场强度监测分析、发电机定子线棒振动监测分析、主变压器油色谱监测分析等子系统。主要业绩:三峡左岸电站、三峡右岸电站、青海公伯峡水电站、重庆彭水水电站、贵州东风水电站、贵州洪家渡水电站、贵州光照水电站、四川紫坪铺水电站、云南漫湾水电站、浙江滩坑水电站、北京十三陵蓄能电站。主要内容中控层及现地层相关设备介绍2系统配置、网络结构及应用介绍1监测点相关传感器介绍3EXIT1.1系统配置1.2网络结构图1.3TN8000系统功能稳定性监测分析发电机状态监测分析转轮间隙监测分析能量特性监测分析辅助系统监测分析基于工况的预警报警数据管理和事故追忆性能评估与性能试验优化运行检修指导故障诊断状态报告远程分析与诊断动平衡计算盘车轴线测量系统管理数据通讯WEB发布1.3.1稳定性监测分析—直观监测画面1.4基于Internet网的远程诊断中心华科同安具有Internet网的远程诊断中心技术。各电厂TN8000系统MIS网接入Internet,只要WEB服务器与Internet联接,经过授权的远程客户只需登陆指定网址就可实时快速的浏览机组的运行数据,而不会影响在线系统的运行。2.1系统配置2.1TN8000数据采集站配置传感器电源模块液晶显示器稳定性监测数据采集箱发电机监测数据采集箱键盘、鼠标交直流逆变电源2.2TN8000数据采集箱配置数据采集箱配置根据每台机组监测的参数数量和信号类别来确定,一般振动、摆度、压力脉动等稳定性参数共用一个数据采集单元,空气间隙、磁场强度和局部放电等发电机参数共用另一个数据采集单元。模块化结构易于系统扩展安装维护方便应对信号同步采集、确保采集实时、同步、完整返回2.3TN8016传感器供电电源每个数据采集站配置1套TN8016传感器供电电源,为各种传感器提供直流工作电压,该电源采用工业级线性电源模块,能满足为所有类型传感器提供电源。传感器供电电源指标参数如下:序号项目指标1输入电压交流220V2输出电压+24V/3A,-24V/1A,±12V,各1A3其他特性每个通道均可独立供电,提供短路保护功能,相邻通道互不影响。2.4状态数据服务器用于存储和管理从各数据采集箱传送过来的机组实时状态数据、历史状态数据及各特征数据对相关数据进行自动分析和诊断与GPS的通讯也由状态数据服务器负责状态数据服务器也可供现场工程师进行相关系统设置和监测分析工作机组被监测的所有状态数据均需存储在状态数据服务器中,因此状态数据服务器应该选用高性能大容量的服务器。阿海电厂采用IBMXSeries3650机架式四核服务器。2.5网络安全隔离设备阿海电厂机组在线监测系统采用鸿瑞Hrwall-85M-II电力系统专用网络隔离装置。即数据只能由内网向外网单向传送,完全单向通讯方式(UDP)和单向数据1Bit返回方式(TCP);该装置除采用基本的防火墙、代理服务器等安全防护技术之外,关键采用了“双机非网”的物理隔离技术,阻断网络逻辑连接,即TCP/IP必须被剥离,将原始数据非网方式传送;隔离传输机制具有不可编程性。返回3.1TN8000系统监测参数稳定性监测参数:大轴摆度、机架振动、压力脉动、轴向位移、转轮间隙、键相。发电机监测参数:空气间隙、磁场强度、局部放电、铁芯振动、线棒端部振动、定子温度、转子温度。工况参数:有功/无功功率、励磁电流/电压、导叶/桨叶开度、水头、流量、发电机出口开关、励磁开关。其他参数:瓦温、油温、油位等。3.2TN8000测点布置图返回3.2.1MLS-9型低频振动速度传感器MLS-9型低频速度传感器由北京豪瑞斯公司生产与其它振动传感器相比,MLS-9型低频振动速度传感器具有工作频率低、长期运行可靠、互换性好的特点对于水轮机组来说,低频振动是其固有的特性,低频振动的测量更显困难,尤其要给予重视用于测量水轮机组固定部件振动的传感器一般选用速度传感器,一般不宜采用加速度传感器速度传感器安装简单,属无源器件,使用时不用外接电源,将信号电缆直接引至表计即可,灵敏度高、输出阻抗低,可使用较长的电缆3.2.1.1MLS-9型传感器技术参数原理:磁电式(惯性式)低频振动传感器工作频响范围:0.3~200Hz(-3dB)灵敏度:300mV/mm/s(速度型)输出形式:-10V~+10V,4~20mA供电电源:±12VDC、+24VDC、-24VDC量程:±1mm(同灵敏度相关联,灵敏度越大,量程越小。灵敏度越小,量程越大。)使用温度范围:-30~60℃环境条件:防尘,防潮(95%不冷凝)3.2.1.2阿海电厂MLS-9型传感器的应用上机架、下机架、顶盖X、Y、Z向各安装一个MLS-9型低频速度传感器定子机座X、Y向各安装一个低频速度传感器定子铁芯水平和垂直方向共安装六个振动传感器X、Y向以及安装的是MLS-9H型低频速度传感器Z向安装的是MLS-9V型低频速度传感器3.2.1.3机组振动监测画面被测物SN壳体线圈永久磁铁弹簧3.2.1.4MLS-9型传感器原理MLS-9型传感器是磁电式(惯性式)低频振动传感器,所谓磁电式传感器就是通过电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。电磁感应定律当N匝线圈在均恒磁场中运动时,设穿过线圈的磁通为φ,根据电磁感应定律,得出线圈感应电势NBlvsinθsindtdxNBledtdWe惯性式磁电振动传感器等效系统v0:壳体(被测物)振动速度vm:质量块的绝对运动速度v:质量块相对与外壳的运动速度()mvtM()cFtck0()vt0()()()mvtvtvt()()()0mdvtmcvtkvtdtdt22022()()()()dvtdvtdvtmckvtmdtdtdt220()()()mscskVsmsVs传递函数频响函数()mvtM()cFtck0()vt220()()()VsmsHsVsmscsK22()()|sjmHHsmjcK22(/)()[1(/)]2(/)nnnHj22222(/)()[1(/)]4(/)nnnA22/()arctan1(/)nn/(2)cmK/nKm惯性式磁电振动传感器等效系统磁电式速度传感器的频率响应特性曲线理想情况,当ωω0感应电势:e=NBlv灵敏度:s=NBlωωn的情况下,Av(ω)≈1相对速度V(t)的大小才可作为被测振动速度V0(t)的量度。因此磁电式速度传感器的频率较低,一般为10~15Hz原理扩充返回磁电感应式传感器是速度传感器,可以通过微分器获得加速度信号,通过积分电路获得位移信号。局放监测系统:加拿大IRIS公司HYDROTRAC系统局放传感器:由环氧云母制成的电容耦合式耦合器各机组每相2个,共安装6个电容耦合器(型号:EMC)3.2.2发电机局部放电监测系统电容耦合器参数:带宽:5-350MHz电容值:80PF(±3PF)损耗因数:0.05%工作温度:-55℃~125℃高压电容耦合器通常与定子线棒的环状汇流排跨接线相连,也可以与发电机出口母线相连。3.2.2.1局部放电传感器安装3.2.2.2发电机局部放电监测画面耦合器C1耦合器C2相位相位局放幅值局放幅值局放速率局放速率3.2.2.3发电机局部放电知识基础局部放电是发生在高压定子绕组绝缘中的小电火花。随着定子绕组绝缘的不断恶化,局部放电将快速增长。绝缘材料的电击穿强度是空气电击穿强度的100倍左右如果电压超过空气的电击穿强度,则发生局放空隙越大,放电幅度越高空隙越多,脉冲次数越多通过测量发生在导体中的电流脉冲来监测发生在绝缘中的局部放电局部放电产生的小电火花是水轮发电机定子绕组绝缘老化的一种征兆。由于定子绕组绝缘在电应力、机械应力、热应力和化学应力的作用下渐渐老化,从而导致定子绕组内部的气隙数目增多,局部放电的数量也随着增加。随着单个气隙尺寸的变大,局部放电的幅值也随着上升。注意的是,定子绕组绝缘内部的局部放电并不是直接导致绝缘恶化的原因,而是绝缘在不同老化应力的作用下恶化了的征兆。总之,局放检测通常可以提前至少数月或甚至提前数年预警定子绕组故障的来临。3.2.2.3发电机局部放电知识基础3.2.2.4造成发电机局部放电原因环氧树脂浸渍不良制造质量差或恶化了的半导体涂层绕组端部线圈间距不足线槽内部线圈松动过热(定子绝缘在长期热作用下的热退化现象)绕组由于受到水气、油和灰尘等的污染电动机或发电机的交变负荷电接触不良(严格来讲这并不是绝缘问题)3.2.2.5局部放电脉冲信号特性上升时间极快的小电流脉冲,即:超窄脉宽的脉冲在放电原点处,脉冲的上升时间大约只有1到5纳秒应用公式f=1/T=1/(4×t),f-频率,t-上升时间即:局部放电脉冲的频率f大约在50到250兆赫之间结论:监测局放信号必须在高频段监测,至少在50-250兆赫3.2.2.6局部放电与噪声脉冲尽管可以应用许多不同的方法来采集局部放电数据,但检测方法可靠性的主要标准是在发电机正常运行过程中局放检测系统处理电干扰或电噪的能力。当机组并网运行时,存在着来自不同方面的电噪信号,如电网系统的电晕,电机滑环的电火花,定子绕组外部的电接触不良,机组附近使用的电动工具或电焊设备等产生的电火花。上述电噪信号都会产生与局部放电特征类似的脉冲信号,但是幅值比局部放电信号的幅值高得多。高幅度的噪声脉冲的频率通常小于20兆赫,而局放信号至少在50-250兆赫,则在高频谱范围内监测局放信号可以获得较高的信噪比。监测频率局放脉冲频率脉冲幅度3.2.2.7PDA监测法阿海电厂局放监测系统使用IRIS公司HYDROTRAC系统。其原理为PDA监测法。PDA(PartialDischargeAnalyzer)利用绕组内放电信号和外部噪声信号在绕组中传播时具有的不同特点来抑制噪声。PDA工作原理:若水轮发电机定子每相为双支路(或偶数支数)对称绕组,则在每条支路(在水轮机端部
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