水电机组状态监测与故障诊断研究新进展

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介桂中华男湖南祁阳人博士高级工程师从事水电机组在线监测与故障诊断技术研究文章编号水电机组状态监测与故障诊断研究新进展桂中华潘罗平陆力中国水利水电科学研究院水力机电研究所北京摘要总结了近年来国内外水电机组状态监测与故障诊断研究昀新进展包括水电机组振动稳定性监测技术水轮机效率监测技术水轮机空化监测技术发电机绝缘局放监测技术发电机气隙和磁场强度监测技术主变压器油气监测技术以及水电机组故障诊断技术等并详细分析了水电机组状态监测与故障诊断研究方法和产品应用的主要成果指出其尚未解决的技术问题昀后提出了水电机组状态监测与故障诊断系统未来发展的新趋势关键词水电机组状态监测故障诊断进展中图分类号文献标识码水电机组是水电厂的关键设备机组运行状态的好坏直接影响水电厂的安全运行近年来随着我国水电工程建设的高速发展水电机组的设计越来越向高水头高转速高效率和大容量的方向发展设计实践中的材料强度更高构件更加灵活机组尺寸增加相对刚度减小必然会带来更多的稳定性问题同时随着我国电力企业的厂网分开竞价上网改革的深入提高设备的可靠性和降低维修成本将成为发电企业经济效益的重要考核指标为保障水电机组运行安全过去我国一直沿用计划检修的维修制度它在一定程度上收到了较好的成效但计划检修针对性不强且具有盲目性更不能提前防范设备故障其弊端越来越突出随着计算机技术电子技术现代测试技术信号处理技术以及相关科学技术的快速发展状态检修在世纪年代初露端倪作为一种设备针对性维修模式其以先进的监测技术和可靠的诊断手段为前提以日常的监测和定期检查分析为基础能正确地了解并把握设备的运行状态减少设备维修费延长设备使用寿命起到事半功倍的效果据日本资料报道以状态监测和故障诊断技术为基础的预测性维修可使每年的维修费用减少故障停机时间减少不少国家也有过类似的报道水电机组状态监测与故障诊断的研究已成当今水电运行保障技术发展的必然趋势状态监测技术现状目前国内外研究较多的水电机组状态监测技术包括机组振动稳定性在线监测技术水轮机效率在线监测技术水轮机空化监测技术发电机绝缘局放监测技术发电机气隙和磁场强度监测技术主变压器油气监测技术等国内外在水电站状态监测技术的应用方面做了大量的工作研制开发出了一批实用产品机组振动稳定性监测技术水电机组振动稳定性监测通常包括机组的结构振动主轴摆度水压脉动等参数当前水轮发电机组振动稳定性监测基本原理框图见图振动监测由振动传感器和监测分析系统组成传感器负责收集表征机组振动状态的各种非电量特征参数并转化为可供监测系统使用的电量信号监测分析系统主要包括数据采集数据存储与数据分析大功能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图振动监测原理图机组结构振动监测通常采用低频振动速度传感器和加速度传感器主轴摆度监测采用电涡流位移传感器或电容式非接触位移传感器水压脉动监测采用具有良好动态特性的压力传感器监测测点根据机组型式和容量以及现场实际情况选择表为各种类型水轮发电机组的典型测点配置表一般而言并不是所有机组都需要对如此众多的状态进行在线监测绝大多数机组容易产生故障的因素在机组的安装和运行历史记录中都有反映为此可根据机组运行的实际情况选择其中昀为关注的状态进行监测和分析另外为节约成本对于那些不经常出现故障的项目还可以采用离线检测的方式表水电机组振动稳定性监测典型测点配置测点名称机组型式混流式轴流式可逆式灯泡式备注键相上导摆度下导摆度水导摆度组合轴承摆度上机架水平振动下机架水平振动上机架垂直振动非承重机架可不设下机架垂直振动定子机座水平振动定子机座垂直振动顶盖水平振动顶盖垂直振动组合轴承轴向振动组合轴承径向振动垂直方向水导轴承径向振动水导轴承轴向振动灯泡体径向振动可选定子铁芯振动组组组组轴向位移蜗壳进口压力脉动无叶区压力脉动顶盖下压力脉动尾水锥管压力脉动尾水肘管压力脉动近些年随着发电机单机容量的增大定子绕组所承受的电动力也因此成倍增加因为这种电动力在两导体之间的作用是和电流的二次方成正比特别是定子绕组端部长期处于频率振动作用下如果固定不好短期就可能将绝缘磨损到击穿的程度另外转轮叶片和固定导叶卡门涡引起的共振也越来越引起人们的重视如大朝山电站因转轮叶片卡门涡共振引起转轮叶片快速出现叶片裂纹现象因此机组噪声和定子绕棒端部振动在线监测技术也开始在一些大型机组在线监测中得到应用目前水电机组稳定性监测具有代表性的产品有加拿大维保公司的系统美国公司的系统美国艾默生公司的系统瑞士公司的系统以及国内产品华科同安系统北京奥技异系统深圳创为实系统华中科技大学水机实验室状态监测系统中国水利水电科学研究院机电研究所系统英华达水电机组状态监测与故障诊断研究新进展桂中华潘罗平陆力系统等从国内外水轮发电机组振动稳定性监测的研究及应用情况来看摆度监测技术已经成熟而当前水电机组低频振动测量仍是个难点问题机组振动测量可以采用非接触式的涡流传感器或接触式的低频速度传感器另外还有加速度振动传感器涡流传感器的精度较高频率响应范围甚宽低频下限可认为昀适用于涡带频率较低的水电机组的振动测量但涡流传感器用于振动测量时安装十分不便加速度振动传感器的频响下限较高通常应用于汽轮发电机组不宜用于水电机组振动监测接触式低频速度传感器安装方便且能测量频率较低的振动适合水电机组振动测量但是这类传感器在遇到较大的突变情况如机组开机的冲击或晃动时其输出信号会产生畸变水轮机效率监测技术水轮机运行的基本要求有两个重要指标一是可靠性指标二是经济指标以水轮机效率为核心的水电机组效率监测无论从机组经济运行角度还是从提高电站自动化水平的角度都是极其重要的国内外在这方面也做了较多的尝试和研究水轮机效率监测需要对水轮机流量工作水头有功功率接力器行程无功功率等参数进行采集测量除流量外其他参数在大中型水电厂已实现了自动监测采集数据具有较高的精确度水轮机过机流量的测量方法很多但能适用于在线测量的通常只有两种方法超声波法和蜗壳差压法蜗壳差压法采用差压变送器测量蜗壳差压值然后利用流量关系式完成流量监测因为其操作比较容易造价低因此较为实用超声波时差测量法是一种比较成熟的监测方法国内外一些公司在积极探索超声波流量测量的方法并取得了一定的成果但针对水轮机的特殊流道条件其测量精度和稳定性方面有待进一步提高另外这两种方法都存在现场标定的困难水轮机效率监测技术在国外应用较好比如美国田纳西河流域管理局自行开发水力监测软件用于在线监测水轮机效率保证水轮机运行于高效率区近几年国内水电机组的经济运行开始受到越来越多的重视加之超声波测流技术的普及产品成本的降低和可靠性的提高在国内水轮机效率监测技术也得到了越来越多的应用水轮机空化在线监测空化作为水轮机破坏的主要形式之一直接影响水轮机的能量特性使其效率出力下降还可导致机组振动水压脉动增加尤其在泥沙磨损的联合作用下其破坏更加强烈严重威胁机组的稳定性大大缩短水力机组的运行周期增加检修工作量带来昂贵的维修成本和巨额的发电损失因此研究水轮机空化监测方法并研制相应的系统具有极大的学术价值和经济效益世界各国对空化产生的机理进行了广泛深入的研究清楚地了解了空化发生的条件及产生的结果但如何在工程实际中监测空化现象的发生及判断空蚀程度至今仍在不断的探索中当前我国水轮机空化监测的研究才刚刚起步国内清华大学华中科技大学西安理工大学等研究机构采用了超声波传感器并配合使用加速度计对水轮机空化的在线监测技术进行了研究开发了一些空化监测系统为在线监测与诊断水泵和水轮机的空化现象提供了简捷易行的手段但这种空化监测技术无法确定空化强度与空化特征参数之间的定量关系其监测系统也只能作为一个运行的参考还不能诊断机组空化强度及发生空蚀程度在国外研究人员开发了一些比较实用的监测技术卢森堡水轮机气蚀多维监测与诊断公司在水轮机空化机理及监测方面做了大量的科研工作的研究人员发现空化产生振动声场能把空化水流及由其引起磨蚀信息从水传至水轮机无水侧为识别空化提供了一种指纹在此基础上研制了一项新的多维空化监测技术并开发了水轮机多维气蚀监测系统其基本做法是在水轮机的适当位置安放多个振动声响传感器以测量在适当频带内的噪声强度计算反映水轮机空化脉冲性能的噪声脉冲频率或者比较在各种功率设定值下所收集的噪声频谱进行多维水轮机空化评估水轮机诊断和监测多维技术具有较高的灵敏度可在空化发展的初期探测到破坏并为优化运行提供了可靠的依据另外该技术提供的关于水轮机空化特性改变原因的大量数据有助于可靠的诊断和优化维修计划发电机气隙和磁场强度监测技术自年月第一个气隙传感器在加拿大加利隆水电站投入使用以来发电机气隙监测技术不断改进美国英国瑞士巴西等许多国家的水电站都安装水电机组状态监测与故障诊断研究新进展桂中华潘罗平陆力了气隙监测系统目前水轮发电机的气隙与磁场强度测量都是通过平板电容式传感器及配套前置器由计算机进行数据采集存储和输出气隙采用的电容式位移传感器是利用传感器平板与被测表面之间的等效电容的变化反映两个平面之间的距离同时传感器为平板形式适合于安装在定转子之间典型传感器有加拿大公司生产的空气气隙传感器和磁场强度传感器图图加拿大公司生产的气隙监测用传感器水轮发电机气隙传感器监测数量可根据发电机的结构参数来配置一般转子直径小于时建议配置个传感器大于时建议配置个传感器图对于发电机转子高度较高的机组建议在定子上部和下部分两层分别安装或个测点布置为沿周向均刀分布如布置个测点通常布置在方位磁场强度传感器每台机组安装个采用粘贴方式粘贴在紧靠气隙传感器的位置如图所示图气隙测点布置示意图单层布置加拿大维保监测公司专为监测水轮发电机转子和定子结构的动态性能而设计开发了发电机气隙监测系统在国外大型水电机组与矿用电机中广泛使用到年底已在多台机组上安装了该系统系统提供定转子气隙的数值昀大值昀小值和平均值而且还可进行详细分析给出定转子圆度等参数是目前较为完善和成熟的气隙在线监测系统我国水轮发电机气隙的在线监测技术研究相对较晚几乎没有成功应用的国产系统近年来随着在线监测系统的开发和应用国内一些单位采用集成或引进的方式安装了公司的系统如国内三峡岩滩白山二滩沙溪口等水电厂进行了安装和应用取得了一定的应用经验绝缘局放监测技术据统计水电机组有大约的故障来源于电气其中的故障归咎于定子绕组绝缘的老化或退化迄今为止一致认为局放放电是电机常见事故之一局部放电是指水轮发电机定子绕组绝缘层的内部或边缘发生的非贯穿性放电现象在高压绝缘系统中在绝缘内部小空隙里或者在绝缘的表面都有可能发生局部放电由于定子绕组长期受高温高电压振动以及油污潮湿和化学物质的作用绕组绝缘将会逐渐恶化并昀终导致发电机定子绕组绝缘故障通过在线监测发电机定子绕组局部放电可及时评估发电机定子绕组的绝缘状态提前发现故障早期征兆避免恶性事故水电机组状态监测与故障诊断研究新进展桂中华潘罗平陆力的发生发电机局部放电在线监测目前以电测法的脉冲电流法为主流方法主要方法有发电机中性点耦合射频监测法便携式电容耦合监测法发电机出口母线上成对耦合电容器法发电机定子槽耦合器法以及定子槽埋置电阻式测温元件监测法发电机出口母线上成对耦合电容器法适用于水轮发电机因水轮发电机相对体积大便于耦合器安装发电机出口母线上成对耦合电容器法的局部放电信号是通过安装在发电机定子绕组上各相汇流环或发电机出口母线上的高压耦合电容器获取的每相各有一对耦合电容器每对耦合器的安装位置有一定的空间距离以便消除来自电机外部的干扰实际上使两支路参数完全对称是很难的因此应尽可能减少这种不对称或采用延时线进行补偿以提高抑制干扰的能力另外耦合电容的可靠性会影响到机组的可靠性图环氧云母电容器早期用于局部放电信号监测的电容传感器容量一般都在范围内年首次采用了的电容传感器如图所示此电容传感器的等效电路下限截至频率在左右而干扰信号分量一般都远小于该频率因此采用的电容传感器信号的信噪比较高可以避免误警现象而且电容容量小传感器的体积小寿命高安装容易保证了被测系统的安全性据报道加拿大公司的的电容传感器以及局放监测系统已经在上千台发电机上使用国内在局部放电在线监测方