摘要：高壓水力發(fā)電設(shè)備和電力變壓器是水力發(fā)電站的主要設(shè)備，其重要性不言而喻，國內(nèi)大多數(shù)大型水力發(fā)電設(shè)備的運行監(jiān)測仍處于相對薄弱的環(huán)節(jié)。對于大型的水輪機、發(fā)電機以及大容量的高壓發(fā)輸電、供變電設(shè)備，影響這些關(guān)鍵設(shè)備運行安全的主要因素是各方面的應(yīng)力變化，根據(jù)被測對象的特性如振動的機械應(yīng)力、溫度的熱應(yīng)力、絕緣強度和電壓強度的電場應(yīng)力等確定合適的采樣傳感器和傳輸方式后（某些傳感器需要在高電位端選擇適當?shù)娜∧芊绞剑?，?jīng)有線或無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至后臺上位機和數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了對一次關(guān)鍵設(shè)備運行狀況的實時監(jiān)控，進而實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的可觀測、可控制和自動化操作，為智能化電站的發(fā)展提供有利條件。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測；采樣；應(yīng)力；傳輸方式；智能電網(wǎng)

作者簡介：孫紅霞（1960-），女，滿族，遼寧西豐人，鐵嶺師范高等?？茖W(xué)校，副教授。（遼寧 鐵嶺 112008）

中圖分類號：TV741；TM930 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0235-02

對高壓水力發(fā)電設(shè)備和電力變壓器監(jiān)測運行安全的主要目的是危險預(yù)測和防范，對監(jiān)測儀器的真正要求并不在于像正式計量那樣需要達到如0.2%水平的高精度和準確度，而是更加注重信號采樣和傳輸途徑的穩(wěn)定性與可靠性，重復(fù)精度達到2%～5%即可完全滿足預(yù)警系統(tǒng)的基本使用要求?？茖W(xué)設(shè)置合理的、多層預(yù)警門檻，監(jiān)測回報信號的重復(fù)間隔時間的長短是和實測值與正常值的大小有著直接關(guān)系，偏離正常值越大回報間隔越短。反之亦然，這也是大多數(shù)監(jiān)測環(huán)節(jié)采取節(jié)能環(huán)保的理想方案。

一、信息采樣與傳輸方式的多樣性

在測量電參量時傳統(tǒng)的信息傳輸技術(shù)大多使用PT、CT采用有源以及有線的信息傳遞技術(shù)，傳統(tǒng)的信息傳輸技術(shù)歷史悠久，目前為止已經(jīng)運用得相當成熟。

近年來出現(xiàn)了許多新型的基于無線傳輸、紅外傳輸和光纖傳輸?shù)刃录夹g(shù)的監(jiān)測設(shè)備，它們能夠與最新的科學(xué)技術(shù)成果相結(jié)合，在實際的工程應(yīng)用當中發(fā)展迅速。新型監(jiān)測設(shè)備非常方便和行之有效，可以根據(jù)現(xiàn)場所有被監(jiān)測對象的特性、種類和數(shù)量等設(shè)計一個有限的無線局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的終端通過計算機后臺統(tǒng)一方便管理，監(jiān)測傳遞來的幾十個甚至幾百個監(jiān)測點數(shù)據(jù)。

有限的局域網(wǎng)終端處理機其主要功能在于有效管理和分析實測數(shù)據(jù)，并且向中心控制室的上位機提供有使用價值的數(shù)據(jù)，同時可根據(jù)采集數(shù)據(jù)的實際情況設(shè)置智能分析程序，對某些幾倍于或遠低于正常值水平的數(shù)值進行更為科學(xué)的統(tǒng)計學(xué)幾率計算和插值估值以及平均值或真有效值還原，最大限度地去偽存真，提取其有效成分和使用價值。同樣終端機也可以分段設(shè)置實測值與正常值的差值，以差值的大小強度來確定數(shù)據(jù)的緊急和優(yōu)先程度。

對于監(jiān)測水輪機或發(fā)電機軸振動的機械應(yīng)力，以及斷路器觸頭溫度的熱應(yīng)力，均可采用形變電阻、熱敏電阻或機械能轉(zhuǎn)換成的電信號的聲波/電壓變換器來采集信號，由于這些應(yīng)力變化的時間常數(shù)都比較長，采用無線傳輸?shù)姆绞奖容^適合。特別是水輪機、發(fā)電機軸或是斷路器觸頭，在有外罩保護的情況下，其傳輸方式會顯得較為麻煩，而無線傳輸具有不受空間所限的優(yōu)勢，實現(xiàn)起來較為容易。

對于監(jiān)測電場應(yīng)力及電量變化的對象，例如變壓器的絕緣狀態(tài)、斷路器的合分變化狀態(tài)都是時間常數(shù)非常短，而且有快速瞬態(tài)變化過程的信號。因此，采樣方式大多使用電容分壓器、電阻分壓器或阻容式分壓器來進行電壓取樣，電流采樣通常采用Rogowski線圈（羅氏線圈）或無感分流器來取樣，而傳輸部分通常采用光纖或紅外傳輸方式。

二、高電位端采樣供電電源的多種形式

如果采用無線傳輸?shù)牟蓸有问?，一般首選使用高能量的鋰電池作為能量供應(yīng)，一般3.7V/0.5AH的高性能電池可以使用3～5年，這種電源供給方式占用空間很少、安裝靈活更換方便，達到使用期限后全部換新即可。

如果安裝位置可使用的空間余地較大，也可以采用安裝太陽能電池板和市電射燈的組合方式。太陽能電池板的作用是利用射燈的光隔離作用得到高電位隔離電源，太陽能電池板通過隔離二極管輸出給儲能電容作為儲能充電環(huán)節(jié)；也可以通過DC/DC變換器得到所需的供電電壓，這樣只要設(shè)備不損壞就可實現(xiàn)無線傳輸?shù)拈L期電力供應(yīng)。

如果在高電位端需要對較大的電流進行采樣，電流互感器可以采用復(fù)合鐵心結(jié)構(gòu)，即使用鐵基納米非晶和硅鋼復(fù)合的鐵心。鐵基納米的初始磁導(dǎo)率高4萬～8萬G/O，在母線很小的電流下也能產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢；而硅鋼鐵心飽和磁通密度比較高，一般為1.8～2.0T抗飽和能力強，在母線電流很大時仍可產(chǎn)生足夠的能量。

圖2是高電位端復(fù)合鐵心線圈的繞制方式。

在一個復(fù)合鐵心上同時繞制兩種線圈，一個為取能線圈，通過整流模塊整流后為供電模塊提供電能；另一個為控制線圈，通過另一個整流模塊給控制模塊供電。當取能模塊的整流電壓Udc大于某一設(shè)計電壓時，控制模塊起作用，提供反向磁通和分流，使復(fù)合鐵心中的主磁通保持不變，同時使取能線圈I2×N2保持不變，最終達到輸出電壓不變。表1列出了一組測試數(shù)據(jù)。

表1 高電位端電流互感器測試數(shù)據(jù)

母線電流（A） 12 20 300 600 1800 3000 5000 8000 10000

整流取能模塊輸出電壓Udc（V） 3.31 9.44 10.56 11.32 12.11 12.44 12.32 19.26 18.79

穩(wěn)壓電源輸出U2（V） 2.61 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69

注：當母線電流大于20A時，控制模塊參與工作，開始調(diào)節(jié)Udc值，使其變化趨緩，這種取能方式一般在大型電流互感器中采用。由于這種電子電流傳感器其本身的通流容量很大，所以配置相應(yīng)的取能電路并不復(fù)雜。

三、典型的采樣和傳輸系統(tǒng)

對于監(jiān)測機械應(yīng)力的場合，通常采用機械能/電能轉(zhuǎn)換模塊采樣，它可以方便地把運動或靜止的機械能量轉(zhuǎn)換成電信號進行傳輸。由于設(shè)備空間的限制許多監(jiān)測對象都采用無線傳輸?shù)姆绞?，而且這些監(jiān)測對象的變化曲線相對緩慢，慣性時間常數(shù)比較大，圖3展示了上述系統(tǒng)的框圖，高壓電氣設(shè)備的觸頭溫度監(jiān)控也可歸屬于這一類。

對發(fā)電機內(nèi)部進行測溫時，傳統(tǒng)測溫采用埋設(shè)鉑電阻PT100的方式，缺點是安裝空間小，布線復(fù)雜且容易損壞，而采用無線傳輸技術(shù)安裝調(diào)試簡單，測量準確可靠。可在瓦上安裝溫度傳感器，傳感器把溫度轉(zhuǎn)換為無線發(fā)射信號，無線接收器安裝在推力油槽外殼上，通過無線接收器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再由RS485無線傳輸媒介使用MODBUS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C接收器，進而把數(shù)據(jù)上傳到上位機，工作站通過上位機設(shè)定溫度預(yù)警值和溫度變化率預(yù)警值。

對于監(jiān)測電場應(yīng)力的場合，對電壓類信號如絕緣強度和電壓幅度的采樣，通常會用電容或阻容分壓器作為衰減探頭；而對漏電流或強電流的采樣一般采用無感分流器或羅式空心線圈，傳輸方式大多采用光纖傳輸，光纖傳輸方式可以分為兩種：±1%精確度的系統(tǒng)采用模擬電壓/頻率的調(diào)制解調(diào)方式就可達到；而0.2%精確度的系統(tǒng)就得采用模擬電壓/數(shù)字計算機。前者造價大約是后者造價的1/4。圖4展示了這種傳輸系統(tǒng)的框圖。

四、高壓水電設(shè)備監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

水力發(fā)電站的機電設(shè)備在電力系統(tǒng)中的重要性不言而喻，隨著時代發(fā)展和科技進步，對設(shè)備監(jiān)測的要求也將越來越高，目前已經(jīng)可以實現(xiàn)或正在發(fā)展以下監(jiān)測技術(shù)：

1.加強對流量和磁場的監(jiān)測

在監(jiān)測傳統(tǒng)的溫度和壓力參數(shù)的同時，增加了對液體和氣體的變量，如流量、流速和風速的監(jiān)測。如在發(fā)電機蝸殼出口、導(dǎo)葉進口、頂蓋下空腔和尾水管入口處增加流量傳感器監(jiān)測水壓脈動；在發(fā)電機中增加對磁場強度的監(jiān)測，例如在定子上端上游側(cè)槽楔處增加非接觸式磁場強度傳感器，可以監(jiān)測到最小磁場強度和相位變化，進而判斷產(chǎn)生振動的原因是否為電磁力，判斷是否存在匝間短路等故障以及檢測機組定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和組件由于振動、過熱等導(dǎo)致的不平衡。

2.對機械設(shè)備物理參量的監(jiān)測

對轉(zhuǎn)動的機械設(shè)備增加振動和擺度的監(jiān)測，例如在發(fā)電機定子線棒端部每支路分別加裝1只振動傳感器，對發(fā)電機定子線棒的徑向振動（即線棒與定子鐵心的相對振動）傳感器與目標之間的距離變化進行監(jiān)測。

3.對一次主電氣設(shè)備的絕緣情況進行監(jiān)測

如對發(fā)電機和主變壓器增加局部放電監(jiān)測點，局部放電分析系統(tǒng)的耦合器監(jiān)測到發(fā)電機定子絕緣系統(tǒng)內(nèi)和主變壓器內(nèi)的局部放電脈沖，通過對各相放電量、放電次數(shù)以及放電相位的分析、計算可以明確一次主設(shè)備絕緣損傷程度和產(chǎn)生局部放電的大致位置，對設(shè)備的預(yù)警、維修起到很大作用。

4.增加監(jiān)測點數(shù)量，滿足對發(fā)電機運行時的參數(shù)監(jiān)測

對傳統(tǒng)的三部軸承、發(fā)電機定/轉(zhuǎn)子的監(jiān)測建議采樣點由幾十個增加到數(shù)百點，對發(fā)電機的運行參數(shù)如定子電壓和電流、轉(zhuǎn)子電壓和電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、P-Q曲線、負序電流、零序電流、并網(wǎng)相角、頻率、發(fā)電機定子鐵芯和繞組溫度、發(fā)電機冷卻水溫度和發(fā)電機轉(zhuǎn)子平均溫度等進行全方位監(jiān)測。

5.數(shù)據(jù)監(jiān)測的智能化發(fā)展

監(jiān)測設(shè)備與主設(shè)備的控制/測量系統(tǒng)智能一體化，采樣的數(shù)據(jù)接入電站的統(tǒng)一的整體系統(tǒng)聯(lián)合運行，提高數(shù)據(jù)處理速度和智能化，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時記錄在硬盤上，以便事故追憶與指導(dǎo)維修，同時可通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到高級數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程訪問調(diào)用。

五、結(jié)語

當今時代，智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，發(fā)電廠作為電網(wǎng)的重要組成部分，其智能化建設(shè)是社會發(fā)展的必然。利用多種類型的傳感器對高壓水力發(fā)電機、電力變壓器等一次關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)控，進而實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的可觀測、可控制和自動化操作。智能化控制使其在具有傳統(tǒng)功能的同時，實現(xiàn)了多種類型參量采集、數(shù)字化數(shù)據(jù)采集以及測量、控制、監(jiān)測、保護功能的一體化融合設(shè)計，合理利用電站現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)或者新建專用的智能電站網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)電站的智能化發(fā)展，以適應(yīng)智能電網(wǎng)的運行要求。

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（責任編輯：王祝萍）