陳晨

（中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350001）

當(dāng)前水電站的運(yùn)行管理模式正朝著“無人值班，少人值守”的方向發(fā)展，機(jī)組的自動(dòng)化程度日益提高。為了確保機(jī)組能夠安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，在大中型水電站裝設(shè)機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必須和重要的。通過在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，在常規(guī)的溫度和電量監(jiān)控以外，加強(qiáng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、分析和診斷，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的缺陷和隱患，有針對(duì)性地對(duì)機(jī)組進(jìn)行維護(hù)，減少突發(fā)性故障，同時(shí)也為狀態(tài)檢修的實(shí)施提供支撐。

1 概述

仙游抽水蓄能電站地處福建省仙游縣西苑鄉(xiāng)半嶺村，裝有四臺(tái)容量為300MW的可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組。電站2013年投入運(yùn)行，幾年來結(jié)合運(yùn)行過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過不斷的完善和技術(shù)改造，目前安裝使用了1套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和1套轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。23機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電站建設(shè)過程中根據(jù)設(shè)計(jì)裝設(shè)了1套機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，2013年起隨著機(jī)組的投運(yùn)而同步投入使用。幾年來，由于設(shè)備存在系統(tǒng)易死機(jī)、模塊易損壞、抗干擾能力差等諸多問題，始終無法充分發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。在此情況下，2017年起，電站逐步對(duì)原有的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，安裝了新的GMH550狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)組成

GMH550狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、分析和診斷的功能。它可以幫助運(yùn)維人員了解和掌握設(shè)備狀態(tài)，以便盡早發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷和隱患，同時(shí)還可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生，確保機(jī)組安全運(yùn)行。系統(tǒng)分為上位機(jī)層、現(xiàn)地層、傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層。上位機(jī)層由Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器等組成；現(xiàn)地層由穩(wěn)定性單元、振擺保護(hù)單元、氣隙單元等組成；傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層由各類傳感器、前置器等組成。

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)

（1）機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)包括振動(dòng)、擺度、軸向位移和壓力脈動(dòng)等。根據(jù)仙游抽水蓄能機(jī)組的特點(diǎn)，各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)點(diǎn)設(shè)置如下。

①機(jī)組振動(dòng)：對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組，由于其主要是低頻振動(dòng)，因此監(jiān)測(cè)上采用適合低頻測(cè)量的速度傳感器。分別在頂蓋、上機(jī)架、下機(jī)架各設(shè)置3個(gè)振動(dòng)傳感器，其中水平方向+X、+Y各設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，垂直方向設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。②機(jī)組擺度：采用電渦流傳感器，分別在上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)的水平方向+X、+Y各設(shè)置1個(gè)擺度傳感器。根據(jù)每處+X、+Y方向的傳感器測(cè)得的信號(hào)，可以直觀的得到軸心的運(yùn)行軌跡，而將上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)3處的軸心軌跡相連，則可以獲得機(jī)組大軸的運(yùn)行姿態(tài)。③軸向位移：采用電渦流傳感器，在機(jī)組推力頭上部設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。④定子鐵芯振動(dòng)：針對(duì)定子鐵芯的電磁振動(dòng)，由于其振動(dòng)頻率較高，因此監(jiān)測(cè)上采用適合高頻測(cè)量的加速度傳感器。在定子鐵芯均勻設(shè)置了3組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，每組包含1個(gè)水平測(cè)點(diǎn)和1個(gè)垂直測(cè)點(diǎn)。⑤壓力脈動(dòng)：采用高精度的壓力傳感器。在蝸殼進(jìn)口設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，尾水管進(jìn)口設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)輪與頂蓋間設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，尾水肘管設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（2）氣隙監(jiān)測(cè)。氣隙監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)的是定子與轉(zhuǎn)子間的空氣間隙。當(dāng)定子與轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)偏心或者形貌不圓時(shí)就會(huì)造成定子與轉(zhuǎn)子間的空氣間隙不均勻，使得磁拉力不平衡，從而引起機(jī)組振動(dòng)，影響發(fā)電電動(dòng)機(jī)的電氣特性和機(jī)械性能。通過氣隙監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確地判斷出定子、轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和變化趨勢(shì)，檢驗(yàn)機(jī)組制造、安裝、檢修等工作的質(zhì)量。氣隙監(jiān)測(cè)采用電容式傳感器，在發(fā)電機(jī)定子的上部和下部沿周向各均勻布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（3）工況參數(shù)監(jiān)測(cè)。由于機(jī)組的運(yùn)行特性會(huì)隨著功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度等參數(shù)實(shí)時(shí)變化，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同過程、工況下機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的診斷分析，系統(tǒng)還從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)采集了有功功率、無功功率、導(dǎo)葉開度、GCB開關(guān)位置、滅磁開關(guān)位置、換相開關(guān)位置、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行過程和工況進(jìn)行辨別，再結(jié)合其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來分析評(píng)價(jià)機(jī)組在不同情況下的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。通過各類傳感器對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度、軸向位移、壓力脈動(dòng)、空氣間隙、磁場(chǎng)強(qiáng)度等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

（2）優(yōu)化運(yùn)行功能。通過對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總分析，掌握機(jī)組不同運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性，以便對(duì)較不穩(wěn)定的區(qū)域，在運(yùn)行過程中予以主動(dòng)規(guī)避。

（3）故障預(yù)警診斷功能。利用各種分析計(jì)算，跟蹤趨勢(shì)變化，發(fā)現(xiàn)故障隱患，提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，故障診斷分析系統(tǒng)還可以為查找故障原因、解決故障提供專業(yè)的故障診斷分析。

（4）報(bào)警保護(hù)功能。采用限值報(bào)警方式，對(duì)每個(gè)通道設(shè)立兩個(gè)報(bào)警值，當(dāng)通道監(jiān)測(cè)數(shù)值超過一級(jí)報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，超過二級(jí)報(bào)警時(shí)發(fā)出停機(jī)信號(hào)。同時(shí)，針對(duì)各種不同的工況，設(shè)定了不同的報(bào)警值，以提高報(bào)警的準(zhǔn)確性。

（5）遠(yuǎn)程診斷功能。系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程分析中心模式，在電站層面可以方便的構(gòu)建電站級(jí)的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，而利用上位機(jī)的Web 服務(wù)器，系統(tǒng)還可直接與國(guó)網(wǎng)新源遠(yuǎn)程診斷中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷的功能。

1.4 應(yīng)用情況

GMH550狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入使用以后，通過與現(xiàn)場(chǎng)開展的機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)相比對(duì)，兩者之間較為吻合，說明其采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。投運(yùn)以來，裝置整體運(yùn)行穩(wěn)定，在日常的運(yùn)行維護(hù)中起到了很好的監(jiān)測(cè)預(yù)警作用，振擺超限跳機(jī)功能的投入，也為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了更有力的保障。在2018年開展的2號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修過程中，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組上導(dǎo)瓦支撐改造及上導(dǎo)瓦間隙調(diào)整、下導(dǎo)瓦間隙調(diào)整、水導(dǎo)瓦間隙調(diào)整、轉(zhuǎn)子配重等一系列工作，起到了很好的分析、指導(dǎo)和檢驗(yàn)的作用。

2 轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2017年起，電站數(shù)次出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地靈敏段動(dòng)作以及轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地動(dòng)作的故障，2018年1月1日，2號(hào)機(jī)組還出現(xiàn)了一起由于絕緣降低集電環(huán)對(duì)地放電的事故。在此情況下，2018年電站進(jìn)行了這方面的技術(shù)改造，為機(jī)組增設(shè)了貴陽(yáng)新光的WL2CA-S2型轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測(cè)及其接地定位裝置和ZDL2-S2型轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測(cè)及其定位裝置。

2.1 轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測(cè)及其接地定位裝置

目前針對(duì)轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣一般都設(shè)置了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，在保護(hù)原理上分為電橋式、注入交流電壓式、注入直流電壓式等。其保護(hù)定值一般在1kΩ到10kΩ之間。由于整定值較低，因而不能對(duì)轉(zhuǎn)子繞組接地故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，只有當(dāng)報(bào)警或停機(jī)動(dòng)作后才能發(fā)現(xiàn)，從而對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全造成了影響。WL2CA-S2型轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測(cè)及其接地定位裝置能夠在接地故障發(fā)生前，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子絕緣變化趨勢(shì)，直觀顯示絕緣降低部位，其對(duì)地電阻顯示范圍可達(dá)10MΩ；而在接地故障發(fā)生后，裝置除了能發(fā)出報(bào)警信號(hào)外，還能直接確定故障位置，減少故障查找的時(shí)間，提高缺陷處理的效率。

2.2 轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測(cè)及其定位裝置

在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣層的材料很薄，受絕緣老化的影響和離心力的作用，轉(zhuǎn)子匝間短路故障比較容易出現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，可能出現(xiàn)兩方面的問題。一是，轉(zhuǎn)子電流增大，繞組溫度升高，造成轉(zhuǎn)子繞組和鐵芯的損壞；二是，機(jī)組振動(dòng)加大，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。ZDL2-S2型轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測(cè)及其定位裝置，通過采用磁極波判定法和峰-峰值判定法等方法，可以對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的運(yùn)行狀況和磁極波形進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)，裝置能夠快速發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并確定出故障磁極。

2.3 應(yīng)用情況

2017年起至今，幾臺(tái)機(jī)組相繼出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子回路絕緣下降較快的現(xiàn)象。究其原因，一是隨著機(jī)組投運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，機(jī)組集電環(huán)與碳刷的磨損也日益增大；二是由于集電環(huán)室內(nèi)排油霧效果不好，使得油霧較多。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，碳粉和油霧彌漫在空氣中，吸附在集電環(huán)的絕緣套管和絕緣墊塊上，造成轉(zhuǎn)子回路絕緣下降，引發(fā)接地故障。針對(duì)這一問題，在轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入使用后，運(yùn)維人員通過該系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在轉(zhuǎn)子回路絕緣下降之初就能夠提早發(fā)現(xiàn)，從而及時(shí)安排維護(hù)和狀態(tài)檢修，避免了接地故障的發(fā)生，保障了機(jī)組安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

抽水蓄能電站作為一種重要的調(diào)節(jié)工具，在電網(wǎng)中發(fā)揮著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等重要作用；而抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜的特性，也對(duì)機(jī)組運(yùn)維和檢修的水平提出了更高的要求。通過在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在抽水蓄能機(jī)組的推廣應(yīng)用和完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組故障的準(zhǔn)確分析和及時(shí)預(yù)測(cè)，將有效的提升抽水蓄能機(jī)組安全運(yùn)行的水平，同時(shí)也為機(jī)組的檢修工作從計(jì)劃性檢修向狀態(tài)檢修發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。