蔣友凱，梅人杰，侯曉宇，婁騰升，顧鑫名，劉云平，高 濤

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城 245300；2.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

1 引言

隨著新型電力系統(tǒng)的推進(jìn)，風(fēng)光等新能源在系統(tǒng)內(nèi)占比快速增加，抽水蓄能的削峰填谷以及事故備用的作用越發(fā)突出，抽水蓄能機(jī)組工況類型多，切換較為頻繁，使機(jī)組本身的安全性面臨著更大的考驗(yàn)。因此，對抽水蓄能機(jī)組重要部件進(jìn)行在線監(jiān)測，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、提前預(yù)警異常信息，減少長期振動(dòng)、局部高溫、強(qiáng)電磁環(huán)境、油霧粉塵等因素可能導(dǎo)致的部件性能下降或損壞，從而造成非計(jì)劃停機(jī)，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，抽蓄機(jī)組標(biāo)配的部件狀態(tài)和特征參量數(shù)量較少，一些重要部件狀態(tài)和特征參量的獲取，主要依靠手段仍然是采用人工定期現(xiàn)場巡檢模式。面對數(shù)量眾多的發(fā)電部件及其特性參數(shù)，這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方式需要耗費(fèi)大量的人力，工作負(fù)荷大，并且無法對發(fā)電設(shè)備做到全面實(shí)時(shí)掌控。因此，無論是電站無人值守、少人值守提升工作便利性的需求，還是“定期檢修”到“預(yù)防性檢修”減少非計(jì)劃停運(yùn)，保障機(jī)組運(yùn)行效益的要求，都需要加強(qiáng)機(jī)組狀態(tài)感知，提升機(jī)組智慧水平。本文分析了抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子的工作特點(diǎn)、運(yùn)行狀態(tài)、主要監(jiān)測方式，以發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子穿心螺桿絕緣監(jiān)測為例，討論有線和無線兩種監(jiān)測方式的適用情況，并提出一種可靠的螺桿絕緣有線監(jiān)測信號引出結(jié)構(gòu)。為發(fā)電機(jī)組智慧化水平提升提供理論依據(jù)和應(yīng)用方法。

2 接觸式監(jiān)測與非接觸式監(jiān)測

針對抽蓄機(jī)組重要部件，開展先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)研究，消除關(guān)鍵區(qū)域監(jiān)測盲點(diǎn)，加強(qiáng)機(jī)組狀態(tài)感知功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)組智慧化功能的重要途徑。抽水蓄能機(jī)組與常規(guī)水電機(jī)組相比，工況更加復(fù)雜，這既為機(jī)組運(yùn)行帶來新的風(fēng)險(xiǎn)隱患，也對感知監(jiān)測技術(shù)的可靠性提出了更高的要求。與此同時(shí)，監(jiān)測某類物理量的技術(shù)，在機(jī)組不同的區(qū)域應(yīng)用時(shí)，其通用性往往會(huì)受到一定的限制，目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，針對同一類物理量已經(jīng)有多種監(jiān)測技術(shù)路線可供選擇，可以實(shí)現(xiàn)不同場景的準(zhǔn)確、安全可靠監(jiān)測[1，2]。以熱學(xué)類參數(shù)為例，常用的經(jīng)過工業(yè)場景實(shí)踐檢驗(yàn)的監(jiān)測技術(shù)有：紅外溫度監(jiān)測、基于射頻的溫度監(jiān)測、光纖溫度監(jiān)測等。對于機(jī)械振動(dòng)，常用的監(jiān)測技術(shù)有位移檢測、光纖測振等。

總體而言，各類監(jiān)測技術(shù)可以分為接觸式監(jiān)測與非接觸監(jiān)測兩大類。由于接觸式監(jiān)測可以直接接觸被測對象，相對非接觸監(jiān)測方式，其監(jiān)測精度更高。但是接觸式測量需要將監(jiān)測設(shè)備部署在被測對象上，相對非接觸監(jiān)測方式，其對設(shè)備抗振動(dòng)、抗電磁干擾、防護(hù)等級、高溫環(huán)境下的長期可靠性、信號線纜布設(shè)等均有更高要求。

針對具體監(jiān)測場景，選用接觸式監(jiān)測還是非接觸監(jiān)測的技術(shù)路線，往往需要提前策劃，而被測部件的工作特點(diǎn)、環(huán)境狀態(tài)等是重要的參考因素。下面以發(fā)電電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子為例，闡明抽蓄機(jī)組關(guān)鍵部件的工作特點(diǎn)、環(huán)境狀態(tài)與監(jiān)測方式選取方法。

3 發(fā)電電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子區(qū)域監(jiān)測淺析

長期以來，行業(yè)內(nèi)對監(jiān)測機(jī)組關(guān)鍵部件性能參數(shù)做了較多探索，并取得了監(jiān)測技術(shù)成果。然而受限于現(xiàn)有的技術(shù)水平，部分監(jiān)測方法應(yīng)用時(shí)對環(huán)境要求較高，在抽蓄機(jī)組監(jiān)測的運(yùn)用場景受到了一定的限制，監(jiān)測方法的持續(xù)開發(fā)與應(yīng)用仍然任重而道遠(yuǎn)。

3.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)

（1）正反轉(zhuǎn)。抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)在發(fā)電工況和抽水工況下旋轉(zhuǎn)方向相反，電磁環(huán)境和機(jī)組狀態(tài)都有所不同。

（2）啟停頻率高。由于抽蓄電站在電網(wǎng)中調(diào)峰、調(diào)頻、保電、備用等作用，發(fā)電與抽水工況切換頻繁。

（3）有專門的啟動(dòng)方式。抽水蓄能機(jī)組抽水一般采用靜止變頻器啟動(dòng)或者背靠背啟動(dòng)，導(dǎo)致電氣接線、控制操作復(fù)雜。

（4）過渡過程工況復(fù)雜。在工況轉(zhuǎn)換過程中要經(jīng)歷各種瞬態(tài)過程，這些瞬態(tài)過程使得機(jī)組需要承受更多的振動(dòng)。

（5）轉(zhuǎn)速高。部件高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜化，同時(shí)對高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件本身的監(jiān)測也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

3.2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

（1）電壓高。發(fā)電機(jī)線圈本身具有較高電壓，部分電站在長期運(yùn)行中都發(fā)現(xiàn)了定子線棒端部和槽口存在不同程度的電腐蝕，以及線棒松動(dòng)等情況。一些處于絕緣狀態(tài)的部件，如穿心螺桿，也會(huì)感應(yīng)出較高電壓，甚至達(dá)到500 V[3]。

（2）電磁環(huán)境復(fù)雜多變。開機(jī)停機(jī)過程中，在離心力的作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)略微膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙會(huì)發(fā)生變化，在開機(jī)過程氣隙減小，停機(jī)過程氣隙則會(huì)增大[4]。

（3）多過程溫度特征及影響。機(jī)組長期運(yùn)行會(huì)使局部溫度維持在較高水平，加速電氣部件絕緣老化；頻繁啟停急劇變化的瞬時(shí)工況會(huì)導(dǎo)致溫度在短期內(nèi)大幅波動(dòng)，可能降低設(shè)備性能。

（4）高轉(zhuǎn)速引起高頻振動(dòng)及影響。一些制造安裝過程中產(chǎn)生的微小瑕疵在不均勻的變化工況和高頻振動(dòng)下被逐步放大，引起基礎(chǔ)螺栓松動(dòng)等部件斷裂風(fēng)險(xiǎn)[5]。高頻振動(dòng)往往伴隨產(chǎn)生高頻背景噪聲，對監(jiān)測信號造成污染，提升了監(jiān)測設(shè)備選型中屏蔽功能的要求，同時(shí)也加大了分離監(jiān)測信號的難度。

（5）定轉(zhuǎn)子區(qū)域風(fēng)速大。安裝不牢固的零件極易隨風(fēng)而走，進(jìn)入定轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位造成事故。也存在金屬屑等污物吸附到一些電氣連接處，造成絕緣下降及短路的情況。

3.3 常見監(jiān)測方式

作為抽蓄機(jī)組的核心部件，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)成為運(yùn)維關(guān)注的焦點(diǎn)，發(fā)電行業(yè)對此不斷開展新課題研究，引進(jìn)和研發(fā)了多種監(jiān)測技術(shù)，并不斷創(chuàng)新監(jiān)測方案，盡可能安全高效地實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測、診斷機(jī)組各部件的性能狀態(tài)。

3.3.1 溫度監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)測溫方式有熱電偶或熱電阻接觸式測溫，該類方法技術(shù)成熟、性能可靠、測溫精度高，在運(yùn)維實(shí)踐中，其長期可靠性較差，部分位置，如定子繞組層間溫度、軸承瓦溫等監(jiān)測場景下，測溫元器件損壞后不易更換，運(yùn)維難度較高。

光纖測溫同屬接觸式測溫，其原理是將光纖吸附或纏繞在被測物體表面，以光作為溫度變化的載體，通過解調(diào)儀解調(diào)，把測得的溫度信息傳給監(jiān)測中心[6]。

紅外測溫是一種非接觸的測溫方式，對動(dòng)態(tài)部件難以有效捕捉到異常發(fā)熱點(diǎn)，即使捕捉到也無法精確定位，因此常見于靜態(tài)區(qū)域測溫。近年來應(yīng)用方案也有新的突破，有效地將紅外測溫技術(shù)拓展到監(jiān)測高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件溫度的場景[7]。

3.3.2 絕緣及短路監(jiān)測技術(shù)

對于發(fā)電機(jī)來說，定子絕緣失效前會(huì)呈現(xiàn)出多種物理現(xiàn)象，如電信號、光、熱、聲音、氣體等。目前多通過局部放電在線監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)部件絕緣的早期問題。而火花放電或者電弧放電往往意味著絕緣已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p害，瀕臨擊穿。

吳建輝 等[3]采用電容式傳感器直接接在電氣回路上，也有采用天線式傳感器，有代表性的是定子槽耦合器SSC（Stator Slot Coupler）和測溫電阻傳感器，非接觸式測量信號。但只能近距離捕捉放電產(chǎn)生的電磁信號，需要大量傳感器才能覆蓋一定范圍的監(jiān)測。

紅外測溫儀可以利用短路發(fā)熱量更高觀察發(fā)電機(jī)內(nèi)部的溫度找到短路點(diǎn)。英國中心電力委員會(huì)研發(fā)的ELCID 法[7]能檢測局部故障電流。武玉才 等[8]采用串接測量電阻的方式監(jiān)測穿心螺桿與定子鐵心之間是否出現(xiàn)短路點(diǎn)的方法。該方法破壞了螺桿不接地系統(tǒng)原有特性，且難以保證監(jiān)測的精確度。

3.3.3 振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

振動(dòng)是發(fā)電機(jī)組故障的主要表征之一，水電機(jī)組振動(dòng)主要有水力振動(dòng)、電磁振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)3 方面，導(dǎo)致振動(dòng)的常見因素表現(xiàn)在軸線不對中、水壓脈動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不均等[9]。

電測傳感器測振是傳統(tǒng)測振技術(shù)，振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄，再經(jīng)過后期轉(zhuǎn)化，從而得到所要測量的機(jī)械量[10]。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測量方法。

光纖測振是一種新型振動(dòng)檢測技術(shù)。它靈敏度高，可靠性好，具有良好的抗干擾、耐腐蝕及絕緣特性。在發(fā)電機(jī)定子端部測振的場景中已廣泛使用，反響良好[11]。

3.3.4 其他監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)故障的不同物理量表現(xiàn)，往往也可以通過多維度監(jiān)測對故障進(jìn)行綜合診斷。如電氣絕緣損壞后發(fā)熱燒損引起的異常焦糊味，異常滲油的異常油味，可以進(jìn)行異味監(jiān)測。機(jī)組的異常振動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子等部件間的刮擦，油泵電機(jī)的異常運(yùn)行聲音，異常電磁聲等現(xiàn)象，可以進(jìn)行噪聲監(jiān)測。如發(fā)生著火或者線路絕緣皮燒損，則可能產(chǎn)生煙霧，可以進(jìn)行煙霧監(jiān)測[12]。這幾類監(jiān)測都有較為成熟的傳感器和監(jiān)測方式。

4 螺桿絕緣在線監(jiān)測難點(diǎn)與現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水電機(jī)組有大約50%的故障來源于電氣，其中40%以上的故障歸咎于定子相關(guān)的絕緣故障[13]。定子鐵心穿心螺桿對地絕緣健康狀態(tài)對機(jī)組安全運(yùn)行意義重大。

4.1 劣化機(jī)理

由于發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)定子穿心螺桿處于交變的磁場中，會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢，正常狀態(tài)下，穿心螺桿與沖片之間設(shè)計(jì)有絕緣保護(hù)層以防止兩者短路造成局部渦流或環(huán)流發(fā)生過熱損壞。然而隨著長時(shí)間的運(yùn)行和其他因素影響，螺桿的絕緣水平存在逐步下降的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)本身內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，不僅有高低頻振動(dòng)、高電壓強(qiáng)電磁，環(huán)境中還充斥著碳刷磨損的金屬粉塵以及油霧等導(dǎo)電性腐蝕性污染物。長期運(yùn)行的機(jī)械振動(dòng)可能導(dǎo)致絕緣材料被磨損，螺桿與鐵心之間產(chǎn)生空隙，污物累積進(jìn)而使螺桿絕緣降低，甚至出現(xiàn)短路燒損鐵心和定子線圈的情況。

4.2 監(jiān)測方式分析

目前，對于定子鐵心穿心螺桿對地絕緣狀態(tài)監(jiān)測，運(yùn)維實(shí)踐中采用絕緣搖表，在機(jī)組停機(jī)時(shí)人工測量。多年的技術(shù)探索，在線監(jiān)測方式也有一些應(yīng)用，其中有接觸式監(jiān)測，如注入式絕緣監(jiān)測技術(shù)。也有一些非接觸監(jiān)測的技術(shù)路線，如通過無線紅外監(jiān)測溫度變化，判斷是否絕緣被破壞導(dǎo)致短路，或通過監(jiān)測是否存在局部放電來推測絕緣劣化。評估已有的穿心螺桿對地絕緣監(jiān)測技術(shù)路線，通過一些相關(guān)物理表征間接監(jiān)測絕緣劣化后的螺桿狀態(tài)的無線監(jiān)測技術(shù)，仍無法準(zhǔn)確地反映螺桿絕緣水平。因此，基于工程應(yīng)用的角度，接觸式監(jiān)測技術(shù)路線在現(xiàn)有技術(shù)條件下仍是首選。

5 一種螺桿絕緣在線監(jiān)測的引出線結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對螺桿絕緣水平的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，需要用引線將螺桿的電氣量引出?？紤]到發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中螺桿處有較強(qiáng)電磁干擾、振動(dòng)、油污等因素，能保證定子穿心螺桿監(jiān)測引出線與螺桿可靠連接的結(jié)構(gòu)方案，對保障信號的穩(wěn)定傳輸，保障監(jiān)測的安全性和長期有效性至關(guān)重要。

本文提出一種連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既不改變發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子鐵心穿心螺桿的原結(jié)構(gòu)，不影響原結(jié)構(gòu)安全性，又能保證螺桿端頭與引出線實(shí)現(xiàn)良好的電氣連接及可靠的機(jī)械固定，為實(shí)現(xiàn)穿心螺桿對鐵心的絕緣在線監(jiān)測提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

該結(jié)構(gòu)的螺套利用螺桿原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝固定，止動(dòng)墊圈保證螺套安裝穩(wěn)固，不會(huì)掉落。螺套、螺釘、環(huán)形端子、引線構(gòu)成了一條電氣信號通路，將螺桿的電氣量有效引出（圖1~圖3）。

圖1 引出線連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 螺套示意圖

圖3 環(huán)形端子示意圖

6 總結(jié)與展望

本文分析了抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子的工作特點(diǎn)、運(yùn)行狀態(tài)，總結(jié)了發(fā)電電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子區(qū)域復(fù)雜的監(jiān)測環(huán)境和部分常用的監(jiān)測方式，討論了接觸式監(jiān)測與非接觸監(jiān)測的優(yōu)缺點(diǎn)，并以發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子穿心螺桿絕緣監(jiān)測為例，討論接觸式非接觸式兩種監(jiān)測方式的適用情況，提出一種可靠的螺桿絕緣有線監(jiān)測信號引出結(jié)構(gòu)，為發(fā)電機(jī)組智慧化水平提升提供理論依據(jù)和應(yīng)用方法。

抽蓄機(jī)組對發(fā)電機(jī)組本體及其監(jiān)測設(shè)備的高可靠性有著嚴(yán)格的要求。因此在抽蓄機(jī)組上開展先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先考慮技術(shù)的安全性、長期可靠性。同時(shí)，監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)該有益于減輕運(yùn)維工作的壓力，所以在重點(diǎn)區(qū)域開展非接觸監(jiān)測，以及開發(fā)具有嵌入式自感知功能的智能化部件仍然是發(fā)電設(shè)備智能化技術(shù)發(fā)展的趨勢。