在線監(jiān)測技術(shù)在仙游抽水蓄能機組的應(yīng)用

陳晨

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350001）

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

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，裝有四臺容量為300MW的可逆式水泵水輪發(fā)電機組。電站2013年投入運行，幾年來結(jié)合運行過程中的實際經(jīng)驗，通過不斷的完善和技術(shù)改造，目前安裝使用了1套機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和1套轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)。23機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)電站建設(shè)過程中根據(jù)設(shè)計裝設(shè)了1套機組狀態(tài)監(jiān)測裝置，2013年起隨著機組的投運而同步投入使用。幾年來，由于設(shè)備存在系統(tǒng)易死機、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，電站逐步對原有的機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，安裝了新的GMH550狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)組成

GMH550狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有對機組進(jìn)行實時在線監(jiān)測、分析和診斷的功能。它可以幫助運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，同時還可及時發(fā)出報警信號，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生，確保機組安全運行。系統(tǒng)分為上位機層、現(xiàn)地層、傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層。上位機層由Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、交換機、光電轉(zhuǎn)換器等組成；現(xiàn)地層由穩(wěn)定性單元、振擺保護單元、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)測項目及測點

（1）機組穩(wěn)定性監(jiān)測。機組穩(wěn)定性監(jiān)測包括振動、擺度、軸向位移和壓力脈動等。根據(jù)仙游抽水蓄能機組的特點，各項參數(shù)的測點設(shè)置如下。

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

（2）氣隙監(jiān)測。氣隙監(jiān)測監(jiān)測的是定子與轉(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就會造成定子與轉(zhuǎn)子間的空氣間隙不均勻，使得磁拉力不平衡，從而引起機組振動，影響發(fā)電電動機的電氣特性和機械性能。通過氣隙監(jiān)測，可以準(zhǔn)確地判斷出定子、轉(zhuǎn)子的動態(tài)結(jié)構(gòu)和變化趨勢，檢驗機組制造、安裝、檢修等工作的質(zhì)量。氣隙監(jiān)測采用電容式傳感器，在發(fā)電機定子的上部和下部沿周向各均勻布置4個測點。

（3）工況參數(shù)監(jiān)測。由于機組的運行特性會隨著功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度等參數(shù)實時變化，為實現(xiàn)對不同過程、工況下機組運行狀態(tài)的診斷分析，系統(tǒng)還從計算機監(jiān)控系統(tǒng)和勵磁系統(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、勵磁電壓、勵磁電流等數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)對機組的運行過程和工況進(jìn)行辨別，再結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，來分析評價機組在不同情況下的運行狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）狀態(tài)監(jiān)測功能。通過各類傳感器對機組的振動、擺度、軸向位移、壓力脈動、空氣間隙、磁場強度等進(jìn)行在線監(jiān)測。

（2）優(yōu)化運行功能。通過對不同運行狀態(tài)下監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總分析，掌握機組不同運行工況下的穩(wěn)定性，以便對較不穩(wěn)定的區(qū)域，在運行過程中予以主動規(guī)避。

（3）故障預(yù)警診斷功能。利用各種分析計算，跟蹤趨勢變化，發(fā)現(xiàn)故障隱患，提前發(fā)出預(yù)警信號，避免事故進(jìn)一步擴大。同時，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）報警保護功能。采用限值報警方式，對每個通道設(shè)立兩個報警值，當(dāng)通道監(jiān)測數(shù)值超過一級報警值時發(fā)出報警信號，超過二級報警時發(fā)出停機信號。同時，針對各種不同的工況，設(shè)定了不同的報警值，以提高報警的準(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)建電站級的機組狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，而利用上位機的Web 服務(wù)器，系統(tǒng)還可直接與國網(wǎng)新源遠(yuǎn)程診斷中心聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷的功能。

1.4 應(yīng)用情況

GMH550狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)投入使用以后，通過與現(xiàn)場開展的機組穩(wěn)定性試驗所測得的數(shù)據(jù)相比對，兩者之間較為吻合，說明其采集到的數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確。投運以來，裝置整體運行穩(wěn)定，在日常的運行維護中起到了很好的監(jiān)測預(yù)警作用，振擺超限跳機功能的投入，也為機組的安全運行提供了更有力的保障。在2018年開展的2號機組和4號機組C級檢修過程中，利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)，對機組上導(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)和檢驗的作用。

2 轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)

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

2.1 轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測及其接地定位裝置

目前針對轉(zhuǎn)子對地絕緣一般都設(shè)置了發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護，在保護原理上分為電橋式、注入交流電壓式、注入直流電壓式等。其保護定值一般在1kΩ到10kΩ之間。由于整定值較低，因而不能對轉(zhuǎn)子繞組接地故障進(jìn)行預(yù)測，只有當(dāng)報警或停機動作后才能發(fā)現(xiàn)，從而對機組的運行安全造成了影響。WL2CA-S2型轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測及其接地定位裝置能夠在接地故障發(fā)生前，實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子絕緣變化趨勢，直觀顯示絕緣降低部位，其對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)出報警信號外，還能直接確定故障位置，減少故障查找的時間，提高缺陷處理的效率。

2.2 轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測及其定位裝置

在機組長期運行過程中，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，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，機組振動加大，影響機組的安全運行。ZDL2-S2型轉(zhuǎn)子匝間短路在線監(jiān)測及其定位裝置，通過采用磁極波判定法和峰-峰值判定法等方法，可以對各個轉(zhuǎn)子磁極的運行狀況和磁極波形進(jìn)行實時的監(jiān)測。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)匝間短路故障時，裝置能夠快速發(fā)出故障報警信號，并確定出故障磁極。

2.3 應(yīng)用情況

2017年起至今，幾臺機組相繼出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子回路絕緣下降較快的現(xiàn)象。究其原因，一是隨著機組投運時間的增長，機組集電環(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)機組運行時，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。針對這一問題，在轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)投入使用后，運維人員通過該系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子絕緣進(jìn)行實時在線監(jiān)測，在轉(zhuǎn)子回路絕緣下降之初就能夠提早發(fā)現(xiàn)，從而及時安排維護和狀態(tài)檢修，避免了接地故障的發(fā)生，保障了機組安全運行。

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；而抽水蓄能機組啟停頻繁、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜的特性，也對機組運維和檢修的水平提出了更高的要求。通過在線監(jiān)測技術(shù)在抽水蓄能機組的推廣應(yīng)用和完善，實現(xiàn)對機組故障的準(zhǔn)確分析和及時預(yù)測，將有效的提升抽水蓄能機組安全運行的水平，同時也為機組的檢修工作從計劃性檢修向狀態(tài)檢修發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。