水轮发电机状态监测与诊断系统的研究

ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｍｍｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｍｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｉｒｔａｉｎｌｅｎａｎｃｃ ｉｎ ｈｙｄｒｏ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ．Ｔｈｅ ｓｌｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｏｍ ａ１℃ａｌｓｏ ｄｉｓ－
定子线棒振动以往只能采用锤击法进行定期检 查，现在通过在线棒槽内安装电容传感器的方法可以 进行动态测量，ＶＩＢＲＯＳＹＳＴＭ公司推出的定子线棒振 动测试器就属这种产品。
总结这些装置的特点可以看出，困产设备信息采 集功能已经比较健全而精度稍差，但是分析功能比较 欠缺；进口设备则具有比较健全的分析功能，尤其近年 来出现了能够监测多个项目的综合监测系统，如ｖＩ． ＢＲＯＳＹＳＴＭ的ＺＯＯＭ（Ｚｅｒｏ Ｏｕｔａｇｅ Ｏｎ—ｆｉｎｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）系 统。它在前述的ＡＧＭＳ系统基础上扩展而成，可测量 参数包括：气隙、定子线棒振动、定子铁心、导轴承、推 力轴承的振动、摆度、温度，导叶尖端间隙、水轮机叶片 转角、导叶开度、水流量、压力、温度、水头和尾水水位、 水头损失、励磁电流和磁场强度、有功功率和无功功 率、定子电压、分相电流。
Ｓｔｕｄｙ ｏｌｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ，ＬＩ Ｚｈａｏ—ｈｕｉ，ＷＡＮＧ Ｈ０ｒＩｇ
（Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｅｎｉｄ Ｔｅｃｈａｎｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ Ｊ
２水轮发电机的监测与诊断现状
目前水轮发电机的状态监测与诊断装置的主要应 用范围是绝缘、气隙、振动等非电最监测。
绝缘不良是导致电机事故率最高的原因，因此绝 缘监测在非电量监测中占有重要地位。对发电机绝缘 进行监测的方法有离线的绝缘参数测量与试验及在线 监测等。离线试验与检测项目在检修规程中已有详细 规定，广泛应用的检测方法有直观检查法、测量绝缘电 阻法、测量绝缘泄漏电流法、高电压试验法、测量损失 角法和局部放电法等。在线监测是目前研究与应用的 重点，其巾在线局部放电分析又是在线绝缘监测的主 要方法…。在研究发电机局部放电特性、波形特征和 在线监测方法基础上【３ｑ Ｊ，已有很多单位研制了发电 机局部放电在线监测装置【６。Ｊ。这些装置利用安装在 定子绕组或出线上的成对耦合电容获取局部放电脉 冲，然后对所得信号进行处理与分析，判断发电机内部 绝缘局部放电情况。它们与国外研究的典型系统【８１在 结构上相差无儿，都是传感器、采集单元和控制计算机 组成的分层结构，但在数据采集与结果分析功能上与 国外产品如加拿大ＡＤｗＥＬ公司的ＰＤＡ ＰＲＥＭＩＵＭ在 线局部放电监测仪等还存在一定差距。此外，由于定 子匝间故障可引起相序阻抗不平衡，使得中性点各相 电鹾代数和不为零，因而也可通过测量中性点电压瞬 时值来判别是否产生匝间故障【９ Ｊ。
绕组绝缘击穿、匝问短路或相间短路、绕组烧损、铁心 烧伤等故障。
（３）定子绕组单相接地。原凶是绝缘损坏，电流比 较大时能在故障点引起电弧，烧坏绕组绝缘和定子铁 心，且容易发展成匝问短路或栩间短路。
组，降低绕组绝缘强度等后果。 ３．３ ＦＩ忸ＣＡ分析
在总结故障模式基础Ｌ对发电机进行ＦＭＥＣＡ分 析，按照分析系统结构及各组成部分功能列出各功能 级的故障模式及机理效应、研究失效检测方法、各故障
大窬量水轮发电机大多是立式结构，如图１所 示。由于水轮机的转速较低，水轮发电机的磁极数较 多，直径很大，而轴向长度较短，整体上呈扁盘形。水 轮发电机本体由定、转子两部分组成。由于直径很人， 所“定予被分为６瓣，在现场拼装成整体，包括机座、
铁心和线圈等部分。转予主要结构有转轴、转予中心 体、转子支架、磁轭、磁极和制动环等。水轮发电机幸Ｈ 对汽轮发电机而言转速很低，故障的发生发展过程通 常渐变较慢，且多有磨损和疲劳特征，一定程度上有利 于利用状态监测和诊断技术进行运行状况分析与故障 预警。
上述系统都存在监测内容比较集中于某一特定方 面，无法全面掌握水轮发电机的运行状态，不能提供机 组综合状态信息进行工作性能分析和诊断的问题，而 为了实现状态检修必须进行综合监测与诊断，从而做 出最优检修决策。为此，我们针对水电厂状态检修信 息系统对水轮发电机的信息需求，提出一套水轮发电 机状态监测与诊断系统的设计方案，通过设备集成的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｅｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ｏｔ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｏｅｒａｔｏｒｓ ｉｓ ｄｅ—
ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｂａ。，ｅｄ ０１ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
（６）转子绕组匝间短路。绝缘损坏、线圈表面污垢 和粉尘是故障原因，其后果有转子两点接地、绕组烧损 和失磁等。
（７）阻尼绕组故障。包括阻尼环与连接板接触不 良、阻尼王ｊ：与阻尼条连接处局部开焊、阻尼条断裂等。
ｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍａｉｎｔｅ—
ｎｎｆｌｃｅ
１引言
我国电厂长期实行的是预防性计划检修与事后维 修相结台的检修体制，随着技术水平的提高，目前正逐 步向预知性的状态检修体制过渡…。水轮发电机是水 电厂的主要生产设备，它的稳定运转是保证电力系统 正常运行，提高设备使用寿命和利用率，降低维护成 本，增加经济效益的重要条件。针对水轮发电机的结 构特点和原理进行状态监测与诊断是实现状态检修的 甚础，同时发电机的监测与诊断系统也是我们开发的 鹫洲坝水力发电厂最优检修信息系统的重要组成部 分。
水轮发电机作为大型机电能量转换装置，由于结 构复杂、零部件及外部关联设备众多且连续工作时问 长，其故障类型非常多。根据理论分析与现场实际运 行数甜统计分析，我们可以总结出大容量水轮发电机 的常见故障，井且采用失效模式、影响和严重度分析 （Ｆａｍｌｍ ｍｏｄｅｓ，ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｃｌｉ／ｉｅａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ，简称ｒＭＥ— ｃＡ）方法研究不同层次｝述部件可能的故障和性能降 低模式。 ３．１电气故障
本文将总结水轮发电机脏测与诊断系统的研究与 应用现状，引对大容量、上式水轮发电机的常见故障类 型，尤其是那些发ｑ．几率较高，刘发电机运行性能和状 况影响较夫的一ｒ爱故障类型进行故障模式分类和故障 机理分析。在此基础上，归纳需进行状态监测的内容 与方法，最后介绍水轮发电机状态监测与诊断系统的 结构和功能特点。
（１）定子绕组过热。原罔有冷却系统故漳、过负荷 等．窬易导致定子接地、定子绕组绝缘损坏、三相短路 等后果，
（，）定子绕组绝缘损伤。原因是电、热、机械、环境 等各种ｌ到素导致的绝缘老化或损坏，后果是导致定子
可能原因。 （２）轴瓦损坏。包括瓦温过高、备瓦问温差过大、
轴瓦磨损或变形、轴瓦烧损等。原因大致有各块瓦受 力不均、冷却系统故障、冷却油温差过大等，轴瓦损坏 会损伤轴颈、加大振动甚至造成定转子擦碰。
２【】Ｉ）４．№１
夫电机技术
水轮发电机状态监测与诊断系统的研究
汪鑫，李朝晖，王宏 （华中科技大学，湖北武汉４３／３０７４）
［摘要］ 从水轮发电机的状态监测现状出发，在研究想结水轮发电机常见故障模式及机理基础上．０］纳了 以实脚电厂状态检修为甘的的综合状态监测的监ｉ婪！＇内容、手段及诊断方法，提出状态检修信息系统中的水轮 发电机状态临测与诊断系统，并阐述俊系统的结构组成及功能特点。 ［关键词］ 水轮发电机；故障机理；状态监测与诊断；状惑检修 ［中图分类号］ＴＭ９３ ［文献标识码】Ａ ｆ文章编号】１０００＿３９８３（２００４）眩０００ｌ一０６
在气隙监测方醯国内的研究与应用水平还比较 低，尤其进行动态气隙监测的不多。气隙监测一般利 用电容测量技术，将平板式电容传感器粘贴到定子内 壁ｒ，电子采集单元进行信号采集与传输，计算机控制 恻量模态和进行过程分析。国内相关产品报道极少，
水利部、电力部机电研究所研制ｒ ＦＱＪ型气隙测量系
绗“Ｊ【。实际应用中有些机组装备ｒ ＶＩＢＲＯＳＹＳＴＭ公
图１ 水轮发屯机结构剖视图
万方数据
水轮发电机状态监测与诊断系统的研究
２００４№２
闩前我国开展的水轮发电机状态隘测上作主要包 括电镀和作电量两个方而，其巾电量雌测已经比较完 善地由计算机监控系统。炙现；非电量监测则主要依靠 各种单顶监删设备实现。非电量监测包括振动、绝缘、 气隙、温度等力｜丘『山容，其。｜Ｊ温度监测也已经由监控系 统实现？
（３）定子振动。其原因是定子铁心合缝不严或铁 心松动，会对定子绕组绝缘、绕组紧固造成破坏。
（４）定子线圈松动下沉。其原因是线圈、槽楔、墼 条等长期处于高温中运行，收缩造成松动，接着线圈重 力导致下沉，容易造成主绝缘磨损，损坏线圈或引起短 路。
（５）制动器故障。制动器发生故障的原因有防尘 效果不好、载荷不均、制动块耐磨性差、排油不净等。 它会造成制动块寿命缩短，活塞受卡动作不灵、污染绕
（４）转子绕组绝缘电阻过低。产生原因有线圈积 灰、绝缘老化等，容易导致绝缘击穿，造成接地或匝间
致命度（危害）分析的进行步骤，其结果可以用表格形 式表示。由于篇幅所限，图２中只给出部分设备的故
短路、
障模式分析结果作为示例。
（５）转于一点接地。原因屉线圈与铁心问绝缘损
坏，造成线圈直接与铁心相碰或局部绝缘电阻降低到 相当程度，容易导致转子两点接地、转子绕组匝问短路 等后果。