亭子口水利樞紐發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

羅安全

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

0 概 述

亭子口電站水輪發(fā)電機(jī)為傘式結(jié)構(gòu)，型號為SF275-60/1390，額定功率為275 MW，磁極數(shù)為60，設(shè)計空氣間隙為27.5 mm，轉(zhuǎn)速為100 r/min。定子鐵芯高1860 mm，直徑14700 mm?？諝忾g隙監(jiān)測分析系統(tǒng)采用TN8000AGMS，由北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司提供。此系統(tǒng)既可以作為一個獨立的系統(tǒng)運行，也可以作為機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)運行，可實時同步采集各氣隙傳感器信號，并進(jìn)行分析與處理，提供各種專業(yè)的分析手段和實時數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)組成

TN8000AGMS水輪發(fā)電機(jī)空氣間隙在線監(jiān)測分析系統(tǒng)由空氣間隙傳感器、前置器、智能數(shù)據(jù)采集箱和分析軟件組成，該系統(tǒng)可通過以態(tài)網(wǎng)與電廠狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)集成。傳感器的信號通過多芯屏蔽電纜連接到TN8000AGMS系統(tǒng)的空氣間隙輸入接線端，再通過專用電纜傳送到空氣間隙采集模塊，由采集模塊進(jìn)行預(yù)處理和采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過總線傳送到系統(tǒng)板，然后進(jìn)行大量的在線信號處理和加工，得到反映發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)。智能數(shù)據(jù)采集箱一方面根據(jù)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行故障預(yù)警和報警，另一方面可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)，供網(wǎng)絡(luò)客戶對發(fā)電機(jī)狀態(tài)做監(jiān)測分析和診斷。亭子口發(fā)電機(jī)氣隙一級報警值設(shè)置為23.5 mm，二級報警值設(shè)置為21.5 mm。

亭子口定子氣隙傳感器共配置8個測點，測點沿周向均勻分布在定子鐵芯的上端部，在+X、+Y、-X、-Y方位布置4個，4個象限45°角上共分布4個。為了監(jiān)測對應(yīng)的磁極位置，空氣間隙監(jiān)測系統(tǒng)還配置一個同步鍵相測點，傳感器安裝在水輪機(jī)室內(nèi)+Y方向，轉(zhuǎn)動軸上的靶片與轉(zhuǎn)子1號磁極對應(yīng)粘貼固定。氣隙傳感器通常由平板電容傳感器，專用電纜和信號調(diào)理器 （前置器）組成，亭子口電站采用的氣隙傳感器運用氣隙靜電電容測量技術(shù)，通過測量無源傳感器和磁極之間的調(diào)他電容電流獲得。傳感器是一塊電容器極板，被粘貼在定子內(nèi)腔上，另一極板就是轉(zhuǎn)動的磁極，電容介質(zhì)是轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙。當(dāng)傳感器受到高頻率恒壓電流的激發(fā)時，可通過監(jiān)測氣隙中的電容電流來觀察氣隙電容的調(diào)制。它對發(fā)電機(jī)磁場具有抗干擾性，不受油、灰塵和通風(fēng)條件的影響。調(diào)制電流信號與氣隙大小成反比例。通過電子信號處理，將調(diào)制電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA輸出，該輸出響應(yīng)與氣隙成比例。通過其他幾個傳感器的采樣數(shù)據(jù)，就可以用電子儀器計算轉(zhuǎn)子和定子的圓度及實際中心位置。

2 空氣間隙測量數(shù)值的影響因素

2.1 大軸擺度影響

在氣隙傳感器測量得到的氣隙數(shù)值中，除了定轉(zhuǎn)子間自身的氣隙外，還會受到大軸擺度的影響。因此實際測到的轉(zhuǎn)子圓度包含了真正的轉(zhuǎn)子圓度外，還包含了轉(zhuǎn)子部位的大軸擺度。大軸擺度的影響可通過結(jié)合穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)獲取的擺度波形值及相應(yīng)的算法，獲得去除大軸擺度影響外的真實的轉(zhuǎn)子磁極形貌。對各導(dǎo)軸瓦的間隙有很好的監(jiān)測作用。

2.2 離心力影響

在不同轉(zhuǎn)速下，由于轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的離心力不同。隨著轉(zhuǎn)速的爬升，離心力不斷增大，轉(zhuǎn)子就會膨脹，將導(dǎo)致各傳感器測得的氣隙減??；隨著導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉，轉(zhuǎn)速開始下降，轉(zhuǎn)子持續(xù)收縮，氣隙就會逐漸增大。因此通過分析開停機(jī)過程或甩負(fù)荷/過速過程的氣隙變化規(guī)律，可以掌握離心力對氣隙的影響以及各磁極的機(jī)械特性。對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分磁軛及機(jī)架的剛性和磁極的抗力有很好作用。

2.3 磁拉力影響

在機(jī)組變勵磁的過程中，由于磁拉力影響，定子鐵芯向內(nèi)收縮，而轉(zhuǎn)子磁極則向外膨脹，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子間氣隙迅速減小，當(dāng)突然去掉勵磁后，定轉(zhuǎn)子間氣隙則會增大。因此通過分析變勵磁過程的氣隙變化規(guī)律，可以掌握磁拉力對氣隙的影響。

2.4 熱膨脹影響

在機(jī)組冷態(tài)啟機(jī)時，隨著定子溫度的升高，定子由于熱膨脹而向外擴(kuò)展，從而導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子間氣隙發(fā)生變化。如定子相對熱膨脹過大或不同部位相對熱膨脹不均勻，將會導(dǎo)致氣隙不均勻，從而產(chǎn)生較大的磁拉力不平衡，影響機(jī)組正常運行。通過監(jiān)測機(jī)組熱穩(wěn)定過程各氣隙傳感器測量得到的平均氣隙的變化趨勢，可實時掌握定子的相對熱膨脹狀態(tài)。

2.5 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)影響

由于制造、安裝或設(shè)計問題，導(dǎo)致在正常運行過程中定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如磁極伸長、定子基礎(chǔ)移動、定子上部變形、轉(zhuǎn)子磁軛松動等都會導(dǎo)致氣隙發(fā)生異常變化。通過比較相同工況下氣隙的長期變化規(guī)律，可以及時發(fā)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)故障。

3 空氣間隙監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 過速試驗過程中氣隙特性變化分析

亭子口4號機(jī)組在啟動試驗過程中進(jìn)行了115%過速試驗，最高過速為150%，從TN8000氣隙監(jiān)測分析系統(tǒng)中可以看出過速前后轉(zhuǎn)子磁極形貌比較及過速后各磁極氣隙值減去過速前氣隙值后的氣隙變化，在機(jī)組過速過程中，隨著轉(zhuǎn)速開始爬升，由于離心力不斷增大，轉(zhuǎn)子開始膨脹，導(dǎo)致各傳感器測量得到的氣隙急劇減??；隨著導(dǎo)葉逐漸關(guān)閉，轉(zhuǎn)速開始減小，轉(zhuǎn)子持續(xù)收縮，氣隙才逐漸增大。通過比較過速前后相同的穩(wěn)定工況下各氣隙特性參數(shù)發(fā)現(xiàn)，過速試驗導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極形貌發(fā)生了變化，定轉(zhuǎn)子間氣隙明顯減小。過速后各磁極氣隙均有所減小，特別是41號磁極氣隙平均減小了0.5 mm。 由于不同磁極氣隙減小量有所差別，轉(zhuǎn)子磁極形貌發(fā)生了一些變化。

3.2 甩負(fù)荷過程中氣隙特性變化分析

圖1 四號機(jī)組甩75%負(fù)荷前后的氣隙數(shù)據(jù)

4號機(jī)組在啟動試驗過程中進(jìn)行了甩220 MW負(fù)荷試驗，甩負(fù)荷過程為75%。圖1記錄了轉(zhuǎn)速和所有氣隙傳感器平均氣隙快速變化趨勢。

從圖1可以看到，在甩負(fù)荷過程中，同樣由于作用于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的離心力影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙減小，在最高轉(zhuǎn)速下定轉(zhuǎn)子間氣隙減小了0.1 mm。但通過比較甩負(fù)荷前后穩(wěn)定工況的氣隙數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極形貌和氣隙基本沒有變化。說明甩負(fù)荷試驗對發(fā)電機(jī)氣隙特性基本沒有造成影響，轉(zhuǎn)子機(jī)械強度和磁軛狀態(tài)良好。

圖2 四號機(jī)組開機(jī)前后的氣隙數(shù)據(jù)

圖3 4號機(jī)組加勵磁前后的氣隙數(shù)據(jù)

3.3 開停機(jī)過程中氣隙特性變化規(guī)律

在機(jī)組開停機(jī)過程中，由于作用于轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的離心力的影響，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹，定轉(zhuǎn)子間氣隙將發(fā)生變化，在開機(jī)過程中氣隙逐漸減小，而在停機(jī)過程中氣隙則會逐漸增大。開機(jī)過程中轉(zhuǎn)子磁極氣隙的變化幅度與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。如圖2所示。

圖2a為開機(jī)前各通道平均氣隙的數(shù)據(jù)，圖2b為額定轉(zhuǎn)速100%時轉(zhuǎn)子氣隙數(shù)據(jù)變化，從中可以看出，停機(jī)過程中各磁極氣隙均有明顯增大，隨著轉(zhuǎn)速的升高氣隙有所減小。

3.4 變勵磁過程中對氣隙特性的影響

在機(jī)組運行突然施加勵磁電流時，由于磁拉力影響，定子鐵芯向內(nèi)收縮，轉(zhuǎn)子磁極向外膨脹，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子間氣隙迅速減小，突然去掉勵磁后，定轉(zhuǎn)子間氣隙則會增大。若在此過程中某通道氣隙變化過大，則可能表明定子鐵芯存在松動移位故障。圖3為機(jī)組加勵瞬間各通道氣隙變化數(shù)據(jù)。

可以看出機(jī)組逐漸加勵磁至100%Un并穩(wěn)定運行一段時間后突然去勵過程。從上述數(shù)據(jù)可以看出，加勵磁瞬間各通道氣隙有所變化，但隨著勵磁穩(wěn)定后，氣隙又慢慢恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，加勵磁后各氣隙數(shù)值更加穩(wěn)定，甚至有所減小，上述數(shù)據(jù)說明定子強度良好。通過以上數(shù)據(jù)的分析，可以羅列出影響發(fā)電機(jī)氣隙變化最大的前10個磁極，對個別磁極的安全性進(jìn)行科學(xué)評價，然后在檢修過程中，有針對性重點對個別磁極及定子不同方位基礎(chǔ)進(jìn)行檢查維修。

4 結(jié)語

采用發(fā)電機(jī)空氣間隙監(jiān)測技術(shù)，不但對能夠清楚了解發(fā)電機(jī)安裝質(zhì)量，對發(fā)電機(jī)長期運行過程中定轉(zhuǎn)子的狀態(tài)也可以在線進(jìn)行分析和監(jiān)測。對發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定高效運行提供了準(zhǔn)確詳實的數(shù)據(jù)，為發(fā)電機(jī)檢修工作提供了準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，對可能出現(xiàn)的重大事故可以提前進(jìn)行預(yù)警和分析，消除了機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極松動掃膛、定子位移、軸瓦偏移等重大設(shè)備事故。為電站安全高效穩(wěn)定運行提供了有力的技術(shù)保障，值得發(fā)電企業(yè)進(jìn)行推廣和重視。

［1］張潤時，賀建華，鄭松遠(yuǎn).發(fā)電機(jī)空氣間隙在線監(jiān)測技術(shù)在三峽右岸電站的應(yīng)用［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（06）: 11-17.

［2］孫偉，鄭宇.TN8000水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)在大唐彭水電廠的應(yīng)用［J］.華中電力，2012，25（02）: 20-25.