在線監測技術在仙游抽水蓄能機組的應用

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”的方向發展，機組的自動化程度日益提高。為了確保機組能夠安全、穩定、經濟地運行，在大中型水電站裝設機組在線監測系統是必須和重要的。通過在線監測技術，在常規的溫度和電量監控以外，加強對機組運行狀態的監測、分析和診斷，以便及時發現存在的缺陷和隱患，有針對性地對機組進行維護，減少突發性故障，同時也為狀態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半嶺村，裝有四臺容量為300MW的可逆式水泵水輪發電機組。電站2013年投入運行，幾年來結合運行過程中的實際經驗，通過不斷的完善和技術改造，目前安裝使用了1套機組狀態監測系統和1套轉子絕緣在線監測系統。23機組狀態監測系統電站建設過程中根據設計裝設了1套機組狀態監測裝置，2013年起隨著機組的投運而同步投入使用。幾年來，由于設備存在系統易死機、模塊易損壞、抗干擾能力差等諸多問題，始終無法充分發揮出其應有的作用。在此情況下，2017年起，電站逐步對原有的機組狀態監測系統進行技術改造，安裝了新的GMH550狀態監測系統。

1.1 系統組成

GMH550狀態監測系統具有對機組進行實時在線監測、分析和診斷的功能。它可以幫助運維人員了解和掌握設備狀態，以便盡早發現潛在的缺陷和隱患，同時還可及時發出報警信號，防止嚴重事故的發生，確保機組安全運行。系統分為上位機層、現地層、傳感器和數據轉換層。上位機層由Web服務器、數據服務器、工程師站、交換機、光電轉換器等組成；現地層由穩定性單元、振擺保護單元、氣隙單元等組成；傳感器和數據轉換層由各類傳感器、前置器等組成。

1.2 監測項目及測點

（1）機組穩定性監測。機組穩定性監測包括振動、擺度、軸向位移和壓力脈動等。根據仙游抽水蓄能機組的特點，各項參數的測點設置如下。

①機組振動：對于水輪發電機組，由于其主要是低頻振動，因此監測上采用適合低頻測量的速度傳感器。分別在頂蓋、上機架、下機架各設置3個振動傳感器，其中水平方向+X、+Y各設置1個測點，垂直方向設置1個測點。②機組擺度：采用電渦流傳感器，分別在上導、下導、水導的水平方向+X、+Y各設置1個擺度傳感器。根據每處+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、下導、水導3處的軸心軌跡相連，則可以獲得機組大軸的運行姿態。③軸向位移：采用電渦流傳感器，在機組推力頭上部設置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。在蝸殼進口設置1個測點，尾水管進口設置1個測點，轉輪與頂蓋間設置2個測點，轉輪與導葉間設置2個測點，尾水肘管設置2個測點。

（2）氣隙監測。氣隙監測監測的是定子與轉子間的空氣間隙。當定子與轉子之間出現偏心或者形貌不圓時就會造成定子與轉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，影響發電電動機的電氣特性和機械性能。通過氣隙監測，可以準確地判斷出定子、轉子的動態結構和變化趨勢，檢驗機組制造、安裝、檢修等工作的質量。氣隙監測采用電容式傳感器，在發電機定子的上部和下部沿周向各均勻布置4個測點。

（3）工況參數監測。由于機組的運行特性會隨著功率、轉速、導葉開度等參數實時變化，為實現對不同過程、工況下機組運行狀態的診斷分析，系統還從計算機監控系統和勵磁系統采集了有功功率、無功功率、導葉開度、GCB開關位置、滅磁開關位置、換相開關位置、勵磁電壓、勵磁電流等數據。通過這些數據對機組的運行過程和工況進行辨別，再結合其他監測數據，來分析評價機組在不同情況下的運行狀態。

1.3 系統功能

（1）狀態監測功能。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、磁場強度等進行在線監測。

（2）優化運行功能。通過對不同運行狀態下監測數據的匯總分析，掌握機組不同運行工況下的穩定性，以便對較不穩定的區域，在運行過程中予以主動規避。

（3）故障預警診斷功能。利用各種分析計算，跟蹤趨勢變化，發現故障隱患，提前發出預警信號，避免事故進一步擴大。同時，故障診斷分析系統還可以為查找故障原因、解決故障提供專業的故障診斷分析。

（4）報警保護功能。采用限值報警方式，對每個通道設立兩個報警值，當通道監測數值超過一級報警值時發出報警信號，超過二級報警時發出停機信號。同時，針對各種不同的工況，設定了不同的報警值，以提高報警的準確性。

（5）遠程診斷功能。系統支持遠程分析中心模式，在電站層面可以方便的構建電站級的機組狀態監測網，而利用上位機的Web 服務器，系統還可直接與國網新源遠程診斷中心聯網，實現遠程診斷的功能。

1.4 應用情況

GMH550狀態監測系統投入使用以后，通過與現場開展的機組穩定性試驗所測得的數據相比對，兩者之間較為吻合，說明其采集到的數據真實準確。投運以來，裝置整體運行穩定，在日常的運行維護中起到了很好的監測預警作用，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，利用狀態監測系統所測得的數據，對機組上導瓦支撐改造及上導瓦間隙調整、下導瓦間隙調整、水導瓦間隙調整、轉子配重等一系列工作，起到了很好的分析、指導和檢驗的作用。

2 轉子絕緣在線監測系統

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

2.1 轉子絕緣在線監測及其接地定位裝置

目前針對轉子對地絕緣一般都設置了發電機轉子一點接地保護，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，因而不能對轉子繞組接地故障進行預測，只有當報警或停機動作后才能發現，從而對機組的運行安全造成了影響。WL2CA-S2型轉子絕緣在線監測及其接地定位裝置能夠在接地故障發生前，實時監測轉子絕緣變化趨勢，直觀顯示絕緣降低部位，其對地電阻顯示范圍可達10MΩ；而在接地故障發生后，裝置除了能發出報警信號外，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 轉子匝間短路在線監測及其定位裝置

在機組長期運行過程中，由于轉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，轉子匝間短路故障比較容易出現。當轉子出現匝間短路故障時，可能出現兩方面的問題。一是，轉子電流增大，繞組溫度升高，造成轉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型轉子匝間短路在線監測及其定位裝置，通過采用磁極波判定法和峰-峰值判定法等方法，可以對各個轉子磁極的運行狀況和磁極波形進行實時的監測。當轉子出現匝間短路故障時，裝置能夠快速發出故障報警信號，并確定出故障磁極。

2.3 應用情況

2017年起至今，幾臺機組相繼出現了轉子回路絕緣下降較快的現象。究其原因，一是隨著機組投運時間的增長，機組集電環與碳刷的磨損也日益增大；二是由于集電環室內排油霧效果不好，使得油霧較多。當機組運行時，碳粉和油霧彌漫在空氣中，吸附在集電環的絕緣套管和絕緣墊塊上，造成轉子回路絕緣下降，引發接地故障。針對這一問題，在轉子絕緣在線監測系統投入使用后，運維人員通過該系統對轉子絕緣進行實時在線監測，在轉子回路絕緣下降之初就能夠提早發現，從而及時安排維護和狀態檢修，避免了接地故障的發生，保障了機組安全運行。

3 結語

抽水蓄能電站作為一種重要的調節工具，在電網中發揮著調峰、填谷、調頻、調相等重要作用；而抽水蓄能機組啟停頻繁、工況轉換復雜的特性，也對機組運維和檢修的水平提出了更高的要求。通過在線監測技術在抽水蓄能機組的推廣應用和完善，實現對機組故障的準確分析和及時預測，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檢修發展打下了堅實的基礎。