水電廠發(fā)電機(jī)組繞組絕緣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探究

程國莉，韓一鳴

（1.天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 黔西 562400；2.廣東省能源集團(tuán)貴陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 前言

如今，清潔能源已經(jīng)逐漸成為主流能源，因此水電行業(yè)取得較大發(fā)展，水電站利用水進(jìn)行發(fā)電，具有清潔、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。在水電發(fā)電機(jī)組中，發(fā)電機(jī)的繞組絕緣性對于整個(gè)設(shè)備的性能具有直接影響，而運(yùn)用較多的水電發(fā)電機(jī)組類型為水輪發(fā)電機(jī)組，這種發(fā)電機(jī)組能夠有效提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定，在失電的情況下也能為水電廠供電，進(jìn)而保證外部供電正常。但在實(shí)際工作中，由于溫度以及運(yùn)行特性等原因，會造成停機(jī)測量精度降低。隨著水電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程逐步得到普及，對故障問題樣本實(shí)施物聯(lián)感知并達(dá)到分析預(yù)警，通過數(shù)據(jù)管理以及維保調(diào)度實(shí)現(xiàn)對水電機(jī)組網(wǎng)拓?fù)湓诰€監(jiān)控，能夠有效降低臨時(shí)停機(jī)的維修成本，提升發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效率。

水電廠發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境比較復(fù)雜，空氣中水分含量較大，容易引起發(fā)電機(jī)繞組絕緣出現(xiàn)腐蝕情況。尤其是發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，繞組絕緣表面容易被空氣中水分侵蝕，從而造成絕緣效果降低。除此以外，由于發(fā)電機(jī)組在長時(shí)間運(yùn)行后需要停機(jī)，停機(jī)時(shí)長為10 d 左右，并且再次啟動(dòng)時(shí)，需要空轉(zhuǎn)30 min 左右[1]。雖然發(fā)電機(jī)繞組絕緣的性能逐漸降低時(shí)，發(fā)電效率會增加，但是從長遠(yuǎn)的角度，反而會對整個(gè)發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量造成損壞[2]。

2 水電廠水輪發(fā)電機(jī)組繞組絕緣故障特點(diǎn)

繞組材料通常為環(huán)氧型無溶劑，然后在材料表面涂抹絕緣漆，但是絕緣漆在溫度的影響下會出現(xiàn)脫落的情況。發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，發(fā)電機(jī)組表面溫度持續(xù)升高，從而導(dǎo)致絕緣漆脫落，繞組絕緣性能降低，進(jìn)而出現(xiàn)絕緣故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法正常運(yùn)行[2]。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)繞組的故障為一點(diǎn)接地故障時(shí)，沒有形成短路回路，所以不會對整個(gè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生不好的影響，但是仍然存在一定的安全隱患。當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組為兩點(diǎn)接地時(shí)，出現(xiàn)故障的情況比較復(fù)雜，比如兩個(gè)接地點(diǎn)在同一線圈時(shí)，線圈內(nèi)多匝形成短路，當(dāng)接地點(diǎn)相距很近時(shí)，對電路和磁路所產(chǎn)生的影響比較小。當(dāng)兩個(gè)接地點(diǎn)相聚較遠(yuǎn)，處于兩個(gè)端頭位置時(shí)，則表示整個(gè)系統(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)為短路狀態(tài)，電機(jī)整體失磁，同時(shí)產(chǎn)生較大的短路電流，整個(gè)發(fā)電機(jī)組無法正常運(yùn)行。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)組出現(xiàn)繞組絕緣情況時(shí)，需要及時(shí)明確絕緣降低的原因，從而避免發(fā)生更加嚴(yán)重的事故，進(jìn)而保證整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)正常運(yùn)行。

水輪發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)、調(diào)速器三個(gè)部分，其中最核心的部分為發(fā)電機(jī)部分。發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此造成故障的原因會比較復(fù)雜，其中短路故障是發(fā)生概率最大的故障。而短路故障也包括距間短路故障和接地短路故障兩種類型。發(fā)電機(jī)組的繞組絕緣損傷后，會出現(xiàn)短路情況，從而引起就局部發(fā)熱嚴(yán)重的情況。當(dāng)距間短路情況比較輕微時(shí)，對整體機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的影響較小，故障表現(xiàn)不突出，發(fā)電機(jī)通常會發(fā)出警報(bào)。但是隨著時(shí)間的延長，故障逐漸加劇，故障特征表現(xiàn)也越來越明顯，包括繞組勵(lì)磁電流增加、無功出力降低、機(jī)組振動(dòng)加劇、軸電壓波形時(shí)域不對稱、頻域出現(xiàn)偶次諧波等。當(dāng)故障發(fā)展到一定程度后，可能出現(xiàn)接地短路故障。一旦出現(xiàn)接地短路情況時(shí)，產(chǎn)生的短路電流較大，發(fā)熱也比較嚴(yán)重，可能燒傷繞組軸頸和軸瓦，大軸磁化，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)的情況，進(jìn)而引起更嚴(yán)重的安全事故[2]。由此可見，發(fā)電機(jī)繞組絕緣的監(jiān)測具有重要意義。繞組絕緣監(jiān)測需要監(jiān)測機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)和信息，實(shí)時(shí)了解機(jī)組的運(yùn)行情況，然后根據(jù)所監(jiān)測到的信息對機(jī)組可能出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行預(yù)測，從而做出相應(yīng)的應(yīng)對措施，降低故障影響以及消除故障，起到提前預(yù)防的效果。

3 總體架構(gòu)

采用可視化界面實(shí)施過程化的監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)存儲、自動(dòng)分析以及數(shù)據(jù)調(diào)取、自動(dòng)報(bào)警、應(yīng)用支撐以及業(yè)務(wù)應(yīng)用監(jiān)控，采用多點(diǎn)采集智能解析并以報(bào)表形式完成數(shù)據(jù)的存儲，并以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)達(dá)到企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享功能。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用自下而上的架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸備份層、數(shù)據(jù)處理層及應(yīng)用管理顯示層。

（1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集主要包括發(fā)電機(jī)繞組絕緣層傳感器的數(shù)據(jù)采集，模擬式的勵(lì)磁電壓采集以及軸電壓的采集等。利用傳感器對發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)物理量進(jìn)行檢測，包括電壓，電流等，將監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)為電信號后通過監(jiān)測裝置進(jìn)行表現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)采集單元

大軸接地電刷無法消除靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中高頻軸電壓的脈沖，而在勵(lì)磁端加裝接地模塊之后，可以有效抑制軸電壓的高頻分量。模塊中的電阻值一般在470 Ω 左右[3]，這樣既可以將軸電流限制在毫安級別，又可以防止直流電動(dòng)勢的建立。

數(shù)據(jù)采集包括繞組單元的繞組端接地監(jiān)測單元以及線圈采集單元，接地監(jiān)測主要監(jiān)測繞組靜態(tài)狀態(tài)下的對地絕緣參數(shù)，在動(dòng)態(tài)監(jiān)測的時(shí)候，通過采集線圈對其勵(lì)磁繞組的電磁性能進(jìn)行采集，實(shí)施動(dòng)態(tài)下的絕緣監(jiān)控。

（2）數(shù)據(jù)傳輸備份層

將采集到的信息傳遞給后續(xù)單元，對于便攜式裝置，只需對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x變換；對于固定監(jiān)測系統(tǒng)，因數(shù)據(jù)處理單元遠(yuǎn)離現(xiàn)場，需要配置專門的信息傳輸單元其單元模塊圖如圖3 所示。

圖3 通信單元結(jié)構(gòu)圖

通過網(wǎng)絡(luò)輸送將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場NAS 并結(jié)合NAS 系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲緩存[4]，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠性，其數(shù)據(jù)傳輸通路圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸通路圖

（3）數(shù)據(jù)處理層

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如：求取特征值、做時(shí)域、頻域分析處理等，為故障監(jiān)測提供有效的判斷依據(jù)[5]。對于處理后的數(shù)據(jù)、判據(jù)、規(guī)程以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行分析比較，對設(shè)備的狀態(tài)和故障部位進(jìn)行判斷，為釆取進(jìn)一步的相應(yīng)措施（如是否退出運(yùn)行、安排檢修周期等）提供可靠依據(jù)，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

（4）應(yīng)用管理顯示層

應(yīng)用管理顯示包括采用PC 端以及大屏數(shù)據(jù)展示，采用曲線圖、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表以及趨勢圖、點(diǎn)值數(shù)據(jù)直觀、可靠的完成繞組絕緣性的監(jiān)控，做出綜合性的分析判斷，必要時(shí)需釆用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識別或者專家系統(tǒng)等方案來做出判斷。其應(yīng)用界面圖如圖5 所示。

圖5 水電機(jī)組繞組檢測系統(tǒng)界面圖

4 應(yīng)用情況

4.1 機(jī)組絕緣異常的測試數(shù)據(jù)

對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)局放峰值和磁通密度幅值情況能夠得到發(fā)電機(jī)組繞組絕緣情況，及時(shí)了解到絕緣故障原因，為后續(xù)發(fā)電機(jī)組檢測提供給很大的幫助。例如：當(dāng)某發(fā)電機(jī)組的檢測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)繞組絕緣數(shù)據(jù)不正常，短路故障點(diǎn)不明顯時(shí)，所得到的數(shù)據(jù)界面如圖6 所示。

圖6 大屏報(bào)表數(shù)據(jù)界面圖

雖然此時(shí)發(fā)電機(jī)組的性能在短時(shí)間內(nèi)保持比較穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生的影響較小，但后續(xù)運(yùn)行情況需要持續(xù)高度關(guān)注。

4.1.1 繞組絕緣測試

本次測試共采集數(shù)據(jù)14項(xiàng)，其中異常數(shù)據(jù)4項(xiàng)，數(shù)據(jù)集中在60~85 之間，異常數(shù)據(jù)說明磁通密度不平衡，但異常數(shù)據(jù)連續(xù)性不足，不是常規(guī)的匝間短路現(xiàn)象。造成這種情況的原因可能是繞組中存在不明顯的故障點(diǎn)以及短路點(diǎn)。該狀況下短期內(nèi)機(jī)組的性能并不受影響，但需繼續(xù)保持對該發(fā)電機(jī)的密切關(guān)注。

4.1.2 局放測試

測試發(fā)電機(jī)組的局放峰值數(shù)值較小，利用IRIS中的全球匯總，統(tǒng)計(jì)發(fā)電機(jī)組局放的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對比分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，等級處于最良好狀況一類。在局放測試統(tǒng)計(jì)表中，通過對不同時(shí)間段和不同帶載下的數(shù)據(jù)測試分析，局放幅值基本相同，差異比較小，因此外部因素對發(fā)電機(jī)局放的影響基本可以忽略，說明機(jī)組絕緣狀態(tài)非常好。

4.2 使用效果

發(fā)電機(jī)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）從預(yù)防性維修到預(yù)知維修

為了保證發(fā)電機(jī)組能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，通常采用預(yù)防的方式，定時(shí)或者定期對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)。而利用發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組絕緣性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，有助于提前做好預(yù)知維修。

（2）從定期檢查到實(shí)時(shí)檢測

通常情況下，發(fā)電機(jī)組的絕緣檢測是在進(jìn)行機(jī)組檢修后，再對局部進(jìn)行預(yù)防試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方式的試驗(yàn)項(xiàng)目較多，花費(fèi)時(shí)間較長，所需設(shè)備較多，一旦其中某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)異?；蛘吣骋辉慕^緣性出現(xiàn)故障時(shí)，對于最終的監(jiān)測結(jié)果會產(chǎn)生較大的影響。而采用發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測技術(shù)能夠在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的狀態(tài)下對絕緣情況進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)獲取機(jī)組絕緣數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)分析更加容易

發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常多，傳統(tǒng)人工分析需要耗費(fèi)大量的人力物力。而發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測過程中將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以比較直觀地得到數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

5 總結(jié)

發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過安裝繞組局放耦合器，繞組匝間短路監(jiān)測磁通探頭，完成數(shù)據(jù)的采集，然后通過主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和儲存。這種監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)機(jī)組繞組絕緣情況進(jìn)行長時(shí)間的在線監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)判，提高設(shè)備的維護(hù)和檢修效率，同時(shí)在一定程度上能夠減少經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組的預(yù)知性維修。除此以外，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組的故障和異常表現(xiàn)提供一定的數(shù)據(jù)支持。通過探頭及耦合器對機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，通過報(bào)告的方式對發(fā)電機(jī)組的絕緣狀況繼續(xù)進(jìn)行評估和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對后續(xù)工作的預(yù)防性指導(dǎo)。

綜上所述，水電廠發(fā)電機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行離不開繞組絕緣的檢測，通過繞組絕緣監(jiān)測系統(tǒng)能夠提高絕緣故障的檢測，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組的預(yù)知維修，保證發(fā)電機(jī)組能夠長期保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，減少經(jīng)濟(jì)損失。