大型水轮发电机端部振动在线监测

杨 军，周 明，邹洪刚，唐李军

（1.国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川雅安 625000；2.成都英孚德科贸有限公司，四川成都 610000）

0 引言

发电机正常运行时，定子绕组端部不停运动，振源主要是双倍频交变电磁力。正常通过定子线圈和线棒的50 Hz 或60 Hz电流，会产生100 Hz 或120 Hz 的巨大电磁力。若绕组端部支撑固定不足，线圈会因振动使绝缘逐渐磨损。定子绕组端部振动是电机发生故障的一个重要原因，也是大型水轮发电机非常重要的故障机理。绝缘故障产生机理的多样化，受外界干扰造成绝缘监测数据的非准确性，绝缘数据判读的经验性，这些因素都严重制约发电机组绝缘监测技术的发展。

1 水轮发电机端部振动在线监测难点

水轮发电定子绕组并联支路较多，按照目前众多振动监测技术的惯例，仅安装个别监测传感器，是无法有效监测端部振动的，给计划检修带来诸多不确定因素。为使监测数据能够行之有效，需要一个大量、长期积累的、经过时间考验的数据库作为参考。同时还需要有人工智能的手段，通过与数据库中数据在幅值、相位、频率和特征参数的对比，达到自动判断的效果，在机组状态检修中发挥主动作用。

发电机内部电气环境非常恶劣，是一个高电压、强交变电磁场的特殊环境。在强电磁场的作用下，金属结构的普通传感器可能产生放电，引起磁场分布的变化，干扰自身工作。同时含铁磁性材料的传感器本身还存在剧烈的电磁振动和涡流发热，对线棒绝缘形成严重威胁，降低发电机安全运行可靠性，增加事故隐患。

2 端部振动在线监测思路

（1）在强电磁场的作用下，普通金属传感器可能发生放电，引起磁场变化。故选用可抵御电磁干扰的EVA 光纤加速度传感器。

（2）构建智能分析模型，引入机组运行参数，创建有效的监测数据库。通过大数据分析，人工智能识别，对监测数据的判读，对状态监控，预警设定，故障诊断做智能化升级。同时借助现有发电机在线监测系统的模块化设计，对端部振动实现实时监控，确认绝缘故障的严重程度，定位发生位置，达到指导检修的目标。

（3）端部振动监测系统连线布局见图1。

图1 在线监测系统连线布局

3 端部振动监测安装

（1）依照JB/T 10392—2002《透平发电机定子铁心、基座模态试验分析和振动测量方法及评定》进行。安装试验时，先安装一个压电晶体加速度传感器（样本传感器），然后用振动测试用的小锤在样本传感器附近敲击线棒。通过振动锤击试验，找到结构的各阶固有频率，以及50 Hz/60 Hz 和100 Hz/120 Hz 共振频率有最大振动幅值的部位，进行传感器安装。EVA 光纤加速度传感器适合安装在有高电压、高磁场的定子绕组端部，对光纤电缆的振动不灵敏。光电转换器与贯穿件完全分离，且安装在水轮发电机外侧混凝土墙上（图2），确保长寿命及定期校正方便。

图2 端部振动安装

（2）依据GB/T 28570—2012《水轮发电机组状态在线监测技术导则》要求，借助升级后的发电机在线智能监测系统的模块化设计，实现发电机端部振动实时监控。同时定位故障点，实现对发电机运行工况的多维度综合智能监控，构建国内外首创的发电机状态智能监测平台。智能系统采用C/S 和B/S混和开发模式，其中数据采集及传输程序采用C/S 模式进行开发，数据在线监测及查询统计采用B/S 模式进行开发。开发技术上C/S 程序采用运行效率高的C++开发，B/S 程序采用主流技术J2EE 开发。

4 端部振动监测系统介绍

端部振动在线监测系统由光纤传感器、数据采集单元和上位机组成。

（1）EVA 光纤加速度传感器是非导电、抗电磁干扰的振动测量传感器，如图3 所示，其光信号处理技术可确保传感器与测量仪表之间极好的电绝缘状态，是危险环境中测量冲击和振动的理想装置。EVA 光纤加速度传感器主要技术指标：光电原理；灵敏度100 mV/g；量程0～50 g；线性误差≤0.1%；工作温度-50～200 ℃；工作温度-20～60 ℃；可与不同的光纤加速度传感器交互搭配。

图3 光纤加速度传感器

（2）数据采集装置采用GuardⅡ主机加装端部振动模块，满足模块化和标准化要求。同时预留足够的通道扩展能力，方便扩充现场信号采集单元和传感器，支持热插拔和互换性要求。工作电压AC 92～264 V，47～63 Hz，功耗～100 W；脉冲动态范围±5～±8500 mV，双极性；输入阻抗50 Ω；参考频率通过局放耦合器自动获得，最小同步电压为100 mV；通信接口为RJ45 网口；防护等级NEMA4X（等同IP65）；运行环境为-20～+55 ℃，相对湿度为最大95%。

（3）上位机。多个机组可配置一个上位机，由品牌服务器、显示器和相关应用软件等组成。

5 系统主要功能

（1）分析功能。振动幅值（加速度及位移）与时间的对应波形；振动幅值（加速度、速度及位移）与频率的对应波形；振动位移的趋势图；特定频率的位移幅值（转速、2 倍电源频率以及用户自定义频率）；在2 倍电源频率的振动幅值与定子电流平方的趋势对应图；设置各个不同振动量测值的报警范围（图4）。

图4 数据预警

（2）系统集成和扩展功能。本系统可将发电机端部振动的相关参数和工况参数集成到一个数据平台，利用监测软件实现对发电机参数的统一监测和分析，进行分析诊断。

（3）系统自检与故障日志生成功能。系统能提供自检信息，生成故障日志。

（4）历史数据回放、趋势分析。在线监测系统提供以“小时、天、星期、月、年”等不同更新周期的趋势分析，并且可选择数据趋势的显示时间段。

（5）数据存储功能。系统实时自动备份存储数据，文件夹的创建日期及访问日期均可进行历史查询。

（6）系统管理权限控制。

6 水轮发电机定子绕组端部振动在线监测的意义

水轮发电机定子端部振动在线监测系统导入可时时掌握发电机组运行状态，对机组状态进行趋势分析，对机组状态进行智能判断，对机组可能发生的故障及时预警，从而让设备维护人员对机组状态了如指掌，针对不同的机组采取不同的维保措施，及时有效对机组进行预知维护，实现在故障初期实施修正，以减少盲目维修及突发性事故带来的安全隐患与重大的经济损失，提高企业的综合经济效益。