亭子口水利枢纽发电机空气间隙监测技术及应用

罗安全

（嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪 628400）

0 概 述

亭子口电站水轮发电机为伞式结构，型号为SF275-60/1390，额定功率为275 MW，磁极数为60，设计空气间隙为27.5 mm，转速为100 r/min。定子铁芯高1860 mm，直径14700 mm。空气间隙监测分析系统采用TN8000AGMS，由北京华科同安监控技术有限公司提供。此系统既可以作为一个独立的系统运行，也可以作为机组状态监测与故障诊断系统的一个子系统运行，可实时同步采集各气隙传感器信号，并进行分析与处理，提供各种专业的分析手段和实时数据分析。

1 系统组成

TN8000AGMS水轮发电机空气间隙在线监测分析系统由空气间隙传感器、前置器、智能数据采集箱和分析软件组成，该系统可通过以态网与电厂状态监测和故障诊断系统实现集成。传感器的信号通过多芯屏蔽电缆连接到TN8000AGMS系统的空气间隙输入接线端，再通过专用电缆传送到空气间隙采集模块，由采集模块进行预处理和采集，转换成数字信号，再通过总线传送到系统板，然后进行大量的在线信号处理和加工，得到反映发电机运行状态的各种数据。智能数据采集箱一方面根据状态参数进行故障预警和报警，另一方面可将数据通过网络传送给状态监测故障诊断系统，供网络客户对发电机状态做监测分析和诊断。亭子口发电机气隙一级报警值设置为23.5 mm，二级报警值设置为21.5 mm。

亭子口定子气隙传感器共配置8个测点，测点沿周向均匀分布在定子铁芯的上端部，在+X、+Y、-X、-Y方位布置4个，4个象限45°角上共分布4个。为了监测对应的磁极位置，空气间隙监测系统还配置一个同步键相测点，传感器安装在水轮机室内+Y方向，转动轴上的靶片与转子1号磁极对应粘贴固定。气隙传感器通常由平板电容传感器，专用电缆和信号调理器 （前置器）组成，亭子口电站采用的气隙传感器运用气隙静电电容测量技术，通过测量无源传感器和磁极之间的调他电容电流获得。传感器是一块电容器极板，被粘贴在定子内腔上，另一极板就是转动的磁极，电容介质是转子和定子间的气隙。当传感器受到高频率恒压电流的激发时，可通过监测气隙中的电容电流来观察气隙电容的调制。它对发电机磁场具有抗干扰性，不受油、灰尘和通风条件的影响。调制电流信号与气隙大小成反比例。通过电子信号处理，将调制电流转换成标准4～20 mA输出，该输出响应与气隙成比例。通过其他几个传感器的采样数据，就可以用电子仪器计算转子和定子的圆度及实际中心位置。

2 空气间隙测量数值的影响因素

2.1 大轴摆度影响

在气隙传感器测量得到的气隙数值中，除了定转子间自身的气隙外，还会受到大轴摆度的影响。因此实际测到的转子圆度包含了真正的转子圆度外，还包含了转子部位的大轴摆度。大轴摆度的影响可通过结合稳定性监测系统获取的摆度波形值及相应的算法，获得去除大轴摆度影响外的真实的转子磁极形貌。对各导轴瓦的间隙有很好的监测作用。

2.2 离心力影响

在不同转速下，由于转速不同导致转子的离心力不同。随着转速的爬升，离心力不断增大，转子就会膨胀，将导致各传感器测得的气隙减小；随着导叶逐渐关闭，转速开始下降，转子持续收缩，气隙就会逐渐增大。因此通过分析开停机过程或甩负荷/过速过程的气隙变化规律，可以掌握离心力对气隙的影响以及各磁极的机械特性。对发电机转动部分磁轭及机架的刚性和磁极的抗力有很好作用。

2.3 磁拉力影响

在机组变励磁的过程中，由于磁拉力影响，定子铁芯向内收缩，而转子磁极则向外膨胀，导致定转子间气隙迅速减小，当突然去掉励磁后，定转子间气隙则会增大。因此通过分析变励磁过程的气隙变化规律，可以掌握磁拉力对气隙的影响。

2.4 热膨胀影响

在机组冷态启机时，随着定子温度的升高，定子由于热膨胀而向外扩展，从而导致定转子间气隙发生变化。如定子相对热膨胀过大或不同部位相对热膨胀不均匀，将会导致气隙不均匀，从而产生较大的磁拉力不平衡，影响机组正常运行。通过监测机组热稳定过程各气隙传感器测量得到的平均气隙的变化趋势，可实时掌握定子的相对热膨胀状态。

2.5 定转子结构影响

由于制造、安装或设计问题，导致在正常运行过程中定转子结构发生变化，如磁极伸长、定子基础移动、定子上部变形、转子磁轭松动等都会导致气隙发生异常变化。通过比较相同工况下气隙的长期变化规律，可以及时发现定转子结构故障。

3 空气间隙监测技术应用分析

3.1 过速试验过程中气隙特性变化分析

亭子口4号机组在启动试验过程中进行了115%过速试验，最高过速为150%，从TN8000气隙监测分析系统中可以看出过速前后转子磁极形貌比较及过速后各磁极气隙值减去过速前气隙值后的气隙变化，在机组过速过程中，随着转速开始爬升，由于离心力不断增大，转子开始膨胀，导致各传感器测量得到的气隙急剧减小；随着导叶逐渐关闭，转速开始减小，转子持续收缩，气隙才逐渐增大。通过比较过速前后相同的稳定工况下各气隙特性参数发现，过速试验导致转子磁极形貌发生了变化，定转子间气隙明显减小。过速后各磁极气隙均有所减小，特别是41号磁极气隙平均减小了0.5 mm。 由于不同磁极气隙减小量有所差别，转子磁极形貌发生了一些变化。

3.2 甩负荷过程中气隙特性变化分析

图1 四号机组甩75%负荷前后的气隙数据

4号机组在启动试验过程中进行了甩220 MW负荷试验，甩负荷过程为75%。图1记录了转速和所有气隙传感器平均气隙快速变化趋势。

从图1可以看到，在甩负荷过程中，同样由于作用于转子磁轭和磁极的离心力影响，导致转子膨胀，定转子间气隙减小，在最高转速下定转子间气隙减小了0.1 mm。但通过比较甩负荷前后稳定工况的气隙数据，发现转子磁极形貌和气隙基本没有变化。说明甩负荷试验对发电机气隙特性基本没有造成影响，转子机械强度和磁轭状态良好。

图2 四号机组开机前后的气隙数据

图3 4号机组加励磁前后的气隙数据

3.3 开停机过程中气隙特性变化规律

在机组开停机过程中，由于作用于转子磁轭和磁极的离心力的影响，也会导致转子膨胀，定转子间气隙将发生变化，在开机过程中气隙逐渐减小，而在停机过程中气隙则会逐渐增大。开机过程中转子磁极气隙的变化幅度与转子结构设计有关。如图2所示。

图2a为开机前各通道平均气隙的数据，图2b为额定转速100%时转子气隙数据变化，从中可以看出，停机过程中各磁极气隙均有明显增大，随著转速的升高气隙有所减小。

3.4 变励磁过程中对气隙特性的影响

在机组运行突然施加励磁电流时，由于磁拉力影响，定子铁芯向内收缩，转子磁极向外膨胀，导致定转子间气隙迅速减小，突然去掉励磁后，定转子间气隙则会增大。若在此过程中某通道气隙变化过大，则可能表明定子铁芯存在松动移位故障。图3为机组加励瞬间各通道气隙变化数据。

可以看出机组逐渐加励磁至100%Un并稳定运行一段时间后突然去励过程。从上述数据可以看出，加励磁瞬间各通道气隙有所变化，但随着励磁稳定后，气隙又慢慢恢复稳定状态，加励磁后各气隙数值更加稳定，甚至有所减小，上述数据说明定子强度良好。通过以上数据的分析，可以罗列出影响发电机气隙变化最大的前10个磁极，对个别磁极的安全性进行科学评价，然后在检修过程中，有针对性重点对个别磁极及定子不同方位基础进行检查维修。

4 结语

采用发电机空气间隙监测技术，不但对能够清楚了解发电机安装质量，对发电机长期运行过程中定转子的状态也可以在线进行分析和监测。对发电机的安全稳定高效运行提供了准确详实的数据，为发电机检修工作提供了准确的判断依据，对可能出现的重大事故可以提前进行预警和分析，消除了机组出现转子磁极松动扫膛、定子位移、轴瓦偏移等重大设备事故。为电站安全高效稳定运行提供了有力的技术保障，值得发电企业进行推广和重视。

［1］张润时，贺建华，郑松远.发电机空气间隙在线监测技术在三峡右岸电站的应用［J］.水电站机电技术，2008，31（06）: 11-17.

［2］孙伟，郑宇.TN8000水电机组状态监测分析故障诊断系统在大唐彭水电厂的应用［J］.华中电力，2012，25（02）: 20-25.