在线监测技术在仙游抽水蓄能机组的应用

陈晨

（中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350001）

当前水电站的运行管理模式正朝着“无人值班，少人值守”的方向发展，机组的自动化程度日益提高。为了确保机组能够安全、稳定、经济地运行，在大中型水电站装设机组在线监测系统是必须和重要的。通过在线监测技术，在常规的温度和电量监控以外，加强对机组运行状态的监测、分析和诊断，以便及时发现存在的缺陷和隐患，有针对性地对机组进行维护，减少突发性故障，同时也为状态检修的实施提供支撑。

1 概述

仙游抽水蓄能电站地处福建省仙游县西苑乡半岭村，装有四台容量为300MW的可逆式水泵水轮发电机组。电站2013年投入运行，几年来结合运行过程中的实际经验，通过不断的完善和技术改造，目前安装使用了1套机组状态监测系统和1套转子绝缘在线监测系统。23机组状态监测系统电站建设过程中根据设计装设了1套机组状态监测装置，2013年起随着机组的投运而同步投入使用。几年来，由于设备存在系统易死机、模块易损坏、抗干扰能力差等诸多问题，始终无法充分发挥出其应有的作用。在此情况下，2017年起，电站逐步对原有的机组状态监测系统进行技术改造，安装了新的GMH550状态监测系统。

1.1 系统组成

GMH550状态监测系统具有对机组进行实时在线监测、分析和诊断的功能。它可以帮助运维人员了解和掌握设备状态，以便尽早发现潜在的缺陷和隐患，同时还可及时发出报警信号，防止严重事故的发生，确保机组安全运行。系统分为上位机层、现地层、传感器和数据转换层。上位机层由Web服务器、数据服务器、工程师站、交换机、光电转换器等组成；现地层由稳定性单元、振摆保护单元、气隙单元等组成；传感器和数据转换层由各类传感器、前置器等组成。

1.2 监测项目及测点

（1）机组稳定性监测。机组稳定性监测包括振动、摆度、轴向位移和压力脉动等。根据仙游抽水蓄能机组的特点，各项参数的测点设置如下。

①机组振动：对于水轮发电机组，由于其主要是低频振动，因此监测上采用适合低频测量的速度传感器。分别在顶盖、上机架、下机架各设置3个振动传感器，其中水平方向+X、+Y各设置1个测点，垂直方向设置1个测点。②机组摆度：采用电涡流传感器，分别在上导、下导、水导的水平方向+X、+Y各设置1个摆度传感器。根据每处+X、+Y方向的传感器测得的信号，可以直观的得到轴心的运行轨迹，而将上导、下导、水导3处的轴心轨迹相连，则可以获得机组大轴的运行姿态。③轴向位移：采用电涡流传感器，在机组推力头上部设置1个测点。④定子铁芯振动：针对定子铁芯的电磁振动，由于其振动频率较高，因此监测上采用适合高频测量的加速度传感器。在定子铁芯均匀设置了3组振动测点，每组包含1个水平测点和1个垂直测点。⑤压力脉动：采用高精度的压力传感器。在蜗壳进口设置1个测点，尾水管进口设置1个测点，转轮与顶盖间设置2个测点，转轮与导叶间设置2个测点，尾水肘管设置2个测点。

（2）气隙监测。气隙监测监测的是定子与转子间的空气间隙。当定子与转子之间出现偏心或者形貌不圆时就会造成定子与转子间的空气间隙不均匀，使得磁拉力不平衡，从而引起机组振动，影响发电电动机的电气特性和机械性能。通过气隙监测，可以准确地判断出定子、转子的动态结构和变化趋势，检验机组制造、安装、检修等工作的质量。气隙监测采用电容式传感器，在发电机定子的上部和下部沿周向各均匀布置4个测点。

（3）工况参数监测。由于机组的运行特性会随着功率、转速、导叶开度等参数实时变化，为实现对不同过程、工况下机组运行状态的诊断分析，系统还从计算机监控系统和励磁系统采集了有功功率、无功功率、导叶开度、GCB开关位置、灭磁开关位置、换相开关位置、励磁电压、励磁电流等数据。通过这些数据对机组的运行过程和工况进行辨别，再结合其他监测数据，来分析评价机组在不同情况下的运行状态。

1.3 系统功能

（1）状态监测功能。通过各类传感器对机组的振动、摆度、轴向位移、压力脉动、空气间隙、磁场强度等进行在线监测。

（2）优化运行功能。通过对不同运行状态下监测数据的汇总分析，掌握机组不同运行工况下的稳定性，以便对较不稳定的区域，在运行过程中予以主动规避。

（3）故障预警诊断功能。利用各种分析计算，跟踪趋势变化，发现故障隐患，提前发出预警信号，避免事故进一步扩大。同时，故障诊断分析系统还可以为查找故障原因、解决故障提供专业的故障诊断分析。

（4）报警保护功能。采用限值报警方式，对每个通道设立两个报警值，当通道监测数值超过一级报警值时发出报警信号，超过二级报警时发出停机信号。同时，针对各种不同的工况，设定了不同的报警值，以提高报警的准确性。

（5）远程诊断功能。系统支持远程分析中心模式，在电站层面可以方便的构建电站级的机组状态监测网，而利用上位机的Web 服务器，系统还可直接与国网新源远程诊断中心联网，实现远程诊断的功能。

1.4 应用情况

GMH550状态监测系统投入使用以后，通过与现场开展的机组稳定性试验所测得的数据相比对，两者之间较为吻合，说明其采集到的数据真实准确。投运以来，装置整体运行稳定，在日常的运行维护中起到了很好的监测预警作用，振摆超限跳机功能的投入，也为机组的安全运行提供了更有力的保障。在2018年开展的2号机组和4号机组C级检修过程中，利用状态监测系统所测得的数据，对机组上导瓦支撑改造及上导瓦间隙调整、下导瓦间隙调整、水导瓦间隙调整、转子配重等一系列工作，起到了很好的分析、指导和检验的作用。

2 转子绝缘在线监测系统

2017年起，电站数次出现了转子一点接地灵敏段动作以及转子一点接地动作的故障，2018年1月1日，2号机组还出现了一起由于绝缘降低集电环对地放电的事故。在此情况下，2018年电站进行了这方面的技术改造，为机组增设了贵阳新光的WL2CA-S2型转子绝缘在线监测及其接地定位装置和ZDL2-S2型转子匝间短路在线监测及其定位装置。

2.1 转子绝缘在线监测及其接地定位装置

目前针对转子对地绝缘一般都设置了发电机转子一点接地保护，在保护原理上分为电桥式、注入交流电压式、注入直流电压式等。其保护定值一般在1kΩ到10kΩ之间。由于整定值较低，因而不能对转子绕组接地故障进行预测，只有当报警或停机动作后才能发现，从而对机组的运行安全造成了影响。WL2CA-S2型转子绝缘在线监测及其接地定位装置能够在接地故障发生前，实时监测转子绝缘变化趋势，直观显示绝缘降低部位，其对地电阻显示范围可达10MΩ；而在接地故障发生后，装置除了能发出报警信号外，还能直接确定故障位置，减少故障查找的时间，提高缺陷处理的效率。

2.2 转子匝间短路在线监测及其定位装置

在机组长期运行过程中，由于转子绕组匝间绝缘层的材料很薄，受绝缘老化的影响和离心力的作用，转子匝间短路故障比较容易出现。当转子出现匝间短路故障时，可能出现两方面的问题。一是，转子电流增大，绕组温度升高，造成转子绕组和铁芯的损坏；二是，机组振动加大，影响机组的安全运行。ZDL2-S2型转子匝间短路在线监测及其定位装置，通过采用磁极波判定法和峰-峰值判定法等方法，可以对各个转子磁极的运行状况和磁极波形进行实时的监测。当转子出现匝间短路故障时，装置能够快速发出故障报警信号，并确定出故障磁极。

2.3 应用情况

2017年起至今，几台机组相继出现了转子回路绝缘下降较快的现象。究其原因，一是随着机组投运时间的增长，机组集电环与碳刷的磨损也日益增大；二是由于集电环室内排油雾效果不好，使得油雾较多。当机组运行时，碳粉和油雾弥漫在空气中，吸附在集电环的绝缘套管和绝缘垫块上，造成转子回路绝缘下降，引发接地故障。针对这一问题，在转子绝缘在线监测系统投入使用后，运维人员通过该系统对转子绝缘进行实时在线监测，在转子回路绝缘下降之初就能够提早发现，从而及时安排维护和状态检修，避免了接地故障的发生，保障了机组安全运行。

3 结语

抽水蓄能电站作为一种重要的调节工具，在电网中发挥着调峰、填谷、调频、调相等重要作用；而抽水蓄能机组启停频繁、工况转换复杂的特性，也对机组运维和检修的水平提出了更高的要求。通过在线监测技术在抽水蓄能机组的推广应用和完善，实现对机组故障的准确分析和及时预测，将有效的提升抽水蓄能机组安全运行的水平，同时也为机组的检修工作从计划性检修向状态检修发展打下了坚实的基础。