抽水蓄能机组发电电动机转子端部运行状态在线监测系统研发

孙 凯，尹和松，陈 爽，李淑钰

(1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江 牡丹江 157000)

0 前言

抽水蓄能机组与常规水电机组相比，其发电电动机具有发电机/电动机双工况运行、转速高、双向旋转、频繁启停等特点，这为该类机组带来了一些新的运行安全问题[1]。发电电动机转子端部的各种部件随着电机转子高速旋转，且长期运行在电、热和机械应力的环境下，会发生各种机械故障，从而对机组运行带来安全隐患。为了保证机组运行安全，根据电机运行中发生的故障，对发电电动机的在线监测系统增加一些新的监测项目就显得十分必要[2]。

本文提出了一种新型抽水蓄能机组发电电动机转子端部运行状态的在线监测系统。通过在线监测抽水蓄能机组的电机转子端部某些关键部件的运行状态，实现对这些关键部件各种机械故障与缺陷的早期发现、早期预警及早期处理，保障机组运行安全，避免故障对机组安全运行产生严重的隐患。

1 在线监测系统工作原理

电机转子励磁绕组是实现机电能量转换的重要部件，磁极线圈之间用极间连接线和磁极引出线相连接，以构成励磁绕组，磁极阻尼条与阻尼环通过阻尼环连接片构成电机阻尼绕组[3]。电机的磁极引出线、极间连接线、阻尼环连接片等部件均位于电机转子上端部，随着电机转子高速旋转，并且长期运行在电、热和机械应力的环境下。水轮发电机以及抽水蓄能电动机转子绕组是串联连接的，其电阻值变化将引起温度变化，因此通过温度与损耗和电阻值的关系可以判断是否存在机械故障问题；同理，极间连接线和阻尼环连接片的温度变化同样可以反映电阻值的变化。当极间连接线的连接部位出现松动或者局部出现裂纹时，其电阻值变大，损耗随之变大，其温度会出现异常波动。所以电机运行过程中，如果能够监测转子端部的温度分布情况，则可以早期发现和预测磁极连接线或者阻尼环连接片的轻微机械故障[4-5]。另外，根据磁极线圈的温度分布情况，也可以早期判断磁极线圈间绝缘是否存在问题。通过监测电机转子端部温度分布情况，可以早期发现转子机械故障，避免其进一步扩大，提高机组运行的安全可靠性。

本文提出的新型抽水蓄能机组发电电动机转子端部运行状态在线监测系统利用红外辐射测温与智能数字图像技术，采用非接触式的红外热像仪与高速工业照相机，把红外热像仪与高速工业照相机安装到电机定子上机架上，拍摄电机运行过程中转子端部磁极上部的状态。当电机转子旋转时，热像仪和相机可以扫描到电机转子所有磁极的磁极线圈上部、磁极引出线、极间连接线和阻尼环连接片，这样就可以监测到所有需要监测部件的温度与高清图像，通过数字智能化在线监测系统及大数据分析软件实现电机端部运行状态的在线监测[6]。

2 系统构成

抽水蓄能机组发电电动机转子端部运行状态在线监测系统由高速红外热像仪对转子端部关键部件的温度热图像进行非接触式拍摄，同时采用高速工业相机对相同部位进行高清拍摄。温度热图像与高清图像的定位是利用电机测速齿盘、转速传感器和键相传感器获得的，后通过计算机测控技术及大数据软件对上述图像进行分析，从而对蓄能机组发电电动机转子端部可能的运行故障进行预警[7-8]。系统原理框图如图1所示。

图1 在线监测系统框图

2.1 键相传感器和转速传感器

键相传感器、转速传感器安装于电机定子机座。在转子大轴表面与某一特定磁极对应的部位，贴一个信号标志键相片，在转子旋转过程中，当转子上的键相片旋转至与键相传感器相遇时，键相传感器就会发出一个脉冲信号，这个信号称为键相信号。在电机转子大轴上安装一个与转速传感器相对且齿数为转子磁极数3倍的测速齿盘，在电机转子旋转过程中，每旋转一圈，转速传感器就会发出与测速齿盘齿数等量的转速脉冲信号。转速脉冲信号与键相信号共同使用，通过计算机控制技术，可以控制红外热像仪与高速工业相机采集电机转子端部任意磁极部位的热像图及高清图像[9]。

2.2 FLIR A6751型红外热像仪

在红外热像仪拍摄发电电动机转子端部部件的温度过程中，电机转子以一定转速旋转，转子不同的半径处以不同的线速度运动，电机磁极外侧的线速度可达到120m/s以上，所以红外热像仪所拍摄测量的每一点温度值均为某一段弧线区域内的温度平均值，这段弧线区域的长短与电机转速及高速热像仪的积分时间有关，所以红外热像仪的选择及积分时间的确定是在线监测系统的关键因素[10]。

FLIR A6751型红外热像仪为超晶格制冷长波热像仪，在拍摄测量过程中，积分时间可以达到480ns～20000μs，但是拍摄中使用的具体积分时间与拍摄画面的频率及拍摄对象的表面温度有很大关系[11]。在监测发电电动机转子端部部件温度的过程中，被测部件的温度约为70～160℃，热像仪的积分时间约为10～30μs，如果电机转子端部温度监测点按照125m/s的线速度旋转，热像仪的积分时间为30μs，那么一个温度采样点的温度实际是一段3.75mm长的弧线区域的温度平均值，由于3.75mm数值很小，因此将此区域的温度平均值作为一点的温度值是可以被接受的。

2.2.1 红外热像仪的安装方式

在安装红外热像仪时，根据红外热像仪的外形及安装机械结构，设计一个金属防护罩，把热像仪固定安装在金属防护罩内，再根据电机定子上机架的机械结构，把红外热像仪金属防护罩吊装固定在电机定子上机架并对着转子上端面要监测温度的部位。红外热像仪的镜头与需要监测温度的电机转子部件的垂直距离需要根据监测画面的视场以及红外热像仪镜头的焦距进行计算。

2.2.2 红外热像仪监测的热图像定位

红外热像仪在电机定子圆周空间安装位置与键相传感器的圆周空间安装位置相对固定。热像仪测控软件将电机键相传感器信号作为控制红外热图像采集开始的零相位信号，把转速传感器输出的转速脉冲信号作为红外热图像采集位置的定位信号。这样就可以定位每幅图像与电机转子的空间相对位置，从而测量出每一个磁极线圈、阻尼环连接片、磁极引出线及极间连接线的温度变化曲线。当电机转子某一磁极的引出线或连接线等部位的温度发生突变，则预示着这一部位有可能发生裂纹或把合螺丝松动等机械故障，需要对相同部位的高清图像做进一步分析。如果电机转子端部某部位的温度突变特别明显，而通过相同部位的高清图像又发现不了确切的裂纹等机械缺陷，则可以怀疑是铜排内部发生断裂缺陷，此时，为避免故障进一步加大而造成严重的运行安全事故，可以在发电电动机运行工况转换停机期间，对怀疑的部位进行无损探伤检查。

2.3 TRIO50S型高速工业相机

发电电动机转子以高于400r/min的转速长期双向运行，机械结构在运行过程中有可能出现疲劳损伤问题，为避免机械疲劳损伤引发非正常停机，本文建立了一套转子端部高清图像监测系统。通过分析电机运行过程中拍摄到的电机转子端部高清图像，可以发现重要部位在运行过程中发生的细微变化，建立电机转子端部图像数据库。通过对温度数据发生显著变化的磁极引出线、极间连接线等部件表面图像进行详细分析观察，可达到对机械故障早发现、早预防的目的。

TRIO50S型高速工业相机是一款具有高分辨率、高速度的工业级照相机，其快门速度最快可以达到1μs，与适当的高速光源配合，可以拍下高速旋转的电机转子端部的高清图像。这些高清图像可以与红外测温图像互为辅助数据，作为电机转子运行状态在线监测分析的重要依据。

系统监控软件可以把电机转子端部高清图像存入监控系统数据库，当发电电动机各种运行工况下转子端部磁极线圈、磁极引出线、极间连接线以及阻尼环连接片的各种高清图像积累的足够多，可以利用图像人工智能识别技术，开发电机转子端部高清图像机械故障自动判别软件，由计算机自动分析判断电机转子高清图像的机械故障，这样可以大大提高监测系统的工作效率及可靠性。

2.3.1 高清工业相机的安装方式

高清工业相机的安装方式与红外热像仪的安装方式类似，将高清工业相机固定安装在金属防护罩内，再吊装固定在电机定子上机架并对着转子上端面需要监测图像的部位。高清工业相机的镜头与需要监测的电机转子部件的垂直距离需要根据监测画面的视场及镜头的焦距进行计算。

2.3.2 高清工业相机拍摄的高清图像定位

采用与红外热像仪拍摄的电机转子端部红外热图像相同的定位方式就可以定位高清工业相机拍摄的电机转子端部每一个磁极线圈、阻尼环连接片、磁极引出线和极间连接线的高清图像。通过对电机转子端部高清图像进行人工分析，并结合相应部位的温度变化曲线，可以对电机转子端部磁极线圈、磁极引出线、极间连接线以及阻尼环连接片的机械故障进行早期预警和处理，避免故障继续发展而造成机组的重大运行事故。

3 电站现场试验应用

将本文研发的在线监测系统在某抽水蓄能电站发电电动机上进行了应用试验，监测效果良好。红外热像仪的监测工作界面如图2所示，电机转子端部高清图像如图3所示。

图2 红外热像仪的监测工作界面

图3 电机转子端部高清图像

4 结论

本文论述了一种用于监测高速旋转的抽水蓄能电站发电电动机转子端部运行状态的系统，本系统通过红外热像仪与高清工业照相机在线获取电机转子端部关键部件在高速旋转过程中的运行温度与高清图像，利用智能自动化测控技术与大数据分析系统软件，可以实现对抽水蓄能机组电机转子端部关键部件机械故障与缺陷的早期预警与监测。电站现场运行试验结果表明，该系统运行稳定，非接触测量，对电机运行不会带来任何安全隐患，温度数据准确可靠，图像清晰，对发现早期的机械故障具有明显作用，对保障电机的运行安全具有重要作用。