发电电动机核心部件在线监测方式选择方法浅析

蒋友凯，梅人杰，侯晓宇，娄腾升，顾鑫名，刘云平，高 涛

（1.安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城 245300；2.东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

1 引言

随着新型电力系统的推进，风光等新能源在系统内占比快速增加，抽水蓄能的削峰填谷以及事故备用的作用越发突出，抽水蓄能机组工况类型多，切换较为频繁，使机组本身的安全性面临着更大的考验。因此，对抽水蓄能机组重要部件进行在线监测，及时掌握设备运行状态、提前预警异常信息，减少长期振动、局部高温、强电磁环境、油雾粉尘等因素可能导致的部件性能下降或损坏，从而造成非计划停机，甚至发生严重事故的风险。

目前，抽蓄机组标配的部件状态和特征参量数量较少，一些重要部件状态和特征参量的获取，主要依靠手段仍然是采用人工定期现场巡检模式。面对数量众多的发电部件及其特性参数，这种传统的监测方式需要耗费大量的人力，工作负荷大，并且无法对发电设备做到全面实时掌控。因此，无论是电站无人值守、少人值守提升工作便利性的需求，还是“定期检修”到“预防性检修”减少非计划停运，保障机组运行效益的要求，都需要加强机组状态感知，提升机组智慧水平。本文分析了抽水蓄能发电电动机定转子的工作特点、运行状态、主要监测方式，以发电电动机定子穿心螺杆绝缘监测为例，讨论有线和无线两种监测方式的适用情况，并提出一种可靠的螺杆绝缘有线监测信号引出结构。为发电机组智慧化水平提升提供理论依据和应用方法。

2 接触式监测与非接触式监测

针对抽蓄机组重要部件，开展先进监测技术研究，消除关键区域监测盲点，加强机组状态感知功能是实现机组智慧化功能的重要途径。抽水蓄能机组与常规水电机组相比，工况更加复杂，这既为机组运行带来新的风险隐患，也对感知监测技术的可靠性提出了更高的要求。与此同时，监测某类物理量的技术，在机组不同的区域应用时，其通用性往往会受到一定的限制，目前，随着技术的发展，针对同一类物理量已经有多种监测技术路线可供选择，可以实现不同场景的准确、安全可靠监测[1，2]。以热学类参数为例，常用的经过工业场景实践检验的监测技术有：红外温度监测、基于射频的温度监测、光纤温度监测等。对于机械振动，常用的监测技术有位移检测、光纤测振等。

总体而言，各类监测技术可以分为接触式监测与非接触监测两大类。由于接触式监测可以直接接触被测对象，相对非接触监测方式，其监测精度更高。但是接触式测量需要将监测设备部署在被测对象上，相对非接触监测方式，其对设备抗振动、抗电磁干扰、防护等级、高温环境下的长期可靠性、信号线缆布设等均有更高要求。

针对具体监测场景，选用接触式监测还是非接触监测的技术路线，往往需要提前策划，而被测部件的工作特点、环境状态等是重要的参考因素。下面以发电电动机定转子为例，阐明抽蓄机组关键部件的工作特点、环境状态与监测方式选取方法。

3 发电电动机定转子区域监测浅析

长期以来，行业内对监测机组关键部件性能参数做了较多探索，并取得了监测技术成果。然而受限于现有的技术水平，部分监测方法应用时对环境要求较高，在抽蓄机组监测的运用场景受到了一定的限制，监测方法的持续开发与应用仍然任重而道远。

3.1 发电电动机工作特点

（1）正反转。抽水蓄能电站发电电动机在发电工况和抽水工况下旋转方向相反，电磁环境和机组状态都有所不同。

（2）启停频率高。由于抽蓄电站在电网中调峰、调频、保电、备用等作用，发电与抽水工况切换频繁。

（3）有专门的启动方式。抽水蓄能机组抽水一般采用静止变频器启动或者背靠背启动，导致电气接线、控制操作复杂。

（4）过渡过程工况复杂。在工况转换过程中要经历各种瞬态过程，这些瞬态过程使得机组需要承受更多的振动。

（5）转速高。部件高速转动会进一步导致运行环境复杂化，同时对高速转动部件本身的监测也带来了巨大的挑战。

3.2 发电电动机运行状态

（1）电压高。发电机线圈本身具有较高电压，部分电站在长期运行中都发现了定子线棒端部和槽口存在不同程度的电腐蚀，以及线棒松动等情况。一些处于绝缘状态的部件，如穿心螺杆，也会感应出较高电压，甚至达到500 V[3]。

（2）电磁环境复杂多变。开机停机过程中，在离心力的作用下，转子会略微膨胀，定转子间气隙会发生变化，在开机过程气隙减小，停机过程气隙则会增大[4]。

（3）多过程温度特征及影响。机组长期运行会使局部温度维持在较高水平，加速电气部件绝缘老化；频繁启停急剧变化的瞬时工况会导致温度在短期内大幅波动，可能降低设备性能。

（4）高转速引起高频振动及影响。一些制造安装过程中产生的微小瑕疵在不均匀的变化工况和高频振动下被逐步放大，引起基础螺栓松动等部件断裂风险[5]。高频振动往往伴随产生高频背景噪声，对监测信号造成污染，提升了监测设备选型中屏蔽功能的要求，同时也加大了分离监测信号的难度。

（5）定转子区域风速大。安装不牢固的零件极易随风而走，进入定转子关键部位造成事故。也存在金属屑等污物吸附到一些电气连接处，造成绝缘下降及短路的情况。

3.3 常见监测方式

作为抽蓄机组的核心部件，发电电动机定转子的运行状态成为运维关注的焦点，发电行业对此不断开展新课题研究，引进和研发了多种监测技术，并不断创新监测方案，尽可能安全高效地实时感知、监测、诊断机组各部件的性能状态。

3.3.1 温度监测技术

传统测温方式有热电偶或热电阻接触式测温，该类方法技术成熟、性能可靠、测温精度高，在运维实践中，其长期可靠性较差，部分位置，如定子绕组层间温度、轴承瓦温等监测场景下，测温元器件损坏后不易更换，运维难度较高。

光纤测温同属接触式测温，其原理是将光纤吸附或缠绕在被测物体表面，以光作为温度变化的载体，通过解调仪解调，把测得的温度信息传给监测中心[6]。

红外测温是一种非接触的测温方式，对动态部件难以有效捕捉到异常发热点，即使捕捉到也无法精确定位，因此常见于静态区域测温。近年来应用方案也有新的突破，有效地将红外测温技术拓展到监测高速转动部件温度的场景[7]。

3.3.2 绝缘及短路监测技术

对于发电机来说，定子绝缘失效前会呈现出多种物理现象，如电信号、光、热、声音、气体等。目前多通过局部放电在线监测来发现部件绝缘的早期问题。而火花放电或者电弧放电往往意味着绝缘已经严重损害，濒临击穿。

吴建辉 等[3]采用电容式传感器直接接在电气回路上，也有采用天线式传感器，有代表性的是定子槽耦合器SSC（Stator Slot Coupler）和测温电阻传感器，非接触式测量信号。但只能近距离捕捉放电产生的电磁信号，需要大量传感器才能覆盖一定范围的监测。

红外测温仪可以利用短路发热量更高观察发电机内部的温度找到短路点。英国中心电力委员会研发的ELCID 法[7]能检测局部故障电流。武玉才 等[8]采用串接测量电阻的方式监测穿心螺杆与定子铁心之间是否出现短路点的方法。该方法破坏了螺杆不接地系统原有特性，且难以保证监测的精确度。

3.3.3 振动监测技术

振动是发电机组故障的主要表征之一，水电机组振动主要有水力振动、电磁振动、机械振动3 方面，导致振动的常见因素表现在轴线不对中、水压脉动和转动部分质量不均等[9]。

电测传感器测振是传统测振技术，振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录，再经过后期转化，从而得到所要测量的机械量[10]。这是目前应用得最广泛的测量方法。

光纤测振是一种新型振动检测技术。它灵敏度高，可靠性好，具有良好的抗干扰、耐腐蚀及绝缘特性。在发电机定子端部测振的场景中已广泛使用，反响良好[11]。

3.3.4 其他监测技术

根据故障的不同物理量表现，往往也可以通过多维度监测对故障进行综合诊断。如电气绝缘损坏后发热烧损引起的异常焦糊味，异常渗油的异常油味，可以进行异味监测。机组的异常振动，发电机转子与定子等部件间的刮擦，油泵电机的异常运行声音，异常电磁声等现象，可以进行噪声监测。如发生着火或者线路绝缘皮烧损，则可能产生烟雾，可以进行烟雾监测[12]。这几类监测都有较为成熟的传感器和监测方式。

4 螺杆绝缘在线监测难点与现状

据统计，水电机组有大约50%的故障来源于电气，其中40%以上的故障归咎于定子相关的绝缘故障[13]。定子铁心穿心螺杆对地绝缘健康状态对机组安全运行意义重大。

4.1 劣化机理

由于发电电动机运行时定子穿心螺杆处于交变的磁场中，会感应产生电动势，正常状态下，穿心螺杆与冲片之间设计有绝缘保护层以防止两者短路造成局部涡流或环流发生过热损坏。然而随着长时间的运行和其他因素影响，螺杆的绝缘水平存在逐步下降的风险。发电机运行时本身内部环境复杂，不仅有高低频振动、高电压强电磁，环境中还充斥着碳刷磨损的金属粉尘以及油雾等导电性腐蚀性污染物。长期运行的机械振动可能导致绝缘材料被磨损，螺杆与铁心之间产生空隙，污物累积进而使螺杆绝缘降低，甚至出现短路烧损铁心和定子线圈的情况。

4.2 监测方式分析

目前，对于定子铁心穿心螺杆对地绝缘状态监测，运维实践中采用绝缘摇表，在机组停机时人工测量。多年的技术探索，在线监测方式也有一些应用，其中有接触式监测，如注入式绝缘监测技术。也有一些非接触监测的技术路线，如通过无线红外监测温度变化，判断是否绝缘被破坏导致短路，或通过监测是否存在局部放电来推测绝缘劣化。评估已有的穿心螺杆对地绝缘监测技术路线，通过一些相关物理表征间接监测绝缘劣化后的螺杆状态的无线监测技术，仍无法准确地反映螺杆绝缘水平。因此，基于工程应用的角度，接触式监测技术路线在现有技术条件下仍是首选。

5 一种螺杆绝缘在线监测的引出线结构

为了实现对螺杆绝缘水平的实时在线监测，需要用引线将螺杆的电气量引出。考虑到发电电动机运行过程中螺杆处有较强电磁干扰、振动、油污等因素，能保证定子穿心螺杆监测引出线与螺杆可靠连接的结构方案，对保障信号的稳定传输，保障监测的安全性和长期有效性至关重要。

本文提出一种连接结构，该结构既不改变发电电动机定子铁心穿心螺杆的原结构，不影响原结构安全性，又能保证螺杆端头与引出线实现良好的电气连接及可靠的机械固定，为实现穿心螺杆对铁心的绝缘在线监测提供了应用基础。

该结构的螺套利用螺杆原有的结构进行安装固定，止动垫圈保证螺套安装稳固，不会掉落。螺套、螺钉、环形端子、引线构成了一条电气信号通路，将螺杆的电气量有效引出（图1~图3）。

图1 引出线连接结构示意图

图2 螺套示意图

图3 环形端子示意图

6 总结与展望

本文分析了抽水蓄能发电电动机定转子的工作特点、运行状态，总结了发电电动机定转子区域复杂的监测环境和部分常用的监测方式，讨论了接触式监测与非接触监测的优缺点，并以发电电动机定子穿心螺杆绝缘监测为例，讨论接触式非接触式两种监测方式的适用情况，提出一种可靠的螺杆绝缘有线监测信号引出结构，为发电机组智慧化水平提升提供理论依据和应用方法。

抽蓄机组对发电机组本体及其监测设备的高可靠性有着严格的要求。因此在抽蓄机组上开展先进监测技术的应用时，应当首先考虑技术的安全性、长期可靠性。同时，监测技术的应用应该有益于减轻运维工作的压力，所以在重点区域开展非接触监测，以及开发具有嵌入式自感知功能的智能化部件仍然是发电设备智能化技术发展的趋势。