周洪宇，周 明，张 宇，黄 梅

（1.国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川雅安 625409；2.四川预维佳科技有限公司，四川成都 610095）

1 水轮机绝缘检测

根据国标GB/T 28570—2012《水轮发电机组状态在线监测技术导则》要求，水轮发电机组状态监测参量包括振动、摆度、轴向位置、压力脉动、空气间隙、磁通密度和局部放电等。根据美国电力协会及清华大学相关统计，发电机故障有40%来自定子绕组电气绝缘故障，15%来自转子绝缘故障。绝缘监测是水力发电厂的长期工作内容。

大岗山公司与专业厂家合作，在2016 年试点实施的局放在线监测智能分析系统，能提供对定子线棒绝缘状况的实时监控，提供Web 化系统构建，并有多种分析功能，便于设备运行状况监控，提供检维修依据。大岗山4 台机组实施局放在线分析系统以来，已经成功在大岗山1#机的运行中发现了较为严重的绝缘隐患，并准确指导检维修方案，及时准确排除了隐患。目前实施的系统只能提供对发电机定子绕组绝缘状况在线实时监测，而发电机运行中处于同样工况下运行的转子，以及位于发电机铁心外部，面临更苛刻工况的端部绕组，同样也存在较大绝缘隐患的可能。转子匝间短路，绕组端部的振动异常，会对发电机的经济安全运行造成较大影响。本项目是基于工业设备状态检修的大趋势，通过配备安全、稳定、有效的多维度状态监测手段，运用先进的数据分析技术，综合判断、识别水轮发电机绝缘故障的早期征兆，对故障部位、严重程度、发展趋势做出分析判断，主动实施针对性维修的引领行业先进技术的试验性项目。

2 现有技术分析

目前国内电力行业普遍实施的是设备预防性维护管理模式（预防检修），它是根据设备发生故障的统计规律或经验，事先确定检修类别、检修周期、检修工作内容的检修方式，比早期传统的（随坏随修的）故障检修模式有一定的先进性，可以在一定程度上主动预防故障发生。发电设备在投产初期和寿命末期的故障概率较大，中间要经过一个较可靠的稳定期，并且在各个阶段的故障特点也不尽相同。现行的检修管理体制下确定的预防性检修项目和周期相对固定，在故障率偏高的初、末阶段降低了设备的可靠性和利用率，在设备稳定运行阶段造成了检修人、物、财力上的浪费。受计划准确度的影响，预防性维修模式必然会在一定程度上造成维修过度或者维修不足，经济性比较差。

已有部分发电企业意识到状态检修的重要性，逐步开展了部分状态监控系统的开发和实施，但一般都需要外请工程师专家进行数据分析，不仅依赖于人工判读，准确性和时效性都不能科学把控。有些试验数据还需停机检修才能获取，这些都严重滞后了对生产维护的即时指导意义。

3 本系统的技术方案

在原有的定子绕组局放在线监测系统上做智能分析模块的深化，构建智能分析模型，辅以大数据诊断，对状态监控、预警设定、故障诊断做智能化升级。同时借助现有的发电机局放在线监测系统的模块化设计，对发电机转子匝间短路、绕组端部振动实时监控，并定位发生位置，实现对发电机运行工况的多维度综合监控。水轮发电机状态监测智能诊断平台是通过安装在发电子定子绕组端部的耦合电容传感器监控绕组局放状况（已于2017年成功实施），通过安装在定子铁心齿上的磁通传感器监控转子各磁极的匝间短路状况，通过安装在绕组端部的振动传感器监控绕组端部振动状况，并将这3 个监控系统统一集成在1 个监测平台内，从而得到发电机运行的综合实时状态，通过具备智能判断的运行平台，对发电机状况做出综合判断。

3.1 局放在线监测智能诊断模块

局放在线监测智能诊断模块由耦合器（80 pF 云母耦合器）、局放监测主机（Guard II）、接线盒及专用信号电缆、预装有智能诊断系统的数据服务器和机柜等组成。耦合器可以抓取各支路的局放信息提供给监测主机。局放监测系统工作站，由数据服务器、Web 服务器、工业交换机等硬件及局放数据采集软件IAM、局放数据分析软件PDView、中文版局放智能监测预警系统等组成。

局放监测主机通过光纤通信将局放信号同时传输给数据服务器。数据服务器安装有数据采集软件IAM 和数据分析软件PDView，可对局放数据进行采集和专业分析。数据服务器将局放信息通过正向隔离装置传输给Web 服务器，Web 服务器上安装有预维佳公司定制开发的中文版局放智能监测预警系统，可对机组整体的局放水平进行实时监测、显示和趋势分析，并方便进行Web 查询和即时监控（图1）。

图1 智能判断流程

3.2 转子匝间短路监测模块

转子匝间短路监控采取可以和局放智能平台兼容的在线监测系统，进行磁通测量，实时监测转子匝间绝缘状况的信息，并定位故障点。通过安装在铁齿上和智能系统连接的新式磁通探头，同时量测主磁通及漏磁通，将2 个不同极但相对应的磁通资料进行比对，可以很直观地发现有匝间短路的绕组所在的槽（图2）。不需要改变电机的负载，即可准确测量转子是否有匝间短路，并找出短路所在的槽。匝间短路的数据可以直接连接到已安装局放在线监测系统的Guard II 主机中，只需要增加1 个匝间短路功能模块。

图2 发电机转子匝间短路监测系统组成

3.3 端部振动在线监测模块

端部振动实时监控可以和局放智能平台兼容的在线监测系统，使用光纤传感器安装在线棒上连续监测，并定位故障点。端部振动测量有径向和切向的光纤传感器，对机组本身振动造成的影响免疫，能够监测到20～400 Hz 的广谱加速度，传感器为自身固有频率在1000 Hz 以上的光纤传感器。停机时，临时安装1 个传统的加速度传感器在远离铁芯的定子线棒上，然后敲击加速度传感器附近的线棒，振幅较大的部位（连接处及汇流环）再次进行局部的击锤试验，找出50 Hz/60 Hz 及100 Hz/120 Hz 共振频率有最大振动幅值的部位进行安装，监测振动数据的统计学分析会帮助确定可许用振动水平（图3）。传感器通过光纤延长线连接到安全可靠的光纤转换器，最终连接到已安装局放在线监测系统的Guard II 主机中，只需要增加1 个端部振动功能模块。

图3 发电机端部振动安装位置

4 总结

通过发电机状态监测平台建设，可以在最大程度上预防包括定子局放恶化、转子匝间短路故障、绕组端部振动恶化等最有可能导致发电机故障的绝缘因素，降低查找并处理故障使用的人力物力投入。该技术的推广对电厂提高发电主设备生产及检修维护的效率，完善智能管理所具有的深远意义。初期研究成功的局放在线监测系统已经应用于流域公司大岗山、铜街子、深溪沟等3 座大型水电站，可控装机3960 MW，涉及12 台发电机组。局放在线监测系统提供全面机组保护的同时，有效提高了设备状态检修的准确性，为设备检修提供专业建议。

发电机状态智能监测平台深入研究项目的探索与研究，极大加强了水电行业设备状态检修的技术基础，本项目开发的局放智能监测预警系统的成功应用具有标杆性示范作用，对促进水电行业设备检修手段由计划性检修向状态检修迈进具有重要意义。