楊 軍，周 明，鄒洪剛，唐李軍

（1.國(guó)電大渡河大崗山水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川雅安 625000；2.成都英孚德科貿(mào)有限公司，四川成都 610000）

0 引言

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部不停運(yùn)動(dòng)，振源主要是雙倍頻交變電磁力。正常通過(guò)定子線圈和線棒的50 Hz 或60 Hz電流，會(huì)產(chǎn)生100 Hz 或120 Hz 的巨大電磁力。若繞組端部支撐固定不足，線圈會(huì)因振動(dòng)使絕緣逐漸磨損。定子繞組端部振動(dòng)是電機(jī)發(fā)生故障的一個(gè)重要原因，也是大型水輪發(fā)電機(jī)非常重要的故障機(jī)理。絕緣故障產(chǎn)生機(jī)理的多樣化，受外界干擾造成絕緣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的非準(zhǔn)確性，絕緣數(shù)據(jù)判讀的經(jīng)驗(yàn)性，這些因素都嚴(yán)重制約發(fā)電機(jī)組絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

1 水輪發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)難點(diǎn)

水輪發(fā)電定子繞組并聯(lián)支路較多，按照目前眾多振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的慣例，僅安裝個(gè)別監(jiān)測(cè)傳感器，是無(wú)法有效監(jiān)測(cè)端部振動(dòng)的，給計(jì)劃?rùn)z修帶來(lái)諸多不確定因素。為使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠行之有效，需要一個(gè)大量、長(zhǎng)期積累的、經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)作為參考。同時(shí)還需要有人工智能的手段，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)在幅值、相位、頻率和特征參數(shù)的對(duì)比，達(dá)到自動(dòng)判斷的效果，在機(jī)組狀態(tài)檢修中發(fā)揮主動(dòng)作用。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部電氣環(huán)境非常惡劣，是一個(gè)高電壓、強(qiáng)交變電磁場(chǎng)的特殊環(huán)境。在強(qiáng)電磁場(chǎng)的作用下，金屬結(jié)構(gòu)的普通傳感器可能產(chǎn)生放電，引起磁場(chǎng)分布的變化，干擾自身工作。同時(shí)含鐵磁性材料的傳感器本身還存在劇烈的電磁振動(dòng)和渦流發(fā)熱，對(duì)線棒絕緣形成嚴(yán)重威脅，降低發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行可靠性，增加事故隱患。

2 端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)思路

（1）在強(qiáng)電磁場(chǎng)的作用下，普通金屬傳感器可能發(fā)生放電，引起磁場(chǎng)變化。故選用可抵御電磁干擾的EVA 光纖加速度傳感器。

（2）構(gòu)建智能分析模型，引入機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，創(chuàng)建有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，人工智能識(shí)別，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的判讀，對(duì)狀態(tài)監(jiān)控，預(yù)警設(shè)定，故障診斷做智能化升級(jí)。同時(shí)借助現(xiàn)有發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)端部振動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，確認(rèn)絕緣故障的嚴(yán)重程度，定位發(fā)生位置，達(dá)到指導(dǎo)檢修的目標(biāo)。

（3）端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連線布局見(jiàn)圖1。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連線布局

3 端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)安裝

（1）依照J(rèn)B/T 10392—2002《透平發(fā)電機(jī)定子鐵心、基座模態(tài)試驗(yàn)分析和振動(dòng)測(cè)量方法及評(píng)定》進(jìn)行。安裝試驗(yàn)時(shí)，先安裝一個(gè)壓電晶體加速度傳感器（樣本傳感器），然后用振動(dòng)測(cè)試用的小錘在樣本傳感器附近敲擊線棒。通過(guò)振動(dòng)錘擊試驗(yàn)，找到結(jié)構(gòu)的各階固有頻率，以及50 Hz/60 Hz 和100 Hz/120 Hz 共振頻率有最大振動(dòng)幅值的部位，進(jìn)行傳感器安裝。EVA 光纖加速度傳感器適合安裝在有高電壓、高磁場(chǎng)的定子繞組端部，對(duì)光纖電纜的振動(dòng)不靈敏。光電轉(zhuǎn)換器與貫穿件完全分離，且安裝在水輪發(fā)電機(jī)外側(cè)混凝土墻上（圖2），確保長(zhǎng)壽命及定期校正方便。

圖2 端部振動(dòng)安裝

（2）依據(jù)GB/T 28570—2012《水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》要求，借助升級(jí)后的發(fā)電機(jī)在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)定位故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的多維度綜合智能監(jiān)控，構(gòu)建國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)的發(fā)電機(jī)狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)。智能系統(tǒng)采用C/S 和B/S混和開(kāi)發(fā)模式，其中數(shù)據(jù)采集及傳輸程序采用C/S 模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)及查詢統(tǒng)計(jì)采用B/S 模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)技術(shù)上C/S 程序采用運(yùn)行效率高的C++開(kāi)發(fā)，B/S 程序采用主流技術(shù)J2EE 開(kāi)發(fā)。

4 端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和上位機(jī)組成。

（1）EVA 光纖加速度傳感器是非導(dǎo)電、抗電磁干擾的振動(dòng)測(cè)量傳感器，如圖3 所示，其光信號(hào)處理技術(shù)可確保傳感器與測(cè)量?jī)x表之間極好的電絕緣狀態(tài)，是危險(xiǎn)環(huán)境中測(cè)量沖擊和振動(dòng)的理想裝置。EVA 光纖加速度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)：光電原理；靈敏度100 mV/g；量程0～50 g；線性誤差≤0.1%；工作溫度-50～200 ℃；工作溫度-20～60 ℃；可與不同的光纖加速度傳感器交互搭配。

圖3 光纖加速度傳感器

（2）數(shù)據(jù)采集裝置采用GuardⅡ主機(jī)加裝端部振動(dòng)模塊，滿足模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化要求。同時(shí)預(yù)留足夠的通道擴(kuò)展能力，方便擴(kuò)充現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集單元和傳感器，支持熱插拔和互換性要求。工作電壓AC 92～264 V，47～63 Hz，功耗～100 W；脈沖動(dòng)態(tài)范圍±5～±8500 mV，雙極性；輸入阻抗50 Ω；參考頻率通過(guò)局放耦合器自動(dòng)獲得，最小同步電壓為100 mV；通信接口為RJ45 網(wǎng)口；防護(hù)等級(jí)NEMA4X（等同IP65）；運(yùn)行環(huán)境為-20～+55 ℃，相對(duì)濕度為最大95%。

（3）上位機(jī)。多個(gè)機(jī)組可配置一個(gè)上位機(jī)，由品牌服務(wù)器、顯示器和相關(guān)應(yīng)用軟件等組成。

5 系統(tǒng)主要功能

（1）分析功能。振動(dòng)幅值（加速度及位移）與時(shí)間的對(duì)應(yīng)波形；振動(dòng)幅值（加速度、速度及位移）與頻率的對(duì)應(yīng)波形；振動(dòng)位移的趨勢(shì)圖；特定頻率的位移幅值（轉(zhuǎn)速、2 倍電源頻率以及用戶自定義頻率）；在2 倍電源頻率的振動(dòng)幅值與定子電流平方的趨勢(shì)對(duì)應(yīng)圖；設(shè)置各個(gè)不同振動(dòng)量測(cè)值的報(bào)警范圍（圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)警

（2）系統(tǒng)集成和擴(kuò)展功能。本系統(tǒng)可將發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)和工況參數(shù)集成到一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)參數(shù)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)行分析診斷。

（3）系統(tǒng)自檢與故障日志生成功能。系統(tǒng)能提供自檢信息，生成故障日志。

（4）歷史數(shù)據(jù)回放、趨勢(shì)分析。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供以“小時(shí)、天、星期、月、年”等不同更新周期的趨勢(shì)分析，并且可選擇數(shù)據(jù)趨勢(shì)的顯示時(shí)間段。

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)備份存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，文件夾的創(chuàng)建日期及訪問(wèn)日期均可進(jìn)行歷史查詢。

（6）系統(tǒng)管理權(quán)限控制。

6 水輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的意義

水輪發(fā)電機(jī)定子端部振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)入可時(shí)時(shí)掌握發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行趨勢(shì)分析，對(duì)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行智能判斷，對(duì)機(jī)組可能發(fā)生的故障及時(shí)預(yù)警，從而讓設(shè)備維護(hù)人員對(duì)機(jī)組狀態(tài)了如指掌，針對(duì)不同的機(jī)組采取不同的維保措施，及時(shí)有效對(duì)機(jī)組進(jìn)行預(yù)知維護(hù)，實(shí)現(xiàn)在故障初期實(shí)施修正，以減少盲目維修及突發(fā)性事故帶來(lái)的安全隱患與重大的經(jīng)濟(jì)損失，提高企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。