水电机组在线监测系统简析

发布时间：2020-01-15 15:39　　　类型：解决方案　　　人浏览

摘要：水电站中对机组的在线监测，已经是中大型水电站中必备系统，该系统不仅能够实时监测机组的运行状态，提供机组检修的数据支持，还能对机组故障进行分析。本文通过机组在线监测经典配置，浅谈其在水电站中的使用。

关键字：在线监测振动传感器摆度传感器空气间隙

Abstract: On-line monitoring of units in hydropower stations is already an essential system for medium and large-scale hydropower stations. This system can not only monitor the operating status of the units in real time, but also provide data support for unit maintenance, and can also analyze unit failures. This paper discusses the classic configuration of the unit online and discusses its use in hydropower stations.

Keywords: Online monitoring Vibration sensor Swing sensor Air gap

【中图分类号】TV547+.3 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）11-0069-04

1 引言

随着水电站的自动化程度越来越高，大部分中大型水电站都实现了“无人值班，少人值守”，水电站的检修方式也慢慢由以前的计划检修逐渐转为状态检修。机组在线监测就是一个为状态检修提供数据支撑的系统，它不仅可以提供检修数据支撑，还可以对水电安全稳定运行提供数据监测。从近几年来已经安装了机组在线监测系统的电站实际运行效果来看，机组状态在线监测系统在电站的安全稳定运作中发挥了重要作用。它能够及时发现故障隐患，能够分析机组运行的状态，对机组检修提供指导。

2 网络架构

机组在线监测的内容包括机组的振动、摆度、压力脉动、能力与效率、发电机气隙、局部放电、磁通量、线棒振动。水电站机组状态在线监测系统的网络结构一般采用单星型网络，由传感器、数据采集单元、现地工控机、数据服务器、应用服务器、工程师工作站以及相关网络设备组成。通常数据采集单元和现地工控机被布置在发电机层，计算机和网络设备布置在计算机房和中控室。水电站机组状态监测系统网络结构参见图1所示。

图1 状态监测系统网络结构

3 传感器测点配置

传感器安装在被测装置上，将采集的信号转换为模拟量信号传送给数据采集单元。数据采集单元对机组的振动，摆度，压力脉动，气隙，磁通量进行处理分析汇总，再分别送给现地工控机和上位机，由他们进行图形、图表、曲线等直观的方式在人机界面上显示。

在线监测系统中一般会设置：状态数据服务器用于存储数据；工程师工作站提供给运行人员随时监测和分析机组运行状态信息。由于在线监测系统在水电站中属于安全II区设备，通常在线监测系统为了与监控系统互取数据，还需要配置防火墙，向III区管理系统发布数据需要配置横向隔离。水电站典型测点配置参见图2所示。

图2 传感器测点配置

根据《水轮发电机组安装技术规范》，以混流式水轮发电机组为例，通常机组设置上导，下导，水导三处摆度测点，每处在水平X、Y两个方向上各安装一只传感器。设置上机架、下机架、顶盖处振动测点，按照+X、-Y、Z方向分别安装一只传感器。在定子机座位置设置1-2个水平振动测点，1个垂直振动测点，定子铁芯部位设置1-3组发电机定子铁芯振动测点，每组1垂直、1水平。以及机组轴向位移一个测点。

由于尾水管窝带引起的水压脉动是水轮机普片存在的现象，并且会直接影响到水轮机的稳定性。所以在蜗壳进口、尾水管锥管、尾水管肘管、转轮前导叶处安装压力脉动传感器。

电机定子与转子之间的空气间隙会由于电磁力，离心力的作用下发生变化。不均匀的气隙会影响发电机的稳定运行。通过检测发电机定子与转子之间的空气间隙，可以及时掌握转子磁极松动情况，定子的变形趋势。另外，空气间隙不均匀会导致磁拉力不平衡，而磁拉力不平衡时会引起振动，所以监测气隙又可以给机组振动数据做辅助分析。气隙传感器的配置一般根据转子直径和高度来确定。转子直径小于7.5米时安装4个传感器，大于7.5米时安装8个传感器，转子高度大于2.7米时安装两层传感器。

通常一台机组需要配置一个磁通量测点。通过检测磁通量，可以精确的定位某一磁极发生匝间短路，分析磁通量变化规律可以判断定子线棒有无放电，短路现象，磁极是否有松动现象。磁通量监测还可以与气隙监测配合起来，判断不平衡是有电气故障产生，还是空气间隙不均匀产生的。

状态监测层除了监测传感器，最重要得部分就是数据采集单元，基于MB系列智能PLC基础研发的SJ-90B模块化状态监测数据采集装置，采用工业测控领域的一系列最新成果和设计理念，独立的模块化结构设计、先进的生产加工工艺和精致的外观设计、GPS标准时钟分同步接口等多项业内独有技术，是大中型水电机组实现状态监测分析的理想设备。

4 SJ-9000水电机组状态监测分析系统

“SJ-9000水电机组状态监测分析系统”通过对水电机组运行过程中的振动、摆度、压力脉动、空气间隙、磁场强度、局部放电等状态参数进行长期连续的实时采集和在线监测，采取多种手段进行分析诊断，自动记录设备状态数据并生成设备状态报表，同时对故障早期征兆进行自动报警，并对故障原因、严重程度及发展趋势做出判断，从而及时消除机组故障隐患，减少破坏性事故的发生，指导机组安全、可靠、经济运行。

4.1 实时监测工具

实时监测功能是监测分析程序的基本功能，实现对机组的运行状态进行全面监测，判断监测信号是否正常：告警、危险。同时，通过机组主监视图、波形、频谱、相位、轴心轨迹、轴线姿态等可了解传感器的整体布局、具体通道名称、通道监测数据值，机组当前运行状态等信息，实现实时监测的工具参见图3、图4所示。

图3 实时监测工具

图4 实时监测工具

4.2 趋势分析

趋势分析是分析、预测状态趋势走向的工具，是数据分析的重要方法。它以时间或工况量为横坐标，以各通道的均值、峰峰值为纵坐标，显示其随时间或工况的变化趋势。趋势分析工具在横坐标选择、通道选择、工况分段的选择和划分上具有较大的灵活性，可以满足精密趋势分析的需要。趋势分析参见图5、图6所示。

图5 趋势分析

图6 趋势分析

4.3 轴心轨迹

轴心轨迹是指轴心相对于轴承座，在与轴线垂直的平面内的运动轨迹。获取轴心轨迹信息，需要在转轴轴承座相互垂直的方向上安装两个电涡流位移传感器来测量。根据轴心轨迹的形状可以判别轴心的运动状态，如轴上预载荷是否有变化，轴与轴承是否同心、轴间隙正常否等。通过观察、监视转子的轴心轨迹可以得到：轴与轴承的同心度问题；轴径向预载或外力的变化，以及碰磨情形等功能：利用各导轴承X、Y方向的摆度信号的幅值平均值，求出轴心相对于轴承中心的偏心距及角度，从而确定出三个导轴承处轴径中心的位置，把这三个中心连接起来，就得到轴心线的空间姿态。分析轴线姿态，可以判别盘车质量、瓦和机架的动态变形、转子的变形和受力情况等。可以用来指导盘车、配重等。轴心轨迹参见图7、图8所示。