發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

二〇一一年八月一、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的概念二、水輪發(fā)電機組定子絕緣監(jiān)測三、主變局部放電監(jiān)測技術(shù)四、水電機組振擺在線監(jiān)測五、發(fā)電廠輔助泵設(shè)備在線監(jiān)測六、狀態(tài)監(jiān)測中的趨勢分析方法一、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的概念狀態(tài)監(jiān)測：在對設(shè)備自身運行狀態(tài)沒有任何影響的情況下，通過先進(jìn)的測量技術(shù)與信息處理技術(shù)，對運行狀態(tài)下的電力設(shè)備直接進(jìn)行實時檢測與分析，判斷設(shè)備運行的健康狀態(tài)。狀態(tài)監(jiān)測既不影響系統(tǒng)正常的運行，又能直接反映運行中的設(shè)備狀態(tài)，比停止運行時進(jìn)行的離線檢測更為有效、及時和可靠。

狀態(tài)監(jiān)測的概念狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測必須解決一下幾點關(guān)鍵技術(shù)：

1、在線檢測設(shè)備的安裝不能影響設(shè)備的運行狀態(tài)，不能給被檢測的設(shè)備造成安全隱患。

2、選擇的檢測方法必須能較為直接地反映設(shè)備狀況，與設(shè)備健康狀態(tài)關(guān)聯(lián)度大。

3、較為完整、準(zhǔn)確的抗干擾體系，確保監(jiān)測結(jié)果的可信度。由于運行設(shè)備一般處于工業(yè)環(huán)境，各種干擾不可避免，傳感信號往往摻雜著干擾信號，因此必須使用合理的抗干擾措施。故障診斷的概念故障診斷是利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提供的信息，對設(shè)備運行狀態(tài)和異常情況作出判斷，為設(shè)備維修提供重要依據(jù)。并對故障類型、故障部位及原因進(jìn)行診斷。具體來說，故障診斷的任務(wù)是實現(xiàn)“5W”功能，即：whether是否發(fā)生了故障？

what什么部件發(fā)生了故障？when故障時間。why故障原因。where故障具體位置。故障診斷的具體任務(wù)要順利完成設(shè)備的故障診斷，要解決以下幾點關(guān)鍵技術(shù)：

1、設(shè)備故障的機理研究，在理論上總結(jié)故障狀態(tài)下設(shè)備運動的表現(xiàn)形式。

2、針對不同的診斷實體，選擇合理的診斷方法。

3、建立全面的專家診斷知識庫系統(tǒng)。故障診斷的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的流程在我國電力體制下，對發(fā)電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，具有以下意義：1）防止重大事故的發(fā)生；2）減少“非計劃停機”及“非計劃檢修”造成的經(jīng)濟(jì)損失；3）減少“不必要的檢修”次數(shù)。發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷意義

1）發(fā)電機大軸及機架等的振擺監(jiān)測，主要對大軸的轉(zhuǎn)動狀況與電機固定部分受力情況進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)防發(fā)電機的穩(wěn)定性故障。2）發(fā)電機定子絕緣監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)電機定子絕緣的劣化狀態(tài)，預(yù)防電機定子繞組出現(xiàn)接地短路、相間短路、匝間短路等故障，主要通過測量定子絕緣的局部放電實現(xiàn)。

3）發(fā)電機氣隙、磁場監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)電機定、轉(zhuǎn)間氣隙、磁場，獲得轉(zhuǎn)子外徑及定子內(nèi)徑的最大值和最小值，防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)子碰撞定子的“掃膛”故障。磁場監(jiān)測還能診斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)匝間短路。

水電廠電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容

4）水輪機空蝕、空化監(jiān)測，監(jiān)測水電機組轉(zhuǎn)輪的健康狀況及氣蝕的嚴(yán)重程度，預(yù)防水電機組轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋甚至斷裂等嚴(yán)重故障。

5）勵磁、調(diào)速系統(tǒng)的監(jiān)測，在機組正常運行或?qū)嶒灎顟B(tài)下，通過對機組在有功、無功負(fù)荷給點變化時，相應(yīng)信息量的超調(diào)、振蕩次數(shù)、上升時間與調(diào)節(jié)時間反應(yīng)調(diào)速、調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，獲得調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)的整體性能。水電廠電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容

6）電力設(shè)備發(fā)熱監(jiān)測，監(jiān)測電力設(shè)備的溫度及溫度場分布，預(yù)防由電力設(shè)備整體發(fā)熱或局部過熱引起的短路、設(shè)備燒毀等故障。

7）輔助系統(tǒng)監(jiān)測，對水電廠的輔助系統(tǒng)包括各種泵、氣機、閥門、管道等進(jìn)行監(jiān)測，了解這些設(shè)備的運行健康狀態(tài)，防止因為輔助設(shè)備的故障導(dǎo)致機組的“”非計劃停運”。

8）主變、GIS、套管的絕緣監(jiān)測等，監(jiān)測主變的、GIS絕緣狀況，高壓套管的介質(zhì)損耗，防止高壓設(shè)備絕緣擊穿與短路事故發(fā)生。其中主變的油中氣體分析技術(shù)，GIS局部放電超高頻監(jiān)測技術(shù)較為成熟，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。水電廠電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容二、水輪發(fā)電機組定子絕緣監(jiān)測據(jù)日本和歐洲統(tǒng)計資料，發(fā)電機的故障15%-25%與定子絕緣有關(guān)。因此，定子絕緣監(jiān)測是發(fā)電機在線監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。水輪發(fā)電機在運行過程中，定子絕緣劣化的最重要標(biāo)志是局放放電，定子絕緣劣化越嚴(yán)重，其在高電壓的作用下，產(chǎn)生的局部放電活動越劇烈。在通常情況下，質(zhì)量良好的定子繞組在良好的工作條件下僅有少量的局部放電發(fā)生。然而，由于繞組振動和工作在高溫環(huán)境下、或者由于油污、潮濕和化學(xué)物質(zhì)的作用，隨著定子繞組絕緣的不斷惡化，局部放電將呈十倍或十倍以上的速率增長。發(fā)電機定子絕緣監(jiān)測重要性發(fā)電機定子絕緣結(jié)構(gòu)定子繞組嵌在定子鐵芯疊成的槽中，其絕緣包括主絕緣（繞組對定子鐵芯），匝間絕緣，排間絕緣。定子繞組端部裸露部分涂有半導(dǎo)體防暈層，定子繞組絕緣主要材料為環(huán)氧云母。對水輪發(fā)電機定子絕緣在線監(jiān)測主要通過測量定子絕緣的局部放電來實現(xiàn)，局部放電是發(fā)生在同步電機高壓定子繞組絕緣中的小電火花，是由于定子絕緣中的氣隙被瞬時擊穿引起的放電現(xiàn)象，局部放電具有放電時間短，放電頻段高且脈沖頻譜豐富的特征，并且局部放電釋放的能量多，對絕緣的損害大，局部放電現(xiàn)象加劇定子絕緣劣化程度。

定子絕緣局部放電脈沖特征典型的局部放電脈沖由于水電廠現(xiàn)場情況復(fù)雜，空間存在著多種形式的電磁波，這些電磁波的存在將對局部放電的監(jiān)測造成干擾，降低局部放電監(jiān)測的可信度，因此，干擾抑制一直是局部放電在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)，可以說，有效解決現(xiàn)場各類干擾的剔除問題，成功提取局部放電脈沖，是國際科研組織與企業(yè)一直試圖解決的科技難題。局部放電在線監(jiān)測另外一個關(guān)鍵技術(shù)是如何通過放電脈沖的波形特征及脈沖在相位上的分布特征來實現(xiàn)絕緣故障類型的判別與具體故障形式、故障位置的確定。定子絕緣局部放電在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)目前，國際上主要采用脈沖電流法測量定子絕緣的局部放電，即通過設(shè)置傳感器直接測量局部放電電流。鑒于水輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用較為廣泛的方法局部放電監(jiān)測方法包括：

1）中性點耦合法；2）PDA法；3）多并聯(lián)支路耦合法。其中中性點耦合法包括寬帶耦合法與窄帶耦合法。發(fā)電機定子絕緣監(jiān)測方法中性點耦合法是在水輪發(fā)電機中性點附近安裝傳感器來實現(xiàn)局部放電的監(jiān)測，包括寬頻帶測量與窄帶測量。中性點耦合法窄帶測量是通過窄帶測量網(wǎng)絡(luò)組成，該網(wǎng)絡(luò)由電感、電容與電阻組成，整個網(wǎng)絡(luò)在電感與電容發(fā)生諧振時阻抗最小，其測量頻帶在諧振頻率附近。窄帶測量寬帶測量是采用寬頻帶電流傳感器（羅氏線圈）作為測量工具。測量時為提高靈敏度，一般要求在發(fā)電機中性點接地回路上并聯(lián)電容回路，電容值的大小在1nF~6nF之間。寬帶測量優(yōu)點：安裝位置電壓較低，安全性高，且一臺機組只安裝一個傳感器，故障點少，且投資費用少。能夠測量發(fā)電機內(nèi)部所有的局部放電。其他體現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部運行狀態(tài)的脈沖也能被監(jiān)測到，有利于發(fā)電機多方面的運行狀態(tài)的監(jiān)測。缺點：發(fā)電機局部放電主要發(fā)生在定子高壓段，離被測點距離遠(yuǎn)，因此靈敏度差，特別是窄帶測量系統(tǒng)。對信息處理與模式識別技術(shù)的要求高。不能實現(xiàn)定子絕緣故障的定位。中性點耦合法的優(yōu)缺點PDA監(jiān)測法是在發(fā)電機每相母線出口與主變?nèi)肟诟浇餮b一個電容值（80pF）很小的高壓電容傳感器來達(dá)到測量局部放電目的。由于噪聲抑制技術(shù)的要求，兩個傳感器間隔的距離長度與引入電纜的長度均需精確計算才能達(dá)到要求。

PDA監(jiān)測法多并聯(lián)支路耦合法是在發(fā)電機每相每個并聯(lián)支路均安裝一個高壓電容耦合器（80pF）。由于噪聲抑制的要求，每個傳感器安裝位置與引入電纜的長度均需精確計算才能達(dá)到要求。多并聯(lián)支路耦合法

PDA法及多并聯(lián)支路耦合法的優(yōu)缺點優(yōu)點：測量的靈敏度高?？垢蓴_能力強。能夠?qū)崿F(xiàn)局部放電的定位，其中PDA法能夠定位到局部放電發(fā)生在同步電機的哪一相，并聯(lián)支路耦合法甚至能定位局部放電發(fā)生在電機的哪個并聯(lián)支路。缺點：測量位置在發(fā)電機的高壓端，增加電機的故障點，存在安全隱患。安裝的傳感器多，價格昂貴。發(fā)電機定子絕緣局部放電的分析對水輪發(fā)電機定子絕緣局部放電的分析包括指放電標(biāo)分析法與放電譜圖分析法，以上兩種分析方法均建立發(fā)電脈沖統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，即至少對50個工頻周期的局部放電信號進(jìn)行統(tǒng)計。放電指標(biāo)分析法指標(biāo)分析法主要用來判斷定子絕緣是否發(fā)生故障，計算的局部放電指標(biāo)包括：最大放電量平均放電量發(fā)電次數(shù)標(biāo)稱放電量根據(jù)國際電工組織頒布的標(biāo)準(zhǔn)，其中最大放電量和標(biāo)稱放電量是放映定子絕緣劣化的最重要參數(shù)放電譜圖指標(biāo)分析法放電譜圖分析法主要用于確定局部放電的放電類型，并對具體的絕緣故障進(jìn)行定位。計算的局部放電譜圖包括：

最大放電量-相位譜圖放電次數(shù)-相位譜圖平均放電量-相位譜圖放電量-相位-放電次數(shù)三維譜圖其中三維放電譜圖能全面的了解50個工頻周期的局部放電脈沖的幅值及相位分布情況，通過對三維放電譜圖的識別，能基本實現(xiàn)定子絕緣故障的確定。放電譜圖分析法定子絕緣放電的類型

在水輪發(fā)電機中，局部放電可能在銅棒和電機接地的鐵芯磁鋼之間的任何氣隙中產(chǎn)生。這些氣隙包括：銅棒和絕緣體之間的氣隙、絕緣材料內(nèi)部的氣隙、絕緣體與接地鐵芯之間的氣隙。此外，在電機中，線棒的絕緣外層并非都與鐵芯連接，所以局部放電還會在繞組端部區(qū)域發(fā)生。對于這些區(qū)域來說，當(dāng)絕緣受潮或表面污染時，會發(fā)生表面放電或閃絡(luò)現(xiàn)象。定子絕緣放電的類型及譜圖特征

根據(jù)放電位置的差異，定子絕緣的放電類型包括：內(nèi)部放電：高壓電機定子繞組絕緣體在層間出現(xiàn)氣隙，在高壓的作用下形成的放電；端部放電：發(fā)電機定子繞組端部的連接處，是絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，盡管采取了一系列的措施（如防暈漆涂層和分級防暈層等），但在運行中由于振動和摩擦使防暈層損壞時，會引起端部表面放電。槽放電：槽部放電是指線圈主絕緣表面、線棒表面和槽壁之間的放電，槽放電的破壞性較大。電弧放電：定子線棒股線的疲勞斷裂。斷裂股線兩端由于振動時斷時續(xù)，形成火花放電，并且隨工頻電流過零而不斷熄滅、重燃，形成電弧放電。

定子絕緣放電的類型及譜圖特征

內(nèi)部放電：

正半波和負(fù)半波放電對稱定子絕緣放電的類型及譜圖特征

端部放電：正半波放電幅度比負(fù)半波小的多

定子絕緣放電的類型及譜圖特征

槽部放電：正半波放電幅度比負(fù)半波小，但放電次數(shù)卻多定子絕緣故障診斷實例

定子絕緣故障診斷實例三、主變局部放電監(jiān)測技術(shù)變壓器局部放電監(jiān)測的意義

美國變壓器維護(hù)協(xié)會編著的《變壓器維護(hù)指南》中說明：“數(shù)據(jù)證明，多數(shù)變壓器的損壞，都是絕緣系統(tǒng)損壞造成的，其比例達(dá)到損壞變壓器總數(shù)的85%”。《華東電網(wǎng)變壓器類設(shè)備專業(yè)會議資料匯編》指出，華東電網(wǎng)500kV電壓等級的變壓器，絕緣和線圈問題仍是主要問題。統(tǒng)計顯示，1982~2000年國內(nèi)共投運500kV變壓器618臺（單相513臺、三相105臺），共有41臺次發(fā)生事故，其中線圈和套管的絕緣故障占80%以上。目前，大型電力變壓器主要采用油-屏障絕緣結(jié)構(gòu)，在發(fā)生介質(zhì)擊穿之前往往表現(xiàn)為局部放電的逐步發(fā)展和增強，絕緣故障常常起源于局部放電造成的油/紙絕緣劣化。絕緣的劣化程度越高，局部放電活動越強烈，局部放電是絕緣發(fā)生劣化的重要征兆。

因此，變壓器局部放電的在線監(jiān)測對預(yù)防變壓器故障意義重大。

油侵式變壓器絕緣結(jié)構(gòu)油侵式變壓器放電類型及部位變壓器局部放電特征

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)局部放電時，將伴隨以下現(xiàn)象的產(chǎn)生，這些可以作為局部放電監(jiān)測的重要依據(jù)。

1）產(chǎn)生放電電流，并沿聯(lián)接線傳播；

2）產(chǎn)生電磁波，在變壓器箱體內(nèi)部折、反射傳播；

3）產(chǎn)生超生波，在變壓器箱體內(nèi)傳播，并能衍射到變壓器箱體外部。

4）向外輻射光信號。

5）產(chǎn)生強的放電能量，導(dǎo)致絕緣油分解而形成不同的氣體。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

脈沖電流法檢測到的不同情況下的放電脈沖變壓器局部放電監(jiān)測方法

1、脈沖電流

脈沖電流法在通過監(jiān)測放電電流實現(xiàn)局部放電的測量。一般安裝電流傳感器用來檢測變壓器套管末屏接地線、箱體接地線、中性點接地線、鐵芯接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流，獲得視在放電量。脈沖電流法是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種檢測方法。為了抑制噪聲，提高局部放電監(jiān)測的準(zhǔn)確度，脈沖電流法一般采用極性鑒別法抑制噪聲。

極性鑒別法要求在每相高壓套管和高壓套管末屏接地線上均套接電流傳感器，一臺變壓器需要6個傳感器變壓器局部放電監(jiān)測方法

2、超聲波法超聲波法是通過檢測變壓器局放產(chǎn)生的超聲波信號來測量局放的大小和位置。其傳感器一般掛在油箱外壁，超聲傳感器的頻帶約為70~150kHz（或300kHz），以避開鐵芯的鐵磁噪聲和變壓器的機械振動噪聲。一般采用3~4個超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)局放源定位，因而人們對超聲波法的研究較為深入。

超聲檢測靈敏度低，主要用于定性地判斷局放信號的有無，以及利用超聲信號對局放源進(jìn)行物理定位。在電力變壓器的離線和在線檢測中，它一般作為脈沖電流法的輔助測量手段。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

3、光測法光測法利用局放產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行檢測。光測法需要被檢測物質(zhì)對光是透明的，而變壓器的箱體不滿足要求，因此，光測法要求將傳感器深入到變壓器箱體內(nèi)部，這對變壓器運行造成很大的安全隱患，因而光測法在無法應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的局放檢測。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

4、油中溶解氣體監(jiān)測法油中溶解氣體分析（DGA，DissolvedGasAnalysis）法是通過檢測變壓器油分解產(chǎn)生氣體的組份和濃度來確定故障狀態(tài)（放電、過熱等）。目前該方法已廣泛應(yīng)用于變壓器在線監(jiān)測，并建立起模式識別系統(tǒng)可實現(xiàn)故障的自動識別，是當(dāng)前變壓器局放檢測領(lǐng)域比較有效的方法之一。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

4、油中溶解氣體監(jiān)測法油中溶解氣體監(jiān)測法中的最重要設(shè)備是“油氣分離膜”，該膜起到“阻止油分子、導(dǎo)通氣體分子”的作用。變壓器油在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置微型油泵的作用由油氣分離器油進(jìn)口進(jìn)入油室，經(jīng)油氣分離器油出口與變壓器本體油形成變壓器油的內(nèi)部閉路循環(huán)。數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行日常周期檢測時，內(nèi)置微型油泵開始啟動，實現(xiàn)檢測周期內(nèi)的變壓器油循環(huán)，確保日常檢測油樣的活性并完成系統(tǒng)色譜檢測的油氣分離過程。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

4、油中溶解氣體監(jiān)測法油中溶解氣體監(jiān)測法可通過檢測氣體的含量，各種氣體的比例及其比值，某些組合氣體的總濃度等來識別具體的絕緣故障或過熱故障。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

5、超高頻監(jiān)測法變壓器中每一次局部放電都發(fā)生正負(fù)電荷中和，伴隨有一個陡峭的電流脈沖，并向周圍輻射電磁波。局部放電所輻射的電磁波的頻譜特性與局放源的幾何形狀以及放電間隙的絕緣強度有關(guān)

。超高頻監(jiān)測法即通過監(jiān)測電磁波來最終測量局部放電。

變壓器局部放電監(jiān)測方法

5、超高頻監(jiān)測法

超高頻局部放電監(jiān)測采用雙臂平面阿基米德天線作為傳感器，監(jiān)測頻率很高，在500MHz-1500MHz（通過設(shè)計天線尺寸與臂長實現(xiàn)），能避開電力系統(tǒng)的絕大多數(shù)干擾（干擾頻率一般在200MHz以下）。由于超高頻監(jiān)測法監(jiān)測頻率較高，因此，在現(xiàn)場應(yīng)用時，首先應(yīng)對監(jiān)測信號進(jìn)行降頻處理。變壓器局部放電監(jiān)測方法超高頻監(jiān)測法測量到的各種情況下主變局部放電產(chǎn)生的電磁波信號波形。高頻電磁波經(jīng)硬件降頻處理后的波形。變壓器局部放電監(jiān)測方法變壓器局部放電監(jiān)測過程中，信號的分析方法、故障診斷與定位方法與發(fā)電機定子絕緣監(jiān)測基本一致。超高頻監(jiān)測法的診斷實例

通過對放電自動識別獲得結(jié)論是：油中存在金屬懸浮體。停機檢查后獲得的結(jié)論與自動監(jiān)測獲得的結(jié)論完全一致。四、水電機組振擺在線監(jiān)測水輪發(fā)電機振擺監(jiān)測意義對于旋轉(zhuǎn)機械來說，最常見的故障形式就是旋轉(zhuǎn)軸系在運動過程中產(chǎn)生的振動故障，例如水輪發(fā)電機組最常見、最主要的故障就是振動故障，據(jù)華中電網(wǎng)50臺4.5MW以上水輪發(fā)電機組六年運行資料的統(tǒng)計，大約有80%的故障或事故都在振動信息上有所反映。俄羅斯薩揚水電站的毀滅性事故起因極可能是其機組長期在振動超標(biāo)的狀態(tài)下運行。因此，對水輪發(fā)電機的振擺監(jiān)測意義重大，有利于提前發(fā)現(xiàn)水電機組的多種故障，預(yù)防重大事故的發(fā)生。

水輪發(fā)電機組振擺特征水輪發(fā)電機組的振動故障具有如下特點：1.漸變性水輪發(fā)電機組與其他旋轉(zhuǎn)機械相比轉(zhuǎn)速明顯較低，一般在50~200rpm之間，甚至更低，因此其故障的發(fā)展多是漸變的，有磨損和疲勞特征，突發(fā)惡性事故較少，即有一個從量變到質(zhì)變的過程，這種特征對實施振擺在線監(jiān)測非常有利。水輪發(fā)電機振擺特征

2.復(fù)雜多樣性主要表現(xiàn)在：（1）水輪發(fā)電機組是一個涉及機械、電磁和水力的復(fù)雜系統(tǒng)。機組振動可能是機械、電磁、水力三者中的一種因素引起的單一振動，也可能是幾種因素共同作用的耦合振動。例如水流不平衡流動會引起機組轉(zhuǎn)動部分振動，而轉(zhuǎn)動部分的振動又會引起轉(zhuǎn)子與定子間氣隙不對稱變化，這個不對稱變化將引起不平衡磁拉力，反過來加劇或減弱轉(zhuǎn)動部分的振動（2）機組的振動一般是幾種振源同時存在。（3）在機組沒有發(fā)生故障時，機組也是有振動的，當(dāng)振動超出允許值時，如何區(qū)分機組的振動中哪一部分是不可避免的振動，哪一部分是故障引起的振動，也有很大的困難。（4）水輪發(fā)電機組振動的故障特征往往有多方面的反映，不同的故障其特征存在著顯著的交叉，故障和特征之間并不是一一對應(yīng)的關(guān)系，而且一種故障在特征上有多方面的反映。同時，某一部位的超常振動可能是幾種故障的疊加，而某一故障引起的振動也會在幾個部位不同程度的反映出來。水輪發(fā)電機振擺特征3.不規(guī)則性由于每個水電站的設(shè)計、施工受地理位置、地質(zhì)狀況和經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面的影響，每個水電站都是專門設(shè)計的。因此水電機組運行時還會受到電網(wǎng)、水文、氣候和現(xiàn)場安裝等諸多因素的影響，有些影響是不可預(yù)知的。這就使得不同電站，甚至同一電站的不同機組的故障情況很不一樣，特殊案例比比皆是。

水輪發(fā)電機振擺原因

水電機組振動按照引起振動的原因分為以下三個部分

1.水力因素水輪發(fā)電機組的原動力是水流的沖擊，水流由于與管壁的沖擊，水壓、流速和流向的改變等，都會產(chǎn)生振動，從而引起機組的振動。水力因素引起的振動主要包括：（a）尾水管內(nèi)低頻渦帶引起的振動；（b）尾水管接近轉(zhuǎn)頻的脈動；（c）水輪機水封間隙不等產(chǎn)生的水力不平衡力；（d）蝸殼中的不均勻流場、導(dǎo)葉后的不均勻流場；（e）壓力管道中水力振動等。水輪發(fā)電機振擺原因水力因素引起的振動的顯著特征是：主要在機組帶較小負(fù)荷等不穩(wěn)定工況區(qū)時影響較大，當(dāng)機組進(jìn)入最優(yōu)工況區(qū)且過機流量較大后，由水力因素引起的振動將會逐漸變小。水輪發(fā)電機振擺原因

2機械因素引起的振動水輪發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)部件和支承結(jié)構(gòu)都是按軸對稱布置，以保證機組旋轉(zhuǎn)過程中能夠保持穩(wěn)定性。如果由于某種原因偏離這種對稱時，機組運行就會變成不穩(wěn)定，而產(chǎn)生各種形式的振動。機械缺陷或故障引起的振動有共同的特點，其振動頻率多為轉(zhuǎn)頻或轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)，不平衡力一般為徑向或水平方向。機械不平衡現(xiàn)象是較普遍存在的，尤其高水頭和高轉(zhuǎn)速機組的不平衡問題更顯得突出，是機組的主要振源。

水輪發(fā)電機振擺原因

將引起振動的機械因素包括：

a.大軸不直

b.發(fā)電機轉(zhuǎn)子和水輪機轉(zhuǎn)輪質(zhì)量不平衡

c.機組轉(zhuǎn)動部分和固定部分的摩擦

d.導(dǎo)軸承瓦間隙大

e.推力瓦不平或者推力頭松動

水輪發(fā)電機振擺原因

3電磁力引起的振動由于發(fā)電機某些故障或者設(shè)計方面的固有原因，使同步電機轉(zhuǎn)子與定子之間的存在周期性的電磁力，將引發(fā)同步電機出現(xiàn)周期性的振動。電磁力引起的振動包括極頻振動和轉(zhuǎn)頻振動,其中轉(zhuǎn)頻振動的振頻是機組轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍，極頻振動振動頻率為100Hz或其整數(shù)倍。

水輪發(fā)電機振擺原因轉(zhuǎn)頻振動大直徑水輪發(fā)電機組的主要振源之一，是由于定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外緣之間氣隙不均勻，在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生不均衡磁拉力，從而對轉(zhuǎn)子和定子形成轉(zhuǎn)頻激擾力。定子和轉(zhuǎn)子間隙不均勻的原因有：轉(zhuǎn)子外緣不圓，如有的磁極突出；（a）定子內(nèi)腔不圓，如某一塊向內(nèi)突出；（b）定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外緣均為圓形，但轉(zhuǎn)子和定子不同心；（c）轉(zhuǎn)子動、靜不平衡；（d）轉(zhuǎn)子各磁極電氣參數(shù)相差較大或局部頸間短路等。（e）定子和轉(zhuǎn)子間的間隙不等往往是由上述原因綜合作用產(chǎn)生的，但有主有次，常以其中一種或兩種原因為主。水輪發(fā)電機振擺原因2.極頻振動產(chǎn)生極頻振動的主要原因有：（a）定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢（b）定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢（c）負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢（d）定子不圓、機座合縫不好（e）機組定子鐵芯組合縫松動或定子鐵芯松動。水輪發(fā)電機振擺特征振擺原因頻率振幅質(zhì)量不平衡轉(zhuǎn)頻隨轉(zhuǎn)速變化，與轉(zhuǎn)速的平方成正比軸線不對中轉(zhuǎn)頻的1、2、3倍頻成分較大隨負(fù)荷變化明顯軸承間隙過大低頻高頻都有隨負(fù)荷變化明顯定子繞組固定不良50Hz和100Hz振動隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化而變化定、轉(zhuǎn)子氣隙不均轉(zhuǎn)頻隨負(fù)荷增加而增大水力不平衡轉(zhuǎn)頻乘以活動導(dǎo)葉數(shù)或輪葉數(shù)隨流量變化明顯，與水頭關(guān)系密切；卡門渦列低頻振動隨流量增大而明顯增大水輪機迷宮間隙不均勻轉(zhuǎn)頻隨機組負(fù)荷和流量增大而明顯增大水輪發(fā)電機振擺故障識別方法1.試驗識別法1.1變轉(zhuǎn)速試驗分別使機組在60%-100%額定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，測量機組典型部位的振幅和頻率。在此過程中若振幅一直很大，改變轉(zhuǎn)速對其影響很小，且振動頻率和轉(zhuǎn)速頻率基本一致，則振動原因大致是軸線曲折、軸承間隙未調(diào)整好、導(dǎo)軸承不同心、主軸和固定部件有碰磨等原因引起。如果振幅隨轉(zhuǎn)速平方的增大而增大，且振動頻率與轉(zhuǎn)速頻率一致，則振動是由轉(zhuǎn)動部件不平衡引起的。1.2.變勵磁試驗機組在額定轉(zhuǎn)速下，給轉(zhuǎn)子加上勵磁電流，改變勵磁電流，觀察各典型部位振幅的變化。若振幅隨勵磁電流的增大而增大，則磁拉力不平衡可能是振動的主要原因。1.3.變負(fù)荷試驗檢測在不同負(fù)荷情況下的振幅變化情況，如果振幅隨負(fù)荷的增大而顯著增大，則水力不平衡是引起機組振動的主要原因。

水輪發(fā)電機振擺故障識別方法

2、振因識別法

不同振源引起的振動，其振動特征是有差別的，最基本的特征是振動頻率的不同，由振動頻率的不同可以做出以下判斷：a.若振動頻率與機組轉(zhuǎn)頻一致，則可能是機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡、軸線不對中、軸承與軸不同心、導(dǎo)軸承間隙大、水封間隙不等、法蘭密封偏磨、轉(zhuǎn)輪葉片形線不好、定子橢圓度大、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路這些原因引起的振動。b.若振動頻率是發(fā)電機電流頻率的兩倍，則可能是定子鐵芯組合縫松動、發(fā)電機負(fù)序電流引起的振動。c.若振動頻率為轉(zhuǎn)速頻率乘以發(fā)電機磁極對數(shù)，則多半是由發(fā)電機氣隙不均勻所引起的機組振動。d.若振動頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率乘以活動導(dǎo)葉數(shù)或轉(zhuǎn)動頻率乘以轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，則振動分別是因?qū)~開口不均勻或轉(zhuǎn)輪開口不均勻所致。

水輪發(fā)電機振擺故障識別方法

3、軸心軌跡識別法機組轉(zhuǎn)動部分的軸心隨時間變化而運動的軌跡，就是軸心軌跡，在不同工況和不同故障下，機組各部位的軸心軌跡是不同的，由機組的軸心軌跡可以做出以下判斷：a.如果軸心軌跡為圓形或橢圓形，則可能是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、軸承或支座松動等原因引起的振動。b.如果軸心軌跡為香蕉形或外8字形，則振動原因可能是定、轉(zhuǎn)子碰磨、大軸對中不良、軸承間隙過大等。c.如果軸心軌跡為內(nèi)8字形，則振動可能是由于油膜渦動引起。d.如果軸心軌跡為花瓣形，則可能是由于油膜振蕩、定轉(zhuǎn)子碰磨、尾水管渦帶等原因引起的振動。不均勻或轉(zhuǎn)輪開口不均勻所致。

水輪發(fā)電機振擺故障識別方法

4、由振動部位識別振動原因機組不同部位的振動，原因是不同的，因此可以從振動部位的不同來判斷機組的振動原因，具體方法如下：a.若在水導(dǎo)軸承處的振動比其它部位較為明顯，則可能是蝸殼、導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪中的水力不平衡所引起的機組振動。b.若上機架處振動較為明顯，則振動原因多半來自于上導(dǎo)軸承缺陷（間隙擺度調(diào)整不適合）或機組軸線有曲折、機組中心發(fā)生變化或發(fā)電機零部件有缺陷或故障。

水輪發(fā)電機振擺監(jiān)測系統(tǒng)測點布置

軸流轉(zhuǎn)槳式機組的測量布置

故障診斷實例

機組更換水輪機葉片前后上機架振幅差距大，且主要表現(xiàn)在機組轉(zhuǎn)頻附近。顯然是由水力因素引起的振動。

故障診斷實例

五、發(fā)電廠輔助泵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測泵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的意義水電廠油、水、氣系統(tǒng)設(shè)備由于其“輔助”性質(zhì)，往往不被重視，或者說重視程度遠(yuǎn)不如主設(shè)備，然而，由于設(shè)計重視程度和國產(chǎn)設(shè)備的工藝質(zhì)量，以及運行環(huán)境等種種因素影響，使機組輔助設(shè)備對發(fā)供電可靠性的影響更顯突出。輔助設(shè)備的運行可靠性及自動控制操作成敗，不僅直接關(guān)系到主設(shè)備運行可靠性和自動開停機成功與否，而且也直接關(guān)系到運行機制的變化，還有可能直接導(dǎo)致機組的非計劃停運，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。泵工作的基本原理

泵處于一個閉環(huán)反饋回路中，泵啟停存在一定的規(guī)律性，監(jiān)測泵啟動時間、停止間隔時間，能在一定程度上反映泵及相關(guān)控制回路、周圍環(huán)境等的運行狀態(tài)。

泵的監(jiān)測方法

水電廠泵設(shè)備的在線監(jiān)測包括直接監(jiān)測法和間接監(jiān)測法。

1）直接監(jiān)測法指直接安裝專用的傳感器檢測泵設(shè)備的電流、電壓、磁場、溫度，振動信號等，并對以上信號進(jìn)行分析，提取水電廠輔助泵設(shè)備故障的征兆，以此反映水電廠泵設(shè)備的健康情況，診斷其是否存在故障。

2）間接監(jiān)測法則在總結(jié)泵設(shè)備異常啟停與對應(yīng)故障的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測泵啟、停的規(guī)律，并有機融合關(guān)聯(lián)信息量，來綜合反映泵設(shè)備本體、運行環(huán)境及相關(guān)因素、控制回路等的健康狀態(tài)。

泵的監(jiān)測方法比較

名稱優(yōu)點缺點直接監(jiān)測法1.比較直觀，監(jiān)測結(jié)果的可信度大；2.能自動實現(xiàn)泵故障原因的準(zhǔn)確定位。1.要求安裝較多的專用傳感器，成本高；2.電場、磁場、溫度、振動等的綜合分析要求復(fù)雜的計算方法，軟件成本及技術(shù)含量高。間接監(jiān)測法1.分析算法及方法均較為簡單；2.不需要安裝額外的檢測傳感器設(shè)備，硬件成本非常低；3.采用相關(guān)信息的集成分析策略，能夠反映輔助系統(tǒng)的多方面故障狀態(tài)。1.要求對泵的啟停規(guī)律進(jìn)行長期總結(jié)，要求建立完備的專家診斷知識庫；2.對泵設(shè)備的診斷要求集成分析多個相關(guān)信息；3.無法實現(xiàn)泵本體故障定位，故障定位需人工干預(yù)實現(xiàn)。因此，對于水電廠的輔助泵設(shè)備，為節(jié)約工程成本，可采用間接監(jiān)測法。泵的在線監(jiān)測與分析模型

泵的在線監(jiān)測與分析模型1）以人工離線分析為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場專家經(jīng)驗、試驗結(jié)果、典型案例，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析與總結(jié)，以此為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的專家知識庫系統(tǒng)，包括特征提取策略，診斷閾值系統(tǒng)，異常事件與故障對應(yīng)庫，關(guān)聯(lián)信息集成分析策略，多維向量的協(xié)同式智能推理與診斷機制等。2)提取特征參數(shù)，依據(jù)已建立專家診斷知識庫系統(tǒng)，對故障進(jìn)行診斷并實現(xiàn)定位。3）在實時分析過程中總結(jié)與發(fā)現(xiàn)問題，不斷完善專家診斷知識庫內(nèi)容，因為專家診斷知識庫的完備性，是決定泵設(shè)備故障診斷能否實現(xiàn)的基礎(chǔ)。因此，當(dāng)自動分析過程中未能得出診斷結(jié)論時，則請求人工離線干預(yù)分析，借助專家的經(jīng)驗及理論知識，獲得人工分析結(jié)論，以補充專家診斷知識庫，使其日趨完備。

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)1、監(jiān)測量及特征提取泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)2、閾值系統(tǒng)的建立閾值系統(tǒng)的建立實質(zhì)是確定某個數(shù)值，泵啟動或停止超過這個數(shù)值，即定義為泵的異常啟動狀態(tài)。主要通過以下幾個方面獲取閾值系統(tǒng)：1）與相應(yīng)專家的廣泛交流，并對專家傳授知識的積累與總結(jié)；2）對電廠海量歷史數(shù)據(jù)的分析與總結(jié)；3）對各類試驗結(jié)果的分析、總結(jié)與提煉；4）對水電廠現(xiàn)場出現(xiàn)的典型案例進(jìn)行分析與總結(jié)。泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)異常名稱診斷閾值異常名稱診斷閾值1#機組油泵停運時間過長1440秒1#機組油泵停運時間過短120秒1#機組油泵啟動時間過長33秒1#機組油泵啟動時間過短20秒2#機組油泵停運時間過長960秒2#機組油泵停運時間過短110秒2#機組油泵啟動時間過長30秒2#機組油泵啟動時間過短21秒3#機組油泵停運時間過長2400秒3#機組油泵停運時間過短125秒3#機組油泵啟動時間過長29秒3#機組油泵啟動時間過短22秒泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)3、泵異常啟動與故障對應(yīng)關(guān)系

異常名稱異常定義及可能原因高壓氣機停運時間過長高壓氣機不能自動啟動控制回路故障等啟泵壓力開關(guān)定值漂移等。高壓氣機停運時間短1、壓油槽補氣閥開啟補氣；2、高壓氣系統(tǒng)漏氣；3、啟機壓力開關(guān)定值漂移等。高壓氣機運行時間過長1、壓油槽補氣閥開啟；2、高壓氣機效率降低；3、高壓氣系統(tǒng)漏氣；3、停機壓力開關(guān)定值漂移等。高壓氣機運行時間過短1、停機壓力開關(guān)定值漂移；2、氣機故障退出；3、控制回路出現(xiàn)故障等。多高壓氣機同時運行多臺機組壓油槽補氣；氣管路破裂，大量漏氣；主機效率明顯降低等。泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)4、關(guān)聯(lián)信息的選取和計算僅對泵設(shè)備的啟停時間分析不足以準(zhǔn)確地定位泵設(shè)備及相應(yīng)設(shè)備的具體故障形式，應(yīng)結(jié)合關(guān)聯(lián)信息的監(jiān)測才能實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位。壓油泵啟動頻繁可能是由：1）油系統(tǒng)漏油；2）壓油槽及補氣閥門漏氣；3）機組調(diào)節(jié)頻繁，正常耗油量大等。僅根據(jù)油泵停運時間短，不足以體現(xiàn)其具體故障，因此，必須結(jié)合對關(guān)聯(lián)信息的判斷與評價。

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)4、關(guān)聯(lián)信息的選取和計算選取接力器總位移大小來體現(xiàn)機組正常用油量

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)4、關(guān)聯(lián)信息的選取和計算選取壓油槽高壓氣體體積作為判斷的是否漏氣的依據(jù)。

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)4、關(guān)聯(lián)信息的選取和計算

再以水電廠高壓氣泵的異常啟停為例，當(dāng)高壓氣泵停泵時間過短時，高壓儲氣罐的壓力下降速度較快，顯然有多方面原因?qū)е略摤F(xiàn)象出現(xiàn)，其中最重要的兩個原因是：（a）高壓儲氣罐漏氣；（b）壓油槽補氣閥門開啟，高壓氣罐向壓油槽補氣。（c）高壓氣機啟動的壓力定值漂移增大。顯然，不結(jié)合其他關(guān)聯(lián)監(jiān)測量，在診斷出高壓氣機停運時間過短時，無法準(zhǔn)確定位高壓氣機出現(xiàn)停泵時間過短的具體原因，必須結(jié)合壓油槽補氣閥的動作情況才能實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位。

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)4、關(guān)聯(lián)信息的選取和計算

在自動分析泵的故障時，可計算的關(guān)聯(lián)信息量包括：1）模擬量實時值的大小，即在泵啟動或停止時刻關(guān)聯(lián)模擬量的幅值大小。2）模擬量變化總幅值，在泵啟動或停止過程模擬量變化的總幅度大小。3）模擬量變化次數(shù)，在泵啟動或停止過程模擬量幅值變化的次數(shù)。4）數(shù)字量變化次數(shù)，在泵啟動或停止過程數(shù)字量變化的總次數(shù)。5）啟泵停泵時模擬量變化趨向量M，在泵設(shè)備相鄰兩次停泵或啟泵時刻，關(guān)聯(lián)模擬量幅值比較情況，模擬量增加則置M值為正，且M大小為變化的幅度，否則則置M值為負(fù)，且M值的大小為變化幅度。6）模擬量變化速度，在泵設(shè)備上次動作到當(dāng)前時間模擬量的變化速度，主要指相應(yīng)受控模擬量的變化速度，包括相關(guān)壓力、油位、水位的變化速度。

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)5、推理與診斷機制以調(diào)速油系統(tǒng)壓油槽異常啟/停為例，壓油泵停止時間過短（油泵啟動頻繁）的推理與診斷流程

泵的在線監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)5、推理與診斷機制以高壓氣機停運時間過短事件為例，其的推理與診斷步驟如下所示：1）判斷高壓氣機停運時間是否小于某閾值，若滿足，轉(zhuǎn)入步驟2），否則結(jié)束。2）自動判斷高壓氣機啟動時高壓氣罐氣壓值P是否處于某區(qū)間內(nèi)，若不滿足，給出啟機壓力定值漂移故障，否則轉(zhuǎn)入步驟3）。3）檢查在氣機停運時間內(nèi)，是否向壓油槽補氣，若有給出事件原因：壓油槽補氣閥開啟補氣；否則轉(zhuǎn)入步驟4）。4）定義為未知原因，自動請求人工干預(yù)分析，通過專家的現(xiàn)場經(jīng)驗，獲得有效的診斷結(jié)論。

水電廠泵的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)水電廠泵的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)水電廠泵的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)水電廠泵的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)水電廠泵的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)水電廠泵的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)六、狀態(tài)監(jiān)測中的趨勢分析方法趨勢分析的定義趨勢分析是指以時間為變量，待分析的量為因變量，對因變量隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計的一種方法，是人類發(fā)掘事物本質(zhì)的最常用的方法之一。在發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測過程中，故障的發(fā)展一般是漸變的，是一個從量變到質(zhì)變的過程，而不是突發(fā)性的過程。緩慢性故障的這一特性使得趨勢分析法是設(shè)備故障診斷的最重要手段。