浅析尼尔基发电厂机组状态监测系统

寇立国，吴希华，姚 远

（1.松辽水利委员会水文局，吉林 长春130021；2.松辽水利委员，吉林 长春130021；3.嫩江尼尔基水利水电有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 116000）

1 枢纽概述

尼尔基水利枢纽具有防洪、工农业供水、发电、航运、环境保护、鱼苇养殖等综合效益，是嫩江流域水资源开发利用、防治水旱灾害的控制性工程，也是实现“北水南调”的重要水源工程。尼尔基水利枢纽水库总库容86.11亿m3。尼尔基发电厂采用河床式电站厂房，厂内装有4台水轮发电机组，单机容量62.5MW，总装机容量250MW；发电厂水轮发电机组由哈尔滨电机厂生产，水轮机为轴流转桨式，立轴布置。发电机为立轴半伞式密闭自循环空气冷却三相凸极同步发电机。额定容量62.5MW，额定电压13.8kV，额定电流2988A，额定转速107.1r/min，额定频率50Hz。

2 机组状态监测系统构成

尼尔基发电厂采用的是目前国内较为先进的TN8000系统，是由北京华科同安公司自主研发。该系统充分利用目前国内最先进的技术建立系统平台，通过对水轮机组的运行稳定性在线监测，同时联合计算机监控系统的监测信息，针对尼尔基发电厂现场机组实际运行参数建立功能完备的监测分析诊断系统，提供报警、预警、状态分析、性能评价、故障诊断等一系列工具和手段，并可以方便地形成机组稳定性性能曲线、水力参数性能曲线、过渡过程性能曲线，为用户了解机组的运行性能，及时发现缺陷和故障，状态检修提供系统的、直接的技术数据和报告。为机组的安全运行、优化调度和检修指导提供有力的技术支持。系统由传感器、数据采集站、上位机设备等组成。

按照现场测点分布情况，该系统可分为空气间隙状态监测系统、局部放电监测系统、振动摆度监测系统、压力脉动监测系统。

2.1 空气间隙状态监测系统

该系统由安装在发电机定子内壁的4个LS121空气间隙传感器（分别位于±X、±Y方向）和ILS731信号调理器组成，用于实时监测最小气隙、最大气隙、平均气隙及其发生的准确角度和磁极号，给出转子中心和定子中心的偏移量，并模拟磁极周向形貌，真实地描述发电机结构情况，以及在机械和电气影响下的运动情况。通过气隙变化趋势以及定子热变形和磁极结构的蠕变等数据分析，可以及时发现和鉴别异常情况，并根据监测结果分析定子圆度蠕变、磁拉力不平衡、定子合缝与定子铁心松动等故障。

传感器安装在定子的内壁上，周向均匀分布，信号调理器输出信号供TN8000数据采集箱，由TN8000系统实现数据的采集、处理、分析和故障诊断。

2.2 局部放电监测系统

局部放电是发生在高压定子绕组绝缘中的小电火花。通常情况下，质量良好的定子绕组在良好的工作条件下仅有少量的局部放电发生。然而，由于绕组振动和工作在高温环境下、或者由于油污、潮湿和化学物质的作用，随着定子绕组绝缘的不断恶化，局部放电将呈10倍或10倍以上的速率增长。因此，在线局放监测系统可以发现绕组绝缘故障的主要根源。采用在发电机正常运行的情况下进行局部放电监测，通常会给出提前两年或两年以上的故障风险预报。

根据尼尔基电厂实际情况，采用PAD监测法进行监测。该方法由加拿大Ontaio Hydro公司于20世纪70年代首先提出，主要用于在线监测水轮发电机组内部的局部放电。主要利用绕组内放电信号和外部噪声信号在绕组中传播时具有不同特点来抑制噪声，提取放电信号。该监测法在国外水轮发电机组的在线监测中已被大量采用。尼尔基电厂成为国内少数采用该监测法的电厂之一。

尼尔基发电厂每台机组配置6个传感器，采用IRIS公司PDA电容耦合器，该耦合器可以探测定子线圈的局部放电信号,并能将无用的噪音滤掉。耦合器通常与定子线棒的环状汇流排跨接线相连。

2.3 振动摆度监测系统

振动是水轮发电机组较为常见的问题，在机组各部位均易发生，各种类型的水轮发电机组在运行中都存在着不同程度的振动。强烈的振动将影响电网的安全和稳定，因而振动成为评价机组运行状态的重要指标，振动摆度也是机组稳定性的直接信号和判断依据之一。

针对尼尔基发电厂实际情况，TN8000数据采集箱对机组的振动、摆度以及相关的过程量参数进行实时、并行、整周期采样，并进行相应的处理、计算和特征提取，在数据采集站液晶显示器、工程师站显示器以及网络所联的有关工作终端上以结构示意图、棒图、数据表格、曲线等形式实时动态以位移形式（mm或μm）显示所监测的数据和状态。

根据尼尔基发电厂机组的特性，每台水轮发电机组在不同的位置设置测点，并针对状态监测系统的需要，机组上还配置了一个键相传感器对所有信号进行同步。在导轴承部分的测点以及键相传感器均采用IN-081一体化涡流传感器，该传感器利用电涡流原理测量转子表面相对于传感器头部距离的变化，由探头、延伸电缆、前置器等三部分组成，特别适合于测量转轴的振动；上机架、下机架、顶盖部分的测点采用MLS-9振动传感器，其中水平向MLS-9H有6个，垂直向MLS-9V有4个。该传感器具有工作频率低、长期运行可靠、互换性好的特点。

2.4 压力脉动监测系统

压力脉动是水轮机最普遍的不稳定因素，是导致水电机组振动的主要原因之一，流场的压力脉动周期性地作用在流道壁面上和转轮上，引起结构和部件的振动。压力脉动过大时会引起水轮机和厂房结构振动、叶片裂纹和断裂、机组运行不稳定和轴承损坏，当压力为负压时，可能造成空化和空蚀，伴随较强烈的噪音。

压力脉动的测量采用压力变送器。当机组压力脉动出现异常时，压力脉动监测系统通过压力脉动的变化趋势、压力脉动的频谱特征和压力脉动随工况变化的特征，自动判断引起压力脉动异常的可能原因，并结合振动摆度监测系统对该原因进行深入分析。通过一定时间的数据积累，该系统自动统计各个工况下的压力脉动参数，逐步得到机组运行的压力脉动良好工况区域，明确危险或不良工况区，从而指导机组尽可能避开压力脉动危险工况区运行。

根据尼尔基发电厂实际情况，每台机组安装5台压力变送器，分别用于测量蜗壳进口压力脉动、尾水管进口压力脉动和活动导叶前后压力脉动。采用PR—21S/81400压力传感器。

3 结语

（1）该系统在尼尔基发电厂安全运行近3年，各项指标符合设计要求,提供数据真实、准确，为尼尔基发电厂机组正常运行提供了保障。

（2）尼尔基发电厂技术人员经过深入研究，根据现场实际在原系统的基础上加以改进，添加了辅助生产的机组各部温度巡检系统，该系统的应用为运行人员监视机组状态提供了更为直观的参考依据。