探究水轮水轮发电机组状态监测技术状况与展望

【摘要】纵观国内外水轮发电机组状态监测技术的发展现状，本文就主要从它的应用状况、监测的范畴、监测的方法、监测技术存在的问题进行了分析研究，并结合实际情况对这一技术的未来发展趋势做了大胆的推断和预测，旨在推进这一技术的发展和研究，以供参考。
【关键词】水轮发电机组，状态监测技术，现状，展望
前言
目前，从我国的水电站的工作方式来看，我们正处在没人值班，没人看守的运行管理状态，水轮发电机机组的运行检修方式也正从传统的、落后的计划维修阶段逐步转变成科学的、先进的状态检修阶段，而实现整个水轮发电机组状态检修是全球水电行业一直以来所追求的目标。而所谓的水电机组的状态检修就是指在机组局部或整体在运行的过程中，通过设备的物理现象对设备进行随机或定期的检测，从而判断设备的运行状态，来推断其局部或整体是否正常，以达到提前发现问题、故障的目的，从而合理的安全维修，保证设备的正常安全运行。
二．状态监测技术的应用现状
现在应用比较广泛的现代旋转机械设备状态监测与诊断技术，起先是在20世纪60年代由于军事工业和航天事业发展的需要而建立起来的，到了七八十年代逐渐完善并开始推广使用。到了九十年代，随着电子技术、信号处理、现代测试技术、计算机技术等相关科学技术的进步，各国研制出了一系列比较成熟、先进的状态运行监测系统。到目前为止，国内外发展比较成熟的状态监测系统主要有：水轮机效率在线监测技术，主变压器油气监测技术，机组振动稳定性在线监测技术，发电机气隙和磁场强度监测技术，，绝缘局放监测技术等等。水轮机的空化监测技术经过多年的研究和试验，也在慢慢走向成熟和实用。
三．状态监测的范畴
设备状态监测和诊断的关键是在线监测技术，包括信息采集、数据处理与分析、处理意见与决策。有效的在线监测可以随时掌握设备的技术状况和劣化规律，避免突发性事故和控制渐发故障的发生。故障分析的主要目的是为了使水轮发电机组诊断系统化、科学化，弥补在线监测判据的不足。故障诊断就是在在线监测的基础上，从监测数据的分析结果中提取故障的特征值，从而得到机组的运行状况，并判断机组是否会发生故障以及故障出现的原因和部位。
一个完

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整的状态监测系统应该包括以下子系统：1、空化气蚀状态监测子系统2、定子线棒振动监测子系统3、映机组运行状态的各种工况量监测子系统4、发电机定子绝缘状态监测子系统5、主变压器油色谱监测子系统6、水力能量参数状态监测子系统7、主变压器局部放电监测子系统8、发电机励磁系统监测子系统9、发电机空气间隙和磁场强度状态监测子系统10、机组运行稳定性监测子系统11、调速器运行状态监测子系统
但是，从目前的水轮发电机组状态监测的技术水平来看，世界上没有一个任何一个电站的状态监测系统能够将上面的监测内容全部建立，但是这是未来我们水轮发电机组的发展方向和追求目标。一个优秀的电站不仅应该努力完成以上的监测内容，还应该结合自身的能力，结合电站未来的发展方向，发展更多的监测点和监测内容，当然监测的数值不是监测的目的，通过具体的数值分析机组运行的状态、找到故障并解决，保证机组的正常运行，提高水电站的工作效率和经济效益才是我们最终追求的目标。，随着因特网技术的发展，状态监测系统采用了远程网络模式，其主要采用的访问方式有三层结构和远程访问两种，是目前典型的水轮发电机组状态监测系统的网络体系结构。见图一：
图一：典型水轮发电机组状态监测系统的网络体系结构
四．水轮发电机组的监测方法
水轮发电机局部放电在线监测的关键技术之一是如何取得故障信号，根据局放在线监测传感器的安装位置，在水轮发电机组中应用较多的有两种监测方法：

1、高压出线端电容耦合监测法

在早期，用于局部放电信号监测的电容传感器容量一般都在375～1 000 pF范围内，此电容传感器的等效电路下限截至频率在40 MHz左右，而干扰信号分量一般都远小于该频率，因此采用80 pF的电容传感器，信号的信噪比较高，可以避免误警现象。而且电容容量小，传感器的体积小，寿命高，安装容易，保证了被测系统的安全性。

2、中性点耦合监测法

其理论原理是：当发电机内任何部位产生局部放电时，都会产生频率很宽的电磁波，而发电机内任何地方产生的相应的射频电流会流过中性点接地线，因而局部放电传感器安装位置可以选择在中性点接地线上。发电机主绝缘上的局部放电可以看作是一个点信号源，由局部放电所引起的电磁扰动在空间内产生的电磁波，由于发电机不同槽间电磁耦合比较弱，所以可以用传输线理论来分析脉冲在绕组中的传播，即绕组中的放电脉冲以一定的速度沿绕组传播。根据这种理论，在发电机中性点处安装宽频电流互感器，就可以监测到局部放电高频放电波形，以监测发电机内部放电量及放电量变化。在实际应用中，由于噪声信号的影响，需要有经验的操作人员才能识别局放信号，因此，这种方法难以推广使用。
状态监测过程中应注意的问题
水轮发电机组状态检修的关键就在于它的状态监测技术。目前，虽然国内外已经有了大量的对设备状态监测和故障诊断的研究，并取得了相当多了研究成果，但是比较成功的实例还是没有出现，整个系统的状态监测技术仍然存在一些问题和不足，必须进一步研究找出相应的解决措施，促进整个系统的发展完善。

1、空化监测技术

空化监测技术的目的就在于及时的监测到破坏水轮发电机组运行的主要杀手，即空化，在实施空化监测技术的时候，由于技术的不成熟，使得空化直接影响到水轮发电机组的能量特性，降低整个机组的工作效率、使机组整体的工作能力下降。同时还在一定程度上缩短了机组的检修周期，增加了检修的工作量，加大了检修的工作难度，特别是在机组工作时有泥沙磨损的时候，它的破坏程度就更深，会引起机组的振动、增加水压脉动，破坏机组运行的稳定性。
因此对水电机组空化状态实施状态监测是十分有必要的。
水轮机效率监测技术
效率是判断机组运行情况的一个重要指标，从世界范围来看，目前效率监测的主要问题就在于对其效率的准确测量，虽然超声波监测技术已经较好的运用到了水轮发电机组流量的监测过程中，但是由于水轮发电机组的独特流条件，要想实现准确的流量监测还需要一定时间的发展，还需要技术的进一步提高。
整个发电机组振动稳定性监测技术
水轮发电机组状态监测技术中比较成熟的技术就是机组振动稳定性的监测了，特别是在摆度监测技术上，更是有着较高的监测水平。但是在这个监测领域，仍然存在着一些问题，由于我国的水轮发电机组的传感器一般采用低频振动速度传感器，它的安装使用比较方便快捷，也具有较好的低频响应特性，但是它在小负荷振动和过渡的过程中很难测量准确。而且整个传感器的安装缺少统一的标准，这为状态监测制造了不少的麻烦。下面介绍一下水轮发电机组振动稳定性在
线监测测点的配置情况，见表1：
六．水轮发电机组状态在线监测的展望
目前，我国的水轮发电机组状态的在线监测技术已经比前几年有了很大的发展进步，突出表现在对机组的状态预测及分析，设备的故障判断这两方面，可以说间接的为我国近几年水力发电事业的发展做了突出贡献。但是由于我国在这方面的研究起步晚，所以在整体的技术上仍然和国外这一技术的发展有一定的差距。鉴于水电设备结构运行的复杂性，状态监测行业内部生产厂家和产品的差异性，要想真正的走上国际化轨道，实现状态监测的实用性，未来的状态监测技术必定会制定一个统一的规范和标准，从而减少因为产品质量、功能、大小等各种问题导致的设备不安全状况，促进这一行业的正常有序发展，减少恶性竞争。同时，未来这一技术的发展，也必定会明确的制定各种故障诊断的技术要求和方法、内容，让更多的人了解这一技术，掌握这一技术，为水利发电事业的发展培养一批有战斗力、有执行力的后备军。
结束语
随着社会经济的发展，外来的技术会更进一步，积累的经验也会越来越多，水轮发电机组状态的监测技术也一定会向着实用化、自动化、智能化、科学化的趋势发展，真正的做到对机器设备的运行状态了如指掌，及时的了解设备的故障和运行的问题，并且这一技术会逐步从由少数人掌握的技术发展成为大多数人都了解的并运用的设备技术。
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