华科同安机组在线监测系统

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1、1 机组在线监测系统前言：据统计，发电机组50的故障来自轴承和振动问题，40来自定子绕组绝缘问题，10来自转子绕组问题。根据上面三个问题可分别应用三种不同的方法来检测及监视。1) 振动问题属于机械故障可以采用在线振动监测2) 绕组绝缘问题可以采用在线局放监测3) 转子绕组问题可以采用在线磁通监测1.2. 机组在线监测系统功能1) 采集水轮发电机组运行过程中产生的振动、摆度、压力脉动、空气间隙、磁场强度？、局部放电？以及其它相关状态参数。2) 长期记录对设备管理、诊断有用的数据，提供专业的诊断图谱，自动生成机组状态分析报告，最终把数据在网络上传输与发布3) 及时识别机组的状态、发现故障早期征兆，

2、对故障原因、严重程度、及发展趋势做出判断，从而可以及时消除故障隐患，避免破坏性事故的发生，为机组实现状态检修提供了坚实的技术基础4) 在水电厂实施状态监测，可及时掌握和分析水电机组各主要关键设备的运行状态，为设备的运行和维护提供决策参考，可减轻电站运行人员的劳动强度，优化机组运行，指导机组检修，提高检修维护质量，提升管理水平，有利于保障机组安全经济运行。某电站采用华科同安 TN8000水电机组状态监测分析故障诊断系统2 中控层及现地层相关设备介绍2.1. 系统配置2.2. 网络结构2.3. TN8000数据采集站配置 2.4. TN8000数据采集箱配置数据采集箱配置根据每台机组监测的参数数量

3、和信号类别来确定，一般振动、摆度、压力脉动等稳定性参数共用一个数据采集单元，空气间隙、磁场强度和局部放电等发电机参数共用另一个数据采集单元。2.5. TN8016传感器供电电源每个数据采集站配置1套TN8016传感器供电电源，为各种传感器提供直流工作电压，该电源采用工业级线性电源模块，能满足为所有类型传感器提供电源。 传感器供电电源指标参数如下：序号项目指标1 输入电压交流220V2 输出电压24V / 3A，24V / 1A，±12V,各1A3其他特性每个通道均可独立供电，提供短路保护功能，相邻通道互不影响。2.6. 状态数据服务器用于存储和管理从各数据采集箱传送过来的机组实时状态

4、数据、历史状态数据及各特征数据对相关数据进行自动分析和诊断与GPS的通讯也由状态数据服务器负责状态数据服务器也可供现场工程师进行相关系统设置和监测分析工作2.7. 网络安全隔离设备某电站电厂机组在线监测系统采用鸿瑞Hrwall-85M-II电力系统专用网络隔离装置。即数据只能由内网向外网单向传送，完全单向通讯方式（UDP）和单向数据1Bit返回方式（TCP）；该装置除采用基本的防火墙、代理服务器等安全防护技术之外，关键采用了“双机非网”的物理隔离技术，阻断网络逻辑连接，即TCP/IP必须被剥离，将原始数据非网方式传送；隔离传输机制具有不可编程性。3 监测点相关传感器介绍3.1. TN8000系

5、统监测参数1) 稳定性监测参数：大轴摆度、机架振动、压力脉动？、轴向位移？、转轮间隙？、键相？。2) 发电机监测参数：空气间隙、磁场强度？、局部放电？、铁芯振动、线棒端部振动、定子温度、转子温度。3) 工况参数：有功/无功功率、励磁电流/电压、导叶/桨叶开度、水头、流量、发电机出口开关、励磁开关。4) 其他参数：瓦温、油温、油位等。3.2. TN8000测点布置图上机架振动：低频振动传感器局部放电：电容耦合器空气气隙：电容式传感器集电环摆度：电容器传感器摆度监测键相大轴轴向窜动：涡流传感器压力脉动：脉动传感器3.3. 振动监测之MLS-9型低频振动速度传感器1) MLS-9型低频速度传感器由北

6、京豪瑞斯公司生产。2) 与其它振动传感器相比，MLS-9型低频振动速度传感器具有工作频率低、长期运行可靠、互换性好的特点。3) 对于水轮机组来说，低频振动是其固有的特性，低频振动的测量更显困难，尤其要给予重视。4) 用于测量水轮机组固定部件振动的传感器一般选用速度传感器，一般不宜采用加速度传感器。5) 速度传感器安装简单，属无源器件，使用时不用外接电源，将信号电缆直接引至表计即可，灵敏度高、输出阻抗低，可使用较长的电缆。3.3.1 MLS-9型传感器技术参数原理：磁电式(惯性式)低频振动传感器工作频响范围：0.3200 Hz(-3dB)灵敏度： 300mV/mm/s（速度型）输出形式：-10V

7、+10V,420mA供电电源：±12VDC、+24VDC、-24VDC量程：±1mm（同灵敏度相关联，灵敏度越大，量程越小。灵敏度越小，量程越大。）使用温度范围：3060环境条件：防尘，防潮（95不冷凝）3.3.2 某电站电厂MLS-9型传感器的应用（测振动）1) 上机架、下机架、顶盖X、Y、Z方向各安装一个MLS-9型低频速度传感器2) 定子机座X、Y向各安装一个低频速度传感器3) 定子铁芯水平和垂直方向共安装六个振动传感器备注：X、Y向以及安装的是MLS-9H型低频速度传感器Z向安装的是MLS-9V型低频速度传感器 3.3.3 MLS-9型传感器原理MLS-9型传感器是

8、磁电式 (惯性式)低频振动传感器，所谓磁电式传感器就是通过电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。3.3.3.1 电磁感应定律 当N匝线圈在均恒磁场中运动时，设穿过线圈的磁通为，根据电磁感应定律，得出线圈感应电势： 问：W、N、L、等分别表示什么？3.3.4 惯性式磁电振动传感器等效系统 磁电式速度传感器的频率响应特性曲线相对速度V(t)的大小才可作为被测振动速度V0 (t) 的量度。因此磁电式速度传感器的频率较低，一般为1015Hz。3.3.5 原理扩充磁电感应式传感器是速度传感器，可以通过微分器获得加速度信号，通过积分电路获得位移信号。3.4. 局部放电监测系

9、统某电站采用加拿大IRIS公司HYDROTRAC系统局放传感器：由环氧云母制成的电容耦合式耦合器各机组每相2个，共安装6个电容耦合器（型号：EMC）3.4.1 电容耦合器参数：带宽：5-350MHz电容值：80PF（±3PF）损耗因数：<0.05%工作温度：-551253.4.2 局部放电传感器安装3.4.3 发电机局部放电知识基础局部放电：是发生在高压定子绕组绝缘中的小电火花。随着定子绕组绝缘的不断恶化，局部放电将快速增长。绝缘材料的电击穿强度是空气电击穿强度的100倍左右，如果电压超过空气的电击穿强度，则发生局放：空隙越大，放电幅度越高空隙越多，脉冲次数越多问： 问什么空隙

10、越大放电幅度越高？局部放电监测原理：通过测量发生在导体中的电流脉冲来监测发生在绝缘中的局部放电。局部放电产生的小电火花是水轮发电机定子绕组绝缘老化的一种征兆。由于定子绕组绝缘在电应力、机械应力、热应力和化学应力的作用下渐渐老化，从而导致定子绕组内部的气隙数目增多，局部放电的数量也随着增加。（气隙增多局放增多）随着单个气隙尺寸的变大，局部放电的幅值也随着上升。注意的是，定子绕组绝缘内部的局部放电并不是直接导致绝缘恶化的原因，而是绝缘在不同老化应力的作用下恶化了的征兆。总之，局放检测通常可以提前至少数月或甚至提前数年预警定子绕组故障的来临。（局放是绝缘恶化的结果而非导致绝缘恶化的直接原因）3.4.

11、4 造成发电机局部放电原因1) 环氧树脂浸渍不良2) 制造质量差或恶化了的半导体涂层3) 绕组端部线圈间距不足4) 线槽内部线圈松动5) 过热（定子绝缘在长期热作用下的热退化现象）6) 绕组由于受到水气、油和灰尘等的污染7) 电动机或发电机的交变负荷？8) 电接触不良（严格来讲这并不是绝缘问题）3.4.5 局部放电脉冲信号特性1) 上升时间极快的小电流脉冲，即：超窄脉宽的脉冲2) 在放电原点处，脉冲的上升时间大约只有 1 到 5 纳秒3) 应用公式 f = 1/T = 1/(4 × t)，f频率，t上升时间 即：局部放电脉冲的频率 f 大约在 50 到 250 兆赫之间4) 结论：监

12、测局放信号必须在高频段监测，至少在50250兆赫3.4.6 局部放电与噪声脉冲尽管可以应用许多不同的方法来采集局部放电数据，但检测方法可靠性的主要标准是在发电机正常运行过程中局放检测系统处理电干扰或电噪的能力。当机组并网运行时，存在着来自不同方面的电噪信号，如电网系统的电晕，电机滑环的电火花，定子绕组外部的电接触不良，机组附近使用的电动工具或电焊设备等产生的电火花。上述电噪信号都会产生与局部放电特征类似的脉冲信号，但是幅值比局部放电信号的幅值高得多。（噪声信号相对高幅值，相对低频率）高幅度的噪声脉冲的频率通常小于 20 兆赫，而局放信号至少在50250兆赫，则在高频谱范围内监测局放信号可以获得

13、较高的信噪比。3.4.7 PDA监测法某电站电厂局放监测系统使用IRIS公司HYDROTRAC系统。其原理为PDA监测法。PDA (Partial Discharge Analyzer) 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的不同特点来抑制噪声。3.4.7.1 PDA工作原理：若水轮发电机定子每相为双支路(或偶数支数)对称绕组，则在每条支路(在水轮机端部的环形母线上)永久性地安装两个耦合电容器，将两对称耦合电容器的输出信号利用相同长度的电缆引至PDA的差分输入放大器。对于外部噪声信号，每相绕组的两个信号耦合电容将产生相同的响应，因而PDA的差分放大器无输出，噪声被抑制。对于内部放

14、电信号，由于信号传播距离不同，在到达每相绕组的两个耦台电容器时将出现时延和幅值的差异，差分放大器的输出就是放电信号。3.4.7.2 PDA监测原理通过时间差来区分干扰：1) 干扰信号同时到达两个传感器并通过差分放大器抵消2) 局放信号先后到达两个传感器并最终传输至局放监测仪3.4.7.3 高压电容耦合器某电站电厂采用IRIS公司的环氧云母高压电容耦合式耦合器。由薄片状云母电介质与可以有效阻止表面放电的环氧树脂粘合而成。环氧云母电介质的耗散系数不随温度变化而改变，即这种耦合器不会随着运行温度的上升而发生故障。电容值为80PF。与50电阻串联分压，形成了高通电路，其等效电路的下限截止频率在40MH

15、z左右，而干扰信号分量一般都远远小于该频率，即信号的信噪比较高，可以避免误警现象。3.5. 空气间隙监测之电容式传感器（平板电容式）根据发电机的设计间隙，采用VibroSystm公司生产的VM5空气间隙传感器，其前置放大器型号为LIN351，测量范围为550mm ，满足本项目发电机定子和转子间气隙的测量范围要求。每台机组需要配置8个气隙传感器，分上下两层周向均匀布置在发电机定子内壁。（转子直径小于7.5m时建议布置4个测点，大于7.5m时建议布置8个测点）。对于发电机转子高度较高的机组，应分别在定子上部和下部沿周向均匀布置4个或8个测点。3.5.1 空气间隙传感器作用1) 检查气隙均匀性，以检

16、验机组的制造、安装和维修质量2) 监视不同工况下气隙变化，以制定最佳运行工况3) 监视运行中气隙变化，及时发现转子磁极松动4) 分析机组定子热变形特性和转子机械强度5) 机组振动监测的辅助分析工具3.5.2 空气间隙传感器技术参数测量原理：采用平板电容式线性量程：550mm供电电源：1832VDC（通常24VDC，150mA）输出信号：420mA精度：在有效气隙测量范围内（1525mm）精度优于±0.5%（±0.25mm），在全量程（50mm）范围内精度优于3%抗干扰：抗电磁场干扰，抗磁强度2.0T(Tesla)专用电缆：传感器自带10米的延伸电缆连接至前置放大器，电缆采用

17、带屏蔽抗油污的并有足够机械强度的专用电缆工作温度：传感器：0+125前置放大器：-25+703.5.3 空气间隙传感器安装示例3.5.4 平板电容式传感器原理VibrosysTM公司VM5.0空气间隙传感器为平板电容式传感器。传感器本身是电容的一个极，另一个极则是发电机的磁极。由电容量计算公式可知：当电容两个极板面积一定，且两极板之间的介电常数一定，两极板间的电容量与两极板间距离成反比， VM5.0空气间隙传感器传感器就是应用这一原理检测到传感器到磁极表面的距离。并应用与之配合的线性化模块，将传感器检测到的信号转换成标准的4-20mA模拟量输出。3.6. 摆度监测之涡流传感器3.6.1 IN-

18、081摆度传感器技术参数IN-081传感器可靠性好、性能稳定、安装方便，且线性量程起点（大于1mm）比一般涡流传感器（通常0.25mm）要大，可以有效避免传感器与被测面之间碰磨。主要技术参数如下：测量原理：涡流频响范围：01kHz(-3dB)测量范围：2 mm平均工作位置：约2 mm灵敏度：-8V/mm3.6.2 摆度涡流传感器安装实例3.6.3 摆度涡流传感器工作原理涡流式传感器不仅可以测出转子轴的振动位移，而且还可以测出转子轴心的静态位置，这在判断运转过程中轴心是否处于正常的离心位置是有用处的。涡流式传感器结构见下图：3.7. 键相涡流传感器键相涡流传感器用于确定大轴旋转不平衡相位，在机组

19、动平衡试验时，根据键相传感器计算的不平衡相位进行配重。大轴旋转一周，键相涡流传感器就获得1个脉冲信号供计算机处理；键相传感器除具备“鉴相”功能外，还具备精度很高的机组转速测量功能。通常安装位置：与水导+X向摆度传感器共用一个安装支架。3.7.1 电涡流传感器基本原理3.7.2 电涡流等效原理图电涡流线圈的等效阻抗Z的函数表达式(非线性)：d 为导体几何尺寸； x为线圈与导体之间距离。间距x的测量：如果 i1、f、u、d 不变，则阻抗 Z 与间距 x 呈单值函数，即可实现非接触式位移测量。3.8. 集电环摆度的电容式传感器机组集电环由于励磁引线的影响，用电涡流传感器测量上导摆度时会存在严重失真，

20、需要采用抗电磁干扰的电容式传感器某电站集电环摆度传感器为加拿大Vibrosystm公司一体化电容式传感器（型号：PCS-302），每台机组的集电环X、Y向摆度安装4个PCS-302电容式传感器主要用于测量相对轴振动，它也可以用于分析由导体和半导体组成的任何构件振动，PCS-302在3002300um范围内呈线性，振动频率，最高1KHz3.8.1 PCS-302摆度传感器技术参数测量类型：非接触位移电容探测测量范围： 3002300um精确度： ±25um(25)频率响应： 01KHz(-3db)灵敏度： 8uA/um输出： 4-20mA(d(mm)+(Iout-4)/8+0.3)分辨

21、率： 0.5um电源电压：+24VDC±15%线性度：±5%（25时）电缆连接：双绞线长度：100m（Max）3.8.2 集电环摆度电容式感器安装实例3.8.3 非接触摆度电容传感器基本原理应用与之配合的线性化模块，将传感器检测到的信号转换成标准的4-20mA模拟量输出。3.9. 测量大轴轴向窜动的电涡流传感器大轴轴向窜动传感器测量量程相较摆度要求较大，某电站电厂采用的是中国航空动力机械研究所（原湖南天瑞）的TR-81电涡流传感器，其测量范围为20mm抬机量传感器一般布置在大轴易于安装的轴肩或法兰面上，某电站布置？根据测点配置情况，某电站每台机组配置1套测量抬机量的涡流传感

22、器3.9.1 TR-81电涡流传感器技术参数频响范围：010KHz(-3dB)测量范围：20 mm灵敏度：-0.5mV/m线性误差：±1%灵敏度误差：±2%工作温度：-10+150供电电压：-24VDC，5mA3.9.2 安装实例3.9.3 TR-81电涡流传感器基本原理其基本原理与测量摆度及键相涡流传感器一致。3.10. Keller 压力脉动传感器水轮机的稳定性问题很大程度上是由水力方面的原因造成的，所以对水轮机各过流段的压力脉动进行监测分析，可以全面掌握机组的水力特性，指导机组运行。大型机组不仅要求所选变送器具有很高的测量精度，而且要求具有良好的动态特性以满足实时监测

23、的要求。某电站电厂压力（脉动）传感器采用瑞士KELLER公司的21Y系列压力传感器，该传感器频响高，响应速度为0.5ms，并且可测量尾水管区的负压。3.10.1 某电站电厂压力脉动传感器的应用序号测 点 名 称单机数量传感器类型传感器型号生产厂家1尾水管进口压力脉动2压力变送器21Y瑞士Keller2尾水肘管压力脉动2压力变送器21Y瑞士Keller3顶盖压力脉动1压力变送器21Y瑞士Keller4蜗壳进口压力脉动2压力变送器21Y瑞士Keller5导叶后压力脉动1压力变送器21Y瑞士Keller3.10.2 Keller压力脉动传感器技术参数量程：可选精度误差：±0.2%输出：42

24、0mA，二线制工作电压：24VDC响应速度：0.25ms工作电源：832VDC 外壳防护等级：IP66温度极限：401203.10.3 压力脉动传感器工作原理3.10.3.1 压力脉动定义：紊流中一点处压强随时间作随机变化的现象。脉动压力是相对对称循环压力而言的，所谓脉动压力就是压力作用于被作用对象上并不均匀，在某个部位有较集中的或是较大的压力，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性，而对称循环压力则是被作用对象所受的压力在各个部位比较均匀。某电站电厂采用Keller公司的21Y系列压力传感器为扩散硅压阻式压力传感器。压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要

25、用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。Keller公司21Y系列压力变送器具有极小的温度误差，它使用一种温度补偿附加电路，这种温度补偿电路中包含一个温度传感器，将温度划分为若干小区间，每个小区间的零位和补偿都被分别写入补偿电路中。3.10.3.2 压阻式压力传感器结构1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜，被测压力Pe 经过过程连接件（2）传到测量元件（1），进而经隔离膜片（3）和充液（4）作用于硅压传感器（5），从而使测量膜片发生形变。测量膜片上

26、的4个压变桥臂电阻阻值随之改变，电阻值的改变使桥路输出电压与输入压力Pe 成正比。3.10.3.3 压阻式压力传感器理论基础3.10.3.4 工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。电桥由电流值为1mA的恒流源供电。硅杯未承受负荷时，因R1=R2=R3=R4，I1=I2= 0.5mA，故A、B两点电位相等（UAC=UBC），电桥处于平衡状态，因此电流I0=5mA。硅杯受压时，R2减小，R4增大，因I2不变，导致B点电位升高。同理，R1增大，R3减小，引起A点电位下降，电桥失去平衡（其增量为UAB）。A、B间的电位差UAB是运算放大器A1的输入信号，它的输出电压经过电压电流变换器转换成相应的电流（I0+I0），这个增大了的回路电流经过反馈电阻RF，使反馈电压增加UF+UF，于是导致B点电位下降，直至UACUBC。扩散硅应变电桥在差压作用下达到了新的平衡状态，完成了“力平衡”过程。当差压力量程上限值时，I0=20mA，变送器的净输出电流I204=16mA。