李維巍

（吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林通化 134500）

1 水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

（1）機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)。水電機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)包含多種不同的參數(shù)，如水壓脈動(dòng)、主軸擺度、機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)等。其中，當(dāng)前水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的基本原理如圖1所示。監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)、振動(dòng)傳感器共同構(gòu)成振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。表征機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的不同非電量特征參數(shù)，通過傳感器收集并轉(zhuǎn)化成為電量信號(hào)，以便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行有效運(yùn)用。監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)共包括3種功能，即數(shù)據(jù)分析功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)采集功能，能比較全面地獲取振動(dòng)信息，如振動(dòng)趨勢(shì)、軸心軌跡、振動(dòng)波形、相位等，便于故障分析。

（2）發(fā)電機(jī)氣隙和磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)技術(shù)。到目前為止，通過運(yùn)用配套前置器、平板電容式傳感器，利用計(jì)算機(jī)采集、儲(chǔ)存、輸出數(shù)據(jù)，便能測(cè)量出水輪發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和氣隙。電容式位移傳感器的工作原理是通過對(duì)被測(cè)表面和傳感器平板二者之間等效電容的的變化程度，對(duì)2個(gè)平面之間的距離進(jìn)行有效反映。由于傳感器屬于平板形式，在定子轉(zhuǎn)子之間安裝傳感器比較合適。其中，美國(guó)Vibrosys公司生產(chǎn)的氣隙監(jiān)測(cè)傳感器比較具有代表性，包括空氣氣隙傳感器VM5.0（圖2a）和磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器M FM-100（圖2b）。

圖1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

將發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為主要依據(jù)，配置水輪發(fā)電機(jī)氣隙傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)量。當(dāng)直徑躍7.5 m時(shí)，宜配置8個(gè)傳感器（圖 3），當(dāng)直徑約7.5 m時(shí)，宜配置4個(gè)傳感器。如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)組的高度較高時(shí)，宜在定子上部配置4個(gè)傳感器，定子下部配置8個(gè)傳感器。其中，應(yīng)沿著周向?qū)y(cè)點(diǎn)進(jìn)行均勻配置。例如在均勻配置4個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)分別選擇+X，+Y，-X，-Y 方位。

圖2 氣隙監(jiān)測(cè)傳感器

1.2 水電機(jī)組故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀

最近幾年，我國(guó)對(duì)水電機(jī)組故障診斷技術(shù)的關(guān)注越來越高，對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，已獲得不少研究成果，但仍不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。很多水電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)并未進(jìn)行深入研究，僅僅進(jìn)行了初步嘗試。當(dāng)前已有的故障診斷系統(tǒng)實(shí)用功能不強(qiáng)。水電機(jī)組故障診斷，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家開展的時(shí)間較早。例如，英國(guó)倫敦電力局研發(fā)出的HydroX系統(tǒng)，能在St.Lawrence水電站運(yùn)用，具有70種故障診斷模式，故障診斷功能較好。

圖3 氣隙測(cè)點(diǎn)配置示意

2 水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)中存在的問題

2.1 空化監(jiān)測(cè)技術(shù)

最近幾年，我國(guó)運(yùn)用加速度傳感器、超聲波對(duì)空化監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了多次試探性研究，并積累了一些數(shù)據(jù)，當(dāng)前空化監(jiān)測(cè)技術(shù)仍存在很多不足之處，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能夠作為參考，尚不能對(duì)機(jī)組檢修、空化診斷提供可靠的依據(jù)。因受水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，安裝固定空化監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置的難度較大。迄今為止，關(guān)于空化監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外的研究成果還比較少，尚未研發(fā)出較為健全、完善的產(chǎn)品。為有效改進(jìn)空化監(jiān)測(cè)技術(shù)，要合理選擇、配置監(jiān)測(cè)傳感器，同時(shí)選用有效的空化監(jiān)測(cè)方法。

2.2 水電機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)

關(guān)于水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的研究和運(yùn)用，通過深入研究不難發(fā)現(xiàn)，擺度監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較完善，但水電機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)還存在不少問題。我國(guó)制定的水電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要運(yùn)用低頻振動(dòng)速度傳感器，它的低頻響應(yīng)特性較好，且便于安裝和運(yùn)用，但當(dāng)發(fā)生比較大的突變情況時(shí)，低頻速度傳感器會(huì)發(fā)生不正常的輸出信號(hào)。

2.3 氣隙與磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)技術(shù)

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)氣隙監(jiān)測(cè)技術(shù)還比較落后，運(yùn)用水平有待提高。今后必須深入研究氣隙與磁場(chǎng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括對(duì)問題磁極位置進(jìn)行有效判定、偏心診斷氣隙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、找出發(fā)電機(jī)潛在故障問題等。

2.4 水輪機(jī)效率監(jiān)測(cè)技術(shù)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估水輪發(fā)電機(jī)組能量指標(biāo)，必須要有效測(cè)量水電機(jī)組的流量，這項(xiàng)工作的難度非常高。最近幾年，規(guī)則管道成功運(yùn)用了超聲波測(cè)流技術(shù)，使水輪機(jī)效率監(jiān)測(cè)技術(shù)的產(chǎn)生成為可能。但考慮到水輪機(jī)的特殊流道條件，必須要進(jìn)一步提高水輪機(jī)特殊流道的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

2.5 局放監(jiān)測(cè)技術(shù)

最近幾年，我國(guó)部分水電廠安裝了局放監(jiān)測(cè)設(shè)備，在設(shè)備使用過程中，要想對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，難度還是非常大。只有有效解決局放監(jiān)測(cè)中的抗干擾問題，才能獲得較好的監(jiān)測(cè)效果。當(dāng)前的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并不能作為檢修工作的重要依據(jù)，只能作為一大參考。因此當(dāng)前亟待解決的問題，是提高水輪發(fā)電機(jī)組局放監(jiān)測(cè)的抗干擾能力，在眾多局部監(jiān)測(cè)信號(hào)中能對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行正確識(shí)別和分離。為解決以上問題，美國(guó)研發(fā)出一種事件識(shí)別軟件，對(duì)噪聲進(jìn)行有效分離，日本研發(fā)出一種時(shí)差法定時(shí)噪聲分離技術(shù)，我國(guó)尚未提出有效解決對(duì)策。

2.6 故障診斷技術(shù)

迄今為止，關(guān)于水電機(jī)組故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)，我國(guó)水電機(jī)組并未對(duì)其進(jìn)行成功運(yùn)用，雖然具有很多關(guān)于故障診斷方法的研究，但應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)不多，僅對(duì)水電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)的運(yùn)用進(jìn)行了初步嘗試。同時(shí)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)水電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)的研究也不多，因此我國(guó)應(yīng)對(duì)故障機(jī)理、診斷模型、信號(hào)處理、監(jiān)測(cè)技術(shù)等進(jìn)行更為深入的研究，推進(jìn)水電機(jī)組故障診斷技術(shù)。

2.7 主變油氣監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)前我國(guó)所使用的大多數(shù)變壓器油氣監(jiān)測(cè)主流產(chǎn)品，均具有一定的WEB（World Wide Web，萬維網(wǎng)）發(fā)布功能和組網(wǎng)功能，可以對(duì)含氣量的變化趨勢(shì)進(jìn)行更好的反映，但離線測(cè)量和在線測(cè)量之間的偏差比較大，需要提高油氣監(jiān)測(cè)設(shè)備的精度。

3 水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 新的信號(hào)分析技術(shù)的運(yùn)用

隨著時(shí)間的不斷變化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)并不具有規(guī)則性，而是隨機(jī)變化的。針對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)用當(dāng)前的故障診斷系統(tǒng)并不能對(duì)其進(jìn)行有效處理和分析，無法將水電機(jī)組的故障特點(diǎn)、運(yùn)行狀態(tài)有效提取。但利用小波分析技術(shù)，能解決以上問題。

3.2 多傳感器信息融合技術(shù)的運(yùn)用

運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)，對(duì)多種故障信息進(jìn)行充分利用，包括關(guān)系信息數(shù)據(jù)信息、頻域數(shù)據(jù)、傳感器時(shí)域數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，結(jié)合多種方法，如證據(jù)推理法、模糊理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，提高了不確定自身和信息表達(dá)的直觀性，使多傳感器信息融合技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

3.3 全息譜分解技術(shù)的運(yùn)用

水電機(jī)組的故障診斷，主要利用頻譜分析方法分析采集到的數(shù)據(jù)。一般譜分析中被忽略的相位信息，全息譜分解技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了充分利用。通過對(duì)互相垂直的2個(gè)信號(hào)進(jìn)行有效結(jié)合，將頻譜分析結(jié)果作為主要依據(jù)，深入分解軸心軌跡，提高了故障診斷結(jié)果的可靠性。

3.4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用

結(jié)合水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以提高水電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷結(jié)果，提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的時(shí)效性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)診斷網(wǎng)絡(luò)化。

3.5 非線性方法和原理的運(yùn)用

水電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組的行為常常表現(xiàn)為非線性，在水電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)中運(yùn)用多種非線性方法和原理，如奇異譜、分形幾何、相關(guān)分析、FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅氏變換）等，提高水電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和可靠性。