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1、发电机在线监测和故障诊断,华北电力科学研究院有限责任公司 白亚民 教授级高级工程师,1状态监测和故障诊断的基本概念,发电机的安全运行离不开运行中的状态监测和诊断。 随着制造技术的进步，发电机单机容量越来越大。 现代大型发电机的监测项目和监测设备远比过去复杂和先进，实用性强，有些监测项目已经非常成熟，并且纳入了发电机的标准化体系，有了指导运行的标准，还有的项目已经转化为状态监测和故障诊断专家系统。 与十几年前投产的200MW发电机相比，监测技术已经有了质的飞跃，并且还在继续发展，因此为保证发电机安全和稳定的运行，每个发电机的运行和维护人员都应当对各种监测设备的工作原理、性能特点等有所了解，充分发
2、挥它们的效能。,计划性维修及主要缺点,基于时间的维修体制，即定期维修。也称为 “计划维修”，或“预防性检修”，不把设备运行状态作为检修依据，以运行时间做判据，定期停机进行检查维修。 缺乏针对性，容易造成设备的“过度维修”。为追求可靠性，还要把进入故障多发期的设备提前更新，造成寿命未尽其用。 忽略了设备个体的质量、环境、性能状态的差异，使得在检修中大部分设备解体后查不出问题、而一些状态不佳但周期未到的设备未被列入计划检修的情况。即对大部分设备存在过度维修的问题，不仅降低了设备的可用性，而且可能出现维修后不如维修前的负面现象。 由于电气设备数量迅速膨胀，维修人员忙于应付，维修质量难以保证，时常出现
3、误操作、误碰等事故。,计划性维修及主要缺点（续）,经常出现大修后发电机组轴系振动反而增加的故障。 华北某俄罗斯进口160Mavr调相机大修后，转子绕组引线螺丝没紧到位，起机后螺丝甩出，将定子铁心严重砸伤，为此在北重大修数月，逐片修复铁心片，重新做定子绕组等。 华北某厂200MW汽轮发电机大修中竟然在定子绕组端部遗留金属异物，造成了端部严重短路事故，等等。 此类起因于检修质量的事故现象，计划性检修很难避免。 从长远说，即使检修时没有查出缺陷，过度检修本身对设备寿命的负面影响不可避免，如耐压试验。 此外，检修中投入的人力、消耗的材料和其它资源，如水、电、气等等，还有机组停运本身带来的经济损失，合在
4、一起，每检修一次都意味着发电企业巨大的成本支出。,计划性维修及主要缺点（续）,计划性定期维修是和事后（突发事故后）检修互补的。众所周知，发电机一旦发生重大停机抢修事故，也称为“非停”，其经济损失是非常巨大的。由于定期维修的“预知性”最差，不能有效地防止突发性事故，因此发生事后检修的概率比较高。 开展状态检修的目的就是要最大程度地避免事后检修。,状态检修的基本概念,状态维修也就是依据设备的健康状态“需修时修”。 像给人治病一样，防病比治病重要。 防病需要一套健康评估手段，设备也是一样，这就是设备的状态监测和诊断技术，没有先进的监测和诊断技术，开展状态检修就是一句空话。,电气设备故障诊断技术要求高
5、,小故事：一台电机运行中出现了异常情况，请来了某电机工程师，他在电机周围看看听听，然后对着电机图纸又写又算，最后在电机上画了一道，要求工人在该部位割一个口，打开恰好就是故障部位，修好以后，工程师向工厂老板要1万元诊断费用，老板说，画一个道就要1万，太贵了！工程师说，那好吧，画道收1块钱，但是在哪画道收999元。 监测和诊断离不开新技术的应用：例如： 无损探伤技术 光纤测振技术 红外线成像技术 紫外线成像技术,国外电厂状态检修情况,美国田纳西州一个电厂，两台1200MW汽轮发电机组，双轴，有4台600MW汽轮发电机，812年大修一次，全厂负责电气的工程师仅一人，有不同专业的工人负责各种设备的巡检
6、和在监测设备上采集数据，输入计算机，电气的数据由该工程师汇总和分析，然后报送管理许多电厂的维修中心，该中心再根据工程师的建议和数据分析确定下一步检修重点。,状态检修的基本意义,传统的定期检修模式缺乏对有设备的综合分析、统计归纳、趋势跟踪。 状态维修及时收集、整理本设备及同型设备存在的问题，视健康情况确定检修和预试的项目。 状态维修提高了检修和试验的针对性和有效性，通过设备的综合分析和细化管理，识别出少数状态不良设备的劣化迹象，从而有针对性地进行有效的少量检修，保证设备始终处于良好的状态，系统地提高运行可靠性和安全性。 由于减少了对大多数状态较好设备的无效劳动，合理地降低了维修费用，减少了设备停
7、运次数，提高了设备的可利用率。,状态检修对数据管理的要求高,除了设备的监测和诊断技术以外，数据的统一管理和分析对设备状态检修是非常重要的。 一台重要电力设备从安装投产开始算起，工作寿命通常在十几年至几十年，这么长时间运行和维护人员的变更是不可避免的，需要管理好设备资料，防止一些重要的原始数据因人员交接不好而流失，从而给设备检修（不只是状态检修，也包括定期检修）带来许多困难。 同型和同类设备的横向比较与交流也非常重要： 法国进口的高压开关拉杆断裂实例 进口英国劳伦斯电动机批量事故实例,状态检修需要的条件,从定期检修模式向整体性的状态检修模式需要逐步过渡。 要逐渐创造条件，最终转到状态检修，需要：
8、 总结定期维修（包括小修和大修）经验和教训。 参考国外相关经验，研究状态维修模式及其选择这一维修模式需要配备的监测和诊断手段（包括硬件和软件），从局部到整体、个别到一般的扩大状态检修范围。 制定相关的检修导则。 使发电设备维修从单纯的定期检修，逐步发展为融故障维修、定期维修、状态维修为一体的优化的维修模式，使维修更科学、更合理。最后自然发展到状态检修。,2 发电机需要哪些监测信息,发电机的特点： 有高速旋转部件，处于大电流、高电压、强电磁场的复杂环境。 由多种材料组合且导热、导磁、导电等物理性能各向异性。 容量等级、冷却方式、工作方式等方面，千差万别，各种型号的发电机，差异性大，即使同型号的发
9、电机，因工艺质量的分散性和设计上的变动，也会有一些差异 不同生产厂家会有不同的技术特点，甚至同一厂家不同时期的产品会有较大的变化： 东方电机厂的300MW发电机分为三代产品，电压等级、定子槽数、端部结构，油密封系统等改变。 所以面对千差万别的发电机个体，应当强调运行监测和故障诊断的针对性,必须强调监测仪器的实用性、可靠性、对设备的针对性,设备状态监测需要监测仪器的可靠性及对测试结果的正确解读。 发电机容量大小、已运行时间的长短、不同冷却方式、在线监测装置的可靠性等都会影响到在线监测装置的配置。 监测设备应当针对自己发电机的技术特点，可能存在的问题，配置适当的在线监测设备，如： 某台发电机定子绕
10、组端部结构振动特性差，存在接近100周的固有振动模态频率，端部检查总是发现松动和磨损故障，这就应当设法监测定子绕组端部在运行中实际的振动情况。 水质监测可防止内冷系统故障，但有的内冷管路采用不锈钢，就不用像对铜材料那样严格控制pH值。 内冷水系统不同结构，如内冷水箱设计，监测配置应有针对性。,监测和诊断不是万能的,发电机的基本理论和基本结构已经研究的非常透彻了，目前设计、制造、运行、检修和维护技术都非常成熟，甚至对各种故障发生的机理，防止发生故障的措施都考虑得很全面了，但总体上说，在状态监测和早期故障诊断方面仍然是相对的落后和不够全面，即使目前最先进、最成熟的监测和诊断技术，也只能掌握发电机健
11、康状态的某一些侧面，还有许多重要参数监测不到。,在线监测的局限性,在线监测的基本要求是能够监视到容易产生故障部位的早期异常情况，但受监测技术的能力限制，按目前技术水平还有许多关键部位、甚至是故障多发部位是监测不到的，例如， 转子局部温度监测，虽然发展了无线测温和红外测温技术，但至今不能在汽轮发电机上实现在线监测。 旋转励磁系统的转子电流实时监测。 定子绕组内冷水分支路流量实时监测。 此外，有些监测技术在准确性和实用性性方面还存在一些争议。,监测和诊断专家系统情况,由分项目监测过渡到监测和诊断专家系统是发电机在线监测的发展方向。 多个监测项目在专家系统中进行综合分析和诊断，把各侧面的监测综合分析
12、，便于准确发现和确定早期故障，如轴振动大故障分析、绝缘局部过热和局部放电监测有互补作用。 美国WH公司开发的软件和硬件系统、美国田纳西流域管理局开发的状态诊断专家系统。 我国发电机监测和诊断专家系统的开发和应用情况。目前，北伦电厂、军粮城电厂、马头电厂、三峡水电厂、北京石景山热电厂等已经取得一定应用成果。 实践表明，即使仅是某一侧面的专家系统，也可以监测到某参数的变化趋势，如温度监测，对防止发电机突发事故具备有效的预警作用。,简单介绍GCM（发电机状态监测）,Generator Condition Monitor 简称GCM，国内称为“发电机绝缘过热超温报警”。 目前国外已经发展到第二代，称为
13、GCM plus，即在发电机关键部位涂特殊涂料，可以在报警的同时确定过热温度和过热部位，以及过热材料性质，智能化较高。,GCM工作原理,在发电机风扇两侧的机壳上装置进风和出风引管，利用风扇的压差，使氢气从机内抽出一些，流经GCM主机，经GCM对气体分析后，再送回发电机。 GCM主机可以检测出气流中的烟气颗粒。根据烟气成分的色谱分析判断过热材料。 较复杂的色谱分析只能在实验室做，所以GCM通常需要报警取样送到专门的实验室分析。,GCM捕捉烟气颗粒的原理,GCM主机中有一个离子室，存有 射线源镅241，即 americium (241)，也有的设计用钍232，即thorium（232）作射线源，氢
14、气在射线的轰击下被离子化，成为带有正离子和负离子的离子对，离子室内有一个对地保持-10V的电极，由于离子体积极小，电荷与质量之比很高，在电场中具有极强的运动性，10V的电位足以把大部分离子吸引到电极板上，在电极板上形成的电流在静电计上显示出来，该电流非常微弱，大约10-12A ，经放大器放大1010倍，再送至电流表显示。,GCM捕捉烟气颗粒的原理（续）,当过热烟气微小颗粒随氢气流进入直流电场时，由于烟气颗粒比氢气分子大且重，尽管这些微粒在普通显微镜下仍然是不可见的，但比离子大很多倍。氢气的离子会吸附到烟气颗粒上，微粒离子结合体的电荷与质量比大大地减少下来（降至约为原离子的千分之一），因此电场中
15、的运动性也就很低了。这也就意味着它们几乎不会被吸引到采集电极上来，结果是放大器上的电流下降了。表现在仪表上是电流明显地降低。试验表明，当一个面积相当于13cm2的典型的发电机铁心材料，加热到足以使瓷套变色时，电流下降了约50%。而在发电机正常运行情况下，氢气中的微粒浓度几乎为零。电流减少的比率与烟气颗粒的数量密切相关，也就是说与绝缘过热严重程度密切相关。,GCM仪器工作情况,GCM组件包括过滤器、电磁阀、离子室和GCM流量阀等。离子室产生的电流被静电计放大后送到控制面板的输出表计和自动报警记录器中显示。 处于正常状态的氢气经过过滤器旁路，另一部分不进行过滤的氢气穿过离子室流动。 对于纯净的氢气
16、，输出显示是一个恒定量，数值大小与GCM气流量和氢气的静态压力有关。 当气体中有因过热等原因产生的微粒时，输出值将减小。当输出接近预设值时，自动报警将激活过滤器/电磁阀组件的电磁阀门，使穿过离子室的氢气被过滤。几秒钟以后，电磁阀再次动作，自动报警回路比较经过滤和未经过滤的氢气输出电平，如果探测到二者间有显著差别，就表明氢气中存在微粒，同时发出报警信号。如果两个输出电平差别极小或没有差别，GCM发出故障指示，需要校验仪器。,GCM仪器工作情况（续）,如果探测到确实的报警条件，可以手动或自动采集氢气样品至采样器，此采样器可以送至实验室进行过热源分析。 穿过离子室的流量值由GCM流量阀门调节。用GC
17、M控制面板上的增益控制可以调节流量到发电机正常运行条件下产生80的输出。GCM流量计也可以调整报警设定，用于当流量下降太低时提供报警指示。 GCM通常设有模拟GCM故障或校验报警程序的试验模式，以便确认运行和报警是否无误。,根据具体情况慎重选用监测设备,汽轮发电机的在线监测技术在我国总体水平比较落后，但较大型的发电机和较新进口的发电机在线监测装置多一些。 有些装置目前尽管已商品化，但可靠性并不够高，故障报警存在误报和漏报现象，还有价格比较高的问题，所以对在线监测装置的选配应慎重，不宜盲目求新、求洋。 在线监测和诊断专家系统需要有足够的、可靠的监测手段支持才能发挥作用，故上专家系统应当考虑监测装置的配备情况，先期进行可行性论证。,
