华科同安机组在线监测系统.docx
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华科同安机组在线监测系统
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①在线振动监测
2)绕组绝缘问题可以采用②在线局放监测
3)转子绕组问题可以采用③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①振动、②摆度、③压力脉动、④空气间隙、⑤磁场强度?
、⑥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,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220V
2
输出电压
+24V/3A,-24V/1A,±12V,各1A
3
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。
3.3.2MLS-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:
0.3~200Hz(-3dB)
灵敏度:
300mV/mm/s(速度型)
输出形式:
-10V~+10V,4~20mA
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:
-30~60℃
环境条件:
防尘,防潮(95%不冷凝)
3.3.3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
3.3.4MLS-9型传感器原理
MLS-9型传感器是磁电式(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。
3.3.4.1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φ,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?
3.3.5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10~15Hz。
3.3.6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:
-55℃~125℃
3.4.2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。
(①气隙增多—》局放增多)
随着单个②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)
3.4.4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:
监测局放信号必须在高频段监测,至少在50-250兆赫
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①电网系统的电晕,②电机滑环的电火花,③定子绕组外部的电接触不良,④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50-250兆赫,则在高频谱范围内监测局放信号可以获得较高的信噪比。
3.4.7PDA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(PartialDischargeAnalyzer)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。
3.4.7.1PDA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。
3.4.7.2PDA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50Ω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40MHz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5~50mm,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:
5~50mm
供电电源:
18~32VDC(通常24VDC,150mA)
输出信号:
4~20mA
精度:
在有效气隙测量范围内(15~25mm)精度优于±0.5%(±0.25mm),在全量程(
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