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摘 要：本文对国家能源集团江西电力有限公司万安水电站实施电动机绝缘在线监测系统智能化研究与应用项目开展了研 究,讨论了水电站电机绝缘在线监测的意义,阐述了电机绝缘在线监测的具体原理,提出了电动机绝缘在线监测系统的硬件构 成和软件功能,最后指出了在线监测系统的工作特性。
关键词： 电动机,绝缘监测,在线,监测系统
Research on Intelligent On-line Monitoring System of Motor Insulation in Hydropower Station
KANG Liping, XIAO Dongmei, QIU Quanyuan
(Wan'an Hydropower Plant, Jiangxi Electric Power Co., Ltd., National Energy Group, Ji'an Jiangxi 343899)
【Abstract】：This paper studies the project of intelligent research and application of motor insulation online monitoring system in Wan'an Hydropower Station of Jiangxi Electric Power Co., Ltd . of National Energy Group, discusses the significance of motor insulation online monitoring in hydropower station, expounds the specific principle of motor insulation online monitoring, puts forward the hardware composition and software functions of motor insulation online monitoring system, and finally points out the working characteristics of the online monitoring system.
【Key words】：motor;insulation monitoring;on-line;monitoring system
万安水电站位于江西省万安县, 是江西省目前最大的 水力发电站。万安水电站建设有 4×105MW+113MW 5 台发电机组,总装机 533MW。电站 1990 年第一台 发电机组投产发电,至今已运营 32 年。
水电站辅助设备中高、低压消防水泵和深井水泵等 设备在水电站的安全运行中发挥着重要作用, 这些系统的 安全性常作为电站安全稳定的否决项, 确保这类设备的健 康稳定成为水电站日常维护工作中的重点工作。但由于这 些设备运行特点是日常使用率比较低, 长时间处于停止备 用状态,且所处环境非常潮湿,经常出现由于绝缘降低导 致电机烧毁等事件。为了提高这类电动机等设备的安全可 靠性,电站拟实施电动机绝缘在线监测系统智能化研究与 应用项目,旨在实现电动机的绝缘在线监控, 实时监测电动机绝缘和故障状态下报警闭锁等功能 [1]。
1 水电站电机绝缘在线监测的意义
电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动 机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,它遍布电 站的油、水、气各个系统,在各系统中都有着不可替代 的作用,其强迫停运会导致所处的系统,轻则改变运行 方式,严重则导致该系统无法正常运行,最终可能会引 起主设备强迫停运,据不完全统计结果表明,在电机故 障中绝缘故障占比超过 50%,绝大部分电机的绝缘降 低故障都可以采取技术措施得到完全消除的,但当前水 电站电动机绝缘监测还是停留在定期工作中,如万安电 站技术规程中规定消防水泵电机绝缘测量为主汛期一周 测量一次,非主汛期一个月测量一次,这种运行方式无法及时发现电机绝缘降低的趋势,在设备需要启动运行 时,就存在绝缘低而烧毁电机的安全隐患。因此,研究 一台电动机绝缘在线监测装置,将电机绝缘值作为一个 实时参数纳入值守人员的监控内容,当电机绝缘值超出 正常范围时,实现报警和控制闭锁,对于水电站安全、 高效运行意义重大。
2 电机监测原理
电机监测装置对各类电机及潜水电泵运行的特殊情 况采取了一系列抗干扰措施,传感器输入端具有强抗电 压冲击能力,能接收温度传感器的数据,展示并告警。 适用(AC220V、AC380V、AC660V) 各种电机作为保 护器配用。电机故障监测系统是采用现代电子技术和传 感器技术,对电动机运行过程中的各种参数进行实时在 线检测、分析、处理并作出相应报警或指示的装置。基 本功能包括：(1)对电动机的绝缘电阻、温升等常规电 气参数和振动、噪声等机械量进行测量;(2)根据设定 的报警阈值或动作时间发出声光报警信号;(3)通过设 定值比较法确定电机的实际工况;(4)通过通讯接口与 PLC 或其他自动化设备相连实现远程控制 [2]。
电机在线监测装置对于低压电机在停机情况下,对 其定子绕组对地连续、断续施加 DC500V 电压,施加 电压的模式可以配置支持(4 小时 / 次、8 小时 / 次、12 小时 / 次),测量其绝缘状况。可以显示动静态绕组对 地的绝缘阻值。
电机监测装置支持对电机的断路器上下触头、接线 盒、轴承等处的温度监测, 最大支持 15 点的温度测量, 温度传感器的数据通过无线方式传到电机监测装置,装 置可以显示现场传感器温度,并集报警提示和输出,事 件记录及数据记录于一体,并可修改现场无线温度传感 器的地址等参数。
电机监测装置带有 RS485 输出接口,可以与 PLC、PC 电脑进行组网通讯,远程实时监控电机运行状况。
3 电机绝缘在线监测系统架构(如图 1 所示)
3.1 硬件结构
硬件上, 整个电动机绝缘在线监测系统由 3 个部分 构成,分别是信号监测、数据采集和工业控制 3 个模块。 优点是宽频带检测技术,抗干扰能力强;采用先进的噪 声和干扰的分离技术,确保分析准确可靠;可采用光纤 局域网传输网络,传输距离远,稳定可靠,结构紧凑, 安装方便;实现电机的实时永久性在线监测,结合硬件 和软件对设备绝缘状况全面评估。
3.1.1 信号检测模块
信号检测模块由信号传感器、预处理板和信号发送装置组成。
(1) 信号传感器。信号传感器具体又分 4 种,即振 动传感器、温度传感器、压力传感器和电压电流传感 器。分别用来获取机械振动情况(主要是风扇)、环境 温度、环境压力以及主电路的电压和电流等参数。
(2)预处理板。上述关键参数经传感器获得以后, 需要预处理板对传感器获得的信号进行预处理,从背景 信息中准确找到有用的信号,并将其分离出来,进行必 要的校正和转换、放大。
(3)信号发送装置。经过预处理板处理之后的参数 转由信号发送装置对其进行传输。信号发送装置最重要 的是需要一定的抗干扰和远距离传输能力。
3.1.2 数据采集模块
数据采集模块的功能是将信号检测模块取得的模拟 信号转换成数字信号,以便于下一步由工业控制模块来 进行处理。
3.1.3 工业控制模块
工业控制模块是整个硬件系统的核心,由工业 PC 来实现其运行,作用是完成与其他模块的信息交互,对 信息进行处理,实现对系统其他模块乃至对发电机的自 动控制。
3.2 绝缘监测装置原理
电机绝缘在线监测装置是一种能够在线监测高压电 力电缆绝缘状态的装置,该装置的应用为诊断电缆早期 缺陷和事故隐患、控制突发性绝缘事故、监测电气设备 绝缘性能的好坏提供有效信息,保证设备的安全可靠运 行。装置可以在运行的过程中实时取得设备的绝缘参 数,因而可以对设备的运行工况做到及时了解,配合电 机绝缘在线监测装置自带的绝缘分析软件可以智能分析某个设备存在的缺陷,方便安排检修计划,避免由于突 然停电对企业造成损失。
电机在线监测装置的基础原理与摇表类似,区别在 于摇表是离线式的检测工具,绝缘监测装置是 24h 实时 在线监测,在电机停机时,绝缘监测装置对电机施加一 定的直流电压,可以直接读取和实时存储仪表的绝缘值, 在仪表绝缘值不满足标准要求时,系统端和装置侧同时 告警提醒检修人员进行检修。当电机开机时,绝缘监测 装置能监测电机的零序电流值和轴承、电气连接点的温 度值,当电机零序电流异常或温度异常时发出告警。
绝缘监测装置的温度传感器, 1 个模块可以同时测 量 3 个不同节点的温度,并通过无线方式与装置进行数 据通讯。绝缘监测装置的原理如图 2 所示。
3.3 软件功能
3.3.1 监测功能
软件首先要实现监测功能, 具体来说,要做到对系 统的原始设置监测和对电机的实时状态监测,具体包括 主回路电压电流信息、触点温度、轴承温度及相关机械 振动频率、振幅等。监测功能还要实现系统的开关机功 能,以及选取适宜的监控模式。
3.3.2 信号操作功能
软件系统要能够控制传感器、预处理板、信号发送 装置和数据采集模块按照指定程序工作,完成关键参数从采集、预处理、传输到数据分析的全流程。
3.3.3 分析诊断功能
主要指的是各种常用的监测诊断分析方法,具体主 要包括互相关分析、自相关分析、时域频域联合分析、 信号滤波、逆谱分析、魏格纳分析、时域分析、立体轨 迹分析、平面轨迹谱分析、频谱分析等。
4 在线监测系统的工作特性
现在的水电站所使用的电机绝缘监测系统,基本都 是与其他监测系统整合为一体的整体监测,除了监测电 动机的绝缘情况外,一般还会对输出电量等工作信息, 以及其他故障相关信息进行监测,还能够实现实时向控 制系统传输数据。大多数情况下,只有当电动机绝缘故 障发生时,系统才会发出警报,同时停止电动机工作, 防止电动机在故障状态下运行造成严重后果。为了满足 对水电站发电机更进一步的监测需求,当前水电站电动 机已经开始更多地采用电动机绝缘在线监测系统。这样 的工作模式下,能够对潜在的绝缘风险提前发出警报, 提早发现问题,及时予以排查和解决。通过对电动机整 体及其各部件的连续实时监测,并提前制定好对各项异 常的维护和处理预案,可以大幅减少电动机绝缘事故的 发生,极大地提高水电站的生产效率和安全性。需要指 出的是,绝不能仅仅依靠电动机绝缘在线监测系统来保 障电动机的绝缘安全,此系统的作用是减少事故的发生 率,但不应当减少在此方面的人力投入,常规的定期检 查仍然不可缺少。只有在将常规人力检查与系统在线监 测紧密结合,才能够最大程度保障水电站电动机的正常 运行。
5 结语
水电站电动机的绝缘监测一直是保障水电站正常运 行的重点环节之一。传统的水电站电动机绝缘监测只能 通过人工方式实现,效率低、可靠性不足、实时性差。 本文提出对万安水电站实施电动机绝缘在线监测系统智 能化研究与应用项目,一方面能够提高万安水电站的电 动机绝缘监测; 另一方面,对于相关理论的完善和提 高,也将大有裨益。
参考文献
[1] 黄新红,张军辉,严璋 .高压电气设备绝缘特性带电检测仪信 号采集系统的研究[J].西安交通大学学报,1997(11):42-46+51.
[2] 沈正标. 电机故障诊断技术[M].北京:机械工业出版社,1996: 5.
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