引 言

水轮发电机空气间隙（简称气隙）是为了保证转子在定子腔内能自由转动[1]，虽然转子与定子之间没有直接的电磁联系，但当定子绕组通电以后，转子与定子之间便有了电磁联系，从而实现电能与机械能之间的能量转换功能。气隙的大小对异步电动机的性能、运行可靠性影响较大。气隙过大，将使磁阻增大、励磁损耗增大，励磁电流随之增大，电动机的功率因数也会因此下降，使电动机的性能变坏。为了减少励磁电流和功率因数，应尽量减小气隙。但气隙过小又会走向反面，使气隙谐波滋场增大，电动机杂散损耗和噪声增加，使最大转矩和启动转矩都减小。同时气隙太小还容易使运行中的转子与定子碰擦，发生扫膛现象，给启动带来困难，从而降低了运行的可靠性。运行中的发电机，由于空气间隙的不均匀性将直接影响机械性能的稳定，并造成机组振动。实时在线间隙监测技术，就是测量水轮发电机在所有运行状态下，定子和转子之间距离，通过对该距离的动态监测判断水轮发电机组的运行状态，及早发现故障或事故隐患、为机组检修提供科学依据，为电厂运行创造效益。

五强溪水电厂位于沅陵县境内的沅水干流上，是沅水流域水电梯级开发的骨干电厂，华中电网骨干调峰调频电厂。电厂工程由混凝土重力坝、厂房、泄水建筑物和三级船闸组成，大坝坝顶高程117.5m，坝顶总长724.4m。坝后式厂房内装5台单机容量24万kW的混流式水轮发电机组，水轮机转轮直径8.6m，额定功率24.8万kW，单机额定容量为266.67MVA，总装机容量120万kW。五强溪电厂水轮发电机组定转子间隙测量采用传统的静态测量方法，将木塞尺的斜面涂以粉笔灰，使斜面对着定子铁芯插入，以一定力量压紧，然后拔出用游标卡尺测量木塞尺斜面刻痕处的厚度即为该处的空气间隙值。此种测量方法要求各测量位置在各磁极的中间并相对于定子铁芯面上，对测量位置准确度要求较高，且只能在静态条件下进行，具有一定的局限性。另外，此测量方法不能有效避免人工误差，测量结果受人为因素影响较大，且不能实时地监测运行过程中的定、转子气隙值。因此，建设一种气隙状态实时在线监测系统是十分必要的。本文介绍了在线监测系统数据分析、故障诊断和实时警报等相关功能，并对该系统在五强溪水电站的应用前景进行了简要分析。

图1为发电机定、转子间的气隙结构。

继续加大人才培养与引进力度，一方面支持在岗职工通过外出进修学习、出国深造、提升学历等途径，不断提升现有医务人员的工作能力和学历层次。另一方面，则通过广纳各方贤才，吸引更多优秀的高层次人才来院工作，进一步优化学科结构，形成合理的内部竞争机制，实现医院的可持续发展。

  

图1 发电机定、转子间的气隙结构

1 气隙的状态监测方法

气隙的状态监测包括气隙测量和定、转子的轮廓不圆度分析。其中，测量转子的不圆度，以及偏心距和偏心角是对某一个气隙传感器而言的；定子的不圆度是对某一个磁极而言的。

1.1 键相同步

所有监测分析功能均以独立应用APP的形式提供，简单易用，能够满足各种监测分析任务。该模块包括实时监测与分析，历史数据分析，评价报告单管理三大类 6个标准应用，同时提供组态配置工具，用户可以据此开发新的 APP，以实现其它监测功能。

1.2 气隙测量

首先，似圆图形的不圆度，即圆度误差，可以由形状偏离几何圆的程度来描述。其具体的表示方法是将实际轮廓夹在两同心圆之间，当这两几何圆的间隙为最小时，用这两个几何圆的半径之差来表示该轮廓的圆度误差。

图2为某一号气隙传感器在涡流传感器接收到信号时刻开始测得的信号波形图，可以看到，所要测量的气隙值就是图中所示的波形中的每一个“波谷”，即每一个最小值对应的就是该磁极与定子间的气隙值。

  

图2 传感器检测到的信号波形

如图3所示，为某一水电站的发电机定、转子间实测气隙图。从图中可以看出，该传感器对应的气隙最大值，发生在6号磁极上，气隙最大值为26.67mm；最小气隙值为23.70mm，发生在30号磁极上。平均气隙为25.13mm。根据键相同步，还可以测得此时转子的机械转速为136.3r/min。同理，可以就某一磁极得到该磁极与定子之间一周的气隙大小。

  

图3 各磁极的气隙大小实测图

1.3 定、转子的轮廓不圆度分析

在确定键相后，就可以通过气隙传感器测出每一号磁极与该传感器的气隙大小，最后可以作出转子轮廓的大致形状。当我们在定、转子之间装有足够多的气隙传感器时，就可以测出同一个磁极在转子转1圈的过程中与每一个气隙传感器的气隙大小，这样就可以大致描绘出定子的内壁轮廓。

Ri——轮廓点到最小二乘圆心的距离。

上面公式不多作说明，但需要指出的是，坐标原点的选取就是转轴回转的轴线（并不一定是转轴的几何轴心），而轮廓上每一点（xi，yi）就是根据所测气隙值以及相应磁极的方位角求得。

气隙传感器采用加拿大VibrosysTM公司的AGMS平板电容传感器，传感器厚度仅为1mm，传感器采用粘贴方式固定在定子内壁上。系统共配置8个空气间隙传感器，分别安装在定子内壁的上部，周向按45°均匀布置。为了监测对应的磁极位置，系统还配置了一路EC/TR同步键相传感器，具体设备配置如表1。

 

式中R——最小二乘圆半径；

根据上一节得到的定、转子轮廓后，就要用最小二乘方法得到该轮廓的最小二乘圆。在确定圆心坐标与实际的测量中心（在转子上就是转子的回转轴线）的相对位置后，可以确定转子的偏心距和偏心角，最后可以求出轮廓上的点与最小二乘圆的圆心之间的最大距离Rmax和最小距离Rmin，这两个值就可以认为是前面提到的两个同心圆的半径，那么其差值e就是该轮廓的不圆度。

按最小二乘圆法评定圆度误差的原理如图4所示。

  

图4 最小二乘圆法评定圆度误差

 

根据轮廓点拟合出一个圆，通过最小化残差平方和得到的拟合园即称为最小二乘圆，如式（1）所示.

（3）农业保险补贴政策。推行专门的农业保险，以促进农业发展，这也是巴西政府在农业发展中采取的重要政策之一。巴西在农业保险的推行实施上相对较早，且在投入力度上逐年加大。2005-2011年，巴西保险金拨付计划累计提供资金20.1亿美元，2012年巴西对农业的补贴总额达到6.88亿美元，比2011年增长30%，2015年计划达到10.56亿美元。

2 在线监测系统建设

2.1 监测系统组成

气隙在线监测系统是基于数据挖掘的标准成套组合，由气隙传感器、现地单元和上位机三个部分组成。其中，现地单元负责信号的采集和预处理工作，上位机是基于应用的数据分析及诊断模块。系统总成如图5所示。该系统通过测量发电机定、转子间的空气间隙，全面了解机组发电机定、转子初始形貌以及运行过程中定、转子发生蠕变等情况，为机组检修及安全运行提供建议和数据指导。

二是特殊时期航标巡检的安全管理。在组织相关巡检人员进行特殊时期的航标巡检工作时，相关安全管理人员要结合重点值守、夜巡航标、巡检值班等航标巡检的应急工作安排，针对性的进行巡检工作的安全管理。特别是在特殊天气条件的航标巡检工作中，相关安全管理人员要组织巡检人员利用遥测遥控系统对航标的不良情况进行深入的分析，完成器材的准备。同时，也要加强对海域气候、涌浪等情况的掌握，通过使用定位及通讯设备，加强航标巡检的安全性。

  

图5 系统总成

2.2 气隙传感器

矿石中主要的碲、铋矿物为碲银矿、碲铋矿、辉铋矿。碲银矿，晶体呈叶、粒、块状，粒度较细，多呈包裹体包裹于黄铁矿中，经能谱分析，该矿中主元素银含量为58.30%～62.42%，平均为61.29%，碲含量为37.58%～41.70%，平均为38.51%。碲铋矿，晶体呈叶、粒、块状，铅灰色，粒度较细，多呈包裹体包裹于黄铁矿中。辉铋矿，晶体呈长柱状或针状，集合体为致密粒状。该矿中主元素铋含量平均为79.10%。由于Te在元素周期表中与Au具有相近的化学性质，基于碲与金的密切关系，经分析发现矿区成矿提供充足的碲元素可能性不大，对金成矿的贡献也不大。

 

表1 气隙传感器设备

  

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2.3 监测与分析（图6）

  

图6 监测与分析模块

在发电机的定子内壁上装有4个平板电容式位移传感器（下文简称为气隙传感器），和1个电涡流传感器。电涡流传感器的作用是使键相同步，即当电涡流传感器转一圈后接到电信号时，此时某1个磁极正好经过其中1个气隙传感器，当转子转动1圈后，电涡流传感器再次接收到电信号时，此时该磁极再次经过同一气隙传感器，这就是键相同步。有了键相同步的测量基点后，就可以推算出每一个气隙传感器在不同时刻测得的气隙值所对应的是哪一号磁极。

2.4 故障诊断

如图7所示，该系统可以对所有磁极空气间隙、最小间隙量、最大间隙、平均间隙、转子不圆度、定子不圆度等监测量设定报警阀值，系统自动完成预警报警判断:具备两路故障越限告警继电器信号输出（接入计算机监控系统）。该功能系统可以进行13+种机组故障（缺陷）的在线自动诊断，每种故障（缺陷）与诊断指标一一对应。当诊断指标越限时，系统会提示相应的故障原因和检修策略。

  

图7 诊断指标及意义

2.5 应用前景

将气隙在线监测系统安装在五强溪水轮机组，必须要明确相关的指标范围，以保证监测系统能够做到即时比较和预警。对照五强溪电站机组运行情况，设定主要的技术参数：系统的精度为5%，测量范围10～35 mm，电容传感器正常工作温度度0℃～125℃，监测仪模拟输出量参数为（4～20）mA，电源设定为AC220V±10%，50Hz。系统初步试验运行监测结果如表2。

建筑结合自然。余荫山房中廊、桥、水、石是必不可少的组成要素，其中重要的空间和水的联系相当密切（图2）。园中的主要建筑的朝向迎合夏季主导风，庭院设在主厅“深柳堂”南面，水池在总平面中位置居中[4]，形成了前疏后密、前低后高的布局，有利于热压通风与风压通风[5]，表现出对岭南地区湿热多雨气候的高度适应。

 

表2 系统初步监测结果 mm

  

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该机组气隙允许范围是（15.90～18.67）mm，系统检测到35号磁极气隙值超标，发出报警。该系统试运行期间运行正常，实时监测预警三次，零次报错。初步试验表明，系统的建设运行在减少人力投入、提升电站管理效率、在排除隐患和创造效益上具有巨大应用前景和积极的意义。

3 结论

本文介绍了一种水轮发电机组气隙状态监测方法，水轮发电机定转子气隙是一项非常重要的电磁参数，在许多变化量中是个较复杂的因素，对气隙动态测量结果的分析非常重要。在此基础上，介绍了在线监测系统的组成及功能，该系统把电容传感器技术、计算技术相结合，通过数据挖掘的方式分析传感器数据，为机组的安全、经济运行提供实测依据，为电站提供综合、可靠的监测和诊断报告。五强溪电站初步监测运行表明，该系统在电站具有巨大的应用前景。本文基于气隙在线监测系统的理论介绍，市场实际运用的数据分析以及五强溪水电站初步监测结果为五强溪水电厂水轮发电机组空气间隙在线监测系统全面建设提供了可行性依据。

学校成立由主要领导担任负责人的创新创业教育指导委员会，负责创新创业的指导、孵化、实践和培育。创指委的具体事务包括协调学校双创教育的教学改革、课程建设、师资培养、项目管理、竞赛组织、基地建设、学生活动和咨询服务等，制定双创教育的实施规范或评价标准，组织创新创业师资培训、学术研讨和信息交流等工作。

参考文献

[1]常禹，李冰，郭壁垒.水轮发电机气隙监测技术应用[J].水电电动化与大坝监测，2013，37（2）：20－23.