1、发电机射频监视器应用的探讨摘 要 介绍了扬州第二发电有限责任公司两台 600MW机组运行过程中发电机的在线监视装置射频监视器的应用，通过对安装在发电机中性点引出线上的RF电平的监视来了解发电机的内部状况。并提出了此装置设计中的问题及未来的发展方向。关键词 发电机射频监视器（RFM）随着电力系统中大容量机组的不断增多，对发电机在运行过程中的在线状态监视显得越来越重要，监视要求也越来越高。目前国内外发电机组的在线诊断手段主要是通过发电机光纤测震仪（FOVM）、发电机状态监视器（GCM）、发电机射频监视器（ RFM）来对发电机进行在线状态监视。正是这些在线监测手段使得发电机在运行过程中，可以对发电机
2、内部的故障情况进行报警，引起运行操作人员的高度重视，指导运行操作人员适当调整负荷，必要时可以立即停机。以下主要着重介绍扬州第二发电有限责任公司的在线状态监视装置之一发电机射频监视器（RFM系列II ）的结构、工作原理及其实际运行使用情况。发电机射频监视器主要用于检测存在于发电机引出线上中性点的 RF 电平。这一电平幅度只表示一单个变量，单凭它还不可能完全诊断一个 RFM 报警的根本原因。为了分析出 RF 电平的来源可能还需要有与发电机相关的其它变量的信息和附加的测试。系统概述（一）射频监视器组成说明从功能上看，射频监视器主要由几个部件组成：射频前置放大器与熔丝，射频接收器板，接口板，控制板，和
3、可选的遥控面板。1、RF 前置放大器前置放大器是 RFM 的主要构成，有高度稳定的低噪声电路，它被设计成可在恶劣环境（即有高的电气噪声和电路板在温度与湿度上有大的变动）中的工作。前置放大器检测 RF 电流（使用电流互感器的电流耦合器方式）或 RF 电压（使用内置耦合电容器的电压耦合器方式） 。前置放大器连接到发电机的中性点引出线上。这些耦合器方式使 RFMII 系列能与油浸式及干式两种中性变压器一道使用。在电压耦合器方式中，在采用干式中性点接地变压器时 RF 前置放大器可被连接到中性点引出线上（见图 1） 。前置放大器具有下列功能：（1）高压隔离（40KVAC ） 。当信号耦合装置出现故障情况
4、时，可以防止危险的高电压超出中性点防护罩的范围。如果发电机电压回路出现一个接地故障，中性点引出线能瞬时达到发电机的相电压。（2）信号接地熔丝的快速熔断。如果出现信号耦合故障，熔丝在不到一个电源周期的时间内从电气上将前置放大器从中性点引出线上断开。设计这一功能是为了防止干扰机组的接地故障损坏前置放大器。（3）信号放大（最大 20 倍） 。这个放大器把 RF 信号放大到远远超过背景噪声的电平并使RF 信号能传送到距离中性点防护罩远至 500 英尺的地方。如果背景噪声电平不是太高的话，在有些应用中这一距离还可以增大。设计这个宽带前置放大器（1 至 10MHz）是为了使工作人员能安全地进行中性点引出线
5、 RF 信号的分析。2、RFM系列 II 接收器板RFM系列 II 接收器板接受来自前置放大器的 RF 信号，用单根同轴电缆（RG 58）连接接收器板与前置放大器。在接收器板上提供 2 个带通滤波器。第一个滤波器具有带通 4.0MHz+0.1MHz.第二个滤波器的带通为 3.0MHz+0.1MHz。后者产一个替代的检测窗口，如果发现 RF 的污染源存在于4.0MHz 左右时可以使用它。无线电台或计算机的基频或谐波是 RF 污染的可能来源，这些被称为连续波或 CW 信号。而电弧产生的 RF 信号是脉冲而非连续波，它经过采集、放大最终输出 RF 电平。3、控制板控制板包含中央微处理器。微处理器根据
6、报警条件监视 RF 电平。它进行一个加电自诊断测试。使用微处理器有许多优点，包括存储值（保持最高峰值和瞬态报警滤波延迟）及支持各种系统配置（工作方式） 。一个位 AD 转换器将采集到的系列 II 的模拟信号转换成数字信号。一个 10 位DA 转换器以 0 至 10V 及 4 至 20mA 格式把数字信号转换成模拟输入。控制板上装有 3 个数字LED 显示器以指示电平。控制板上的 DIP 开关配置系统以缺省的方式工作。在此板上还提供模拟继电器驱动器。4、接口板接口板提供一种手段把所有输入与输出终接到 RFM系列 II 上。设计这块板用以提供对RFM 在恶劣的工作环境中出现瞬变脉冲的保护。接口板还
7、提供 IO 功能，如模拟输出（0 至10V 与 4 至 20mA）及继电器触点闭合。接口板对接收器与控制板二者提供 DC 电源。整个接收器与控制板直接安装在接口板上。5、遥控面板遥控面板（RCP）是可选的部件，它能远程监视与操作 RFM。RCP 内的图表记录器记录 RF电平对时间的曲线。RCP 可对故障情况进行声音报警，并将报警信号及故障情况显示在指示器上。用户能远程地对 RFM 装置加电并通过一个测试系统来检验它的性能。显示器是一个有 0 至100%（0 至 10V）标度的数字表，用它来显示从中性点引出线上采集到的 RF 信号的强弱。6、RF 的性质RF 电平及相关的报警只取决于在中性点引出
8、线上检测到的 4MHz（或 3MHz）RF 信号情况。RF 信号的来源可以划分成 3 组：第 1 组：信号来自发电机内部，例如定子绕组与绕组发生相间闪烙或击穿；第 2 组：信号由与发电机相关的设备引起，例如励磁机、轴与转子绕组接地碳刷、发电机定子主引出线及封母；第 3 组：在发电机之外的所有来源，例如电动机、开关、焊接设备、闪电以及通讯信号等。在中性点引出线上的 RF 信号与由以上干扰信号的迭加就基本确定了一个背景 RF 电平。必须根据经验确定一个机组正常运行时较准确的背景电平。这样检测到的信号转换成 RF 电平后与背景电平相比较就可以判定发电机是否出现故障及故障可能的类型。 RFM 的性能水
9、平由两个准则决定，通过这些准则基本上可以判断检测到的故障情况。（1）将可检测到的故障中最小的故障信号与 RF 背景电平作比较， RF 背景电平必须更小且恒定。（2）可检测的故障必须与在检测现场上的 RF 信号一一对应。换言之，在检测现场上的 RF信号与故障之间必须存在一种原因与结果关系。准则 1如果单独使用 RF 信号幅度作为报警依据，则 RF 背景电平必须较小且恒定。在噪声或干扰特别强的环境中 RF 背景电平较大且是变化的，这时可检测到的故障可能极其有限。这使得以 RF 信号幅度作为报警依据的工作方式变得不可行。这时可以采用另一种检测方式，它较少地依从于 RF背景。准则 2取决于故障和发电机
10、的固有物理性质。虽然我们不能对这些基本特性施加任何控制，但通过理解这些特性可以判断故障的类型。RF 信号可以分成 2 类：连续波（ CW）与脉冲。典型的 CW 波是正弦波形，它们可能来自本地无线电台、线路通信及电厂计算机产生的谐波，而发电机故障通常产生脉冲波形。在系列 II 接收器板上提供 2 个检测窗口以检测 RF 信号。如果在 4MHz 窗口遇到一个高的连续波 RF 电平，则可以通过切换接收器板上的滤波器模件选择开关选择 3MHz 窗口来检测。电弧的出现非常迅猛，会引起载流元件中电感性元件的瞬时放电。按照法拉第定律在出现电弧现场会产生一个很短的（30ns）电压脉冲。检测到的 RF 信号的幅
11、度是判别系统中电气故障的一个依据，但却不能反应故障的严重性。检测到的 RF 信号的幅度由这样一些因素决定，如 RF 源的物理特性( 类型)，发电机内故障的位置，RF 信号传播到检测场地时的衰减，检测场地的阻抗，以及 RF 耦合器的类型。（二）设置 RFM 电平报警设置报警 RFM 电平的第一步是决定机组的 RF 背景电平。首先用一周左右的时间记录 RFM输出，以决定 RFM 电平的平均幅度及宽度。当然这样有一个假定，即在这个期间发电机内部不存在故障，如不能满足这一条件，可以由某个稍后的时间上 RFM 电平的持续跌落检测出来，从而忽略这段故障时间内的 RF 电平。如果这一背景基线带比较低（在表的
12、 030范围内）并有小的变化（当机组带负载时小于表的10读数）单个 RFM 电平报警可以设置在高于此基线带中所观察到的最高 RFM 电平的 10处。这样 RF 背景电平基本上设置好了，当发现有偏离这一基线带电平时说明有电弧活动或有一个附加的背景 RF 源。（三）故障诊断通常可能出现的最常见的 RF 信号源如下：（1） 轴接地装置这是最普通的 RF 信号来源。轴接地装置（SGD）故障由碳刷、铜编织带或钢铀的污染引起。发电机轴接地装置安全投用直接影响轴承寿命，因此轴接地装置需要不定期清洁或更换。（2） 定子绕组股线间产生电弧当一个损坏的股线端与端之间先接触然后断开，且同时电流正流经该股线。由这个损
13、坏的股线与半匝（或相绕组）的其余部分形成的回路，于是产生了激发电弧所需的足够的电压，导致产生电弧。（3） RF活动的周期性源这些源是高频RF活动，以大于几秒的周期出现，通常它是由发电机组的辅助设备故障引起。例如故障的继电器、开关、或电动机启动电路都会产生一个能持续几秒的大的RF突发信号。（4） 局部放电局部放电（电晕）是一种非持续的电弧击穿，它可能与定子线棒中的空隙有关，或者与发电机主引出线的绝缘包扎损坏有关。一般借助其脉冲模式的特征很容易识别其为局部放电。局部放电能持续相当长的时间而并不明显严重损坏发电机，但如长时间在此状况下运行，局部放电就会进一步恶化，逐步发展成反复和持续的电弧。（5）
14、开关脉冲开关脉冲来自于发电机的励磁调节器、电动机控制回路、逆变器及许多电子设备产生的电磁干扰。另外许多设计不完善或设备安装位置不正确，也会导致设备发射出相当大的电磁干扰。以上不同的故障情况所产生的RF信号有不同的特征波形，每一个运行人员经过几次对故障RF信号波形观察、比较就会很容易判断出故障的可能情况，从而采取正确的处理措施、方案。（四）RFM 系列II的自诊断报警RFM系列 II具有自诊断报警诊断码，即从在RFM显示器上显示出的闪烁的出错码就可以判定射频监视器自身故障性质和部位。出错码如下表所示。自诊断报警诊断码闪烁的出错码 报 警 情 况950 前置放大器电缆短路900 微处理机故障850
15、 高背景电平800 前置放大器断开750 代表失去校准700 线路故障（接线错误）650 电池耗尽正是射频监视器的自诊断使得其装置本身的故障很容易得到监视并消除，从而使对发电机的故障检测变得更加可靠。问题与思考我厂发电机射频监视器的使用基本上是稳定与可靠的，但在实际运行中也发现有设计中的不足。首先，我厂发电机在线监视装置有发电机光纤测震仪（FOVM）、发电机状态监视器（GCM ）、发电机射频监视器（RFM），它们都送信号到集控室 GEB盘上报警光字牌，但都使用同一块故障，即三种不同的在线监视装置所发现的不同故障信号却在同一块光字牌上显示，不能将不同的故障加以区分。其次，射频监视器所监视到的故障
16、信号没有送到集控室CRT画面上，要想观察RF电平指示分析故障情况只能到电子室的射频监视器上才可观察到，这给运行人员了解故障发生情况带来很大不便。第三，由于射频监视器尚处于改进完善阶段，还经常受到外来的背景信号的干扰，易造成误报警，给故障判断带来困难。第四，目前射频监视器只能用来对故障情况进行报警，而不能对机组运行状态进行自动控制，不能根据故障情况自动调整机组运行负荷，甚至为保护机组安全可以直接跳机。以上问题也是国内同类型设备存在的普遍现象，这些问题的消除与改进将是未来射频监视器发展的趋势与方向，也只有改进这些不足才能使它在更广泛的领域得到利用推广。参考文献：1、E.James Incipient Fault Identification Through Neutral RF Monitoring of Large Rotation Machine 2、IEEE Trans. On. PAS. Vol. PAS-102 No.3, March 19833、Westinghouse Instruction Book RADIO FREQUENCY MONITOR SERIES II
