基于线结构光三维测量的发电机组定子端部形貌监测

一、项目背景

某水电站安装有3台由上海福伊特水电设备公司制造的大型水轮发电机组。在本厂和其他电厂的生产实践中发现，机组定子端部硅钢片叠层可能出现粘接失效、层间开裂、局部断裂以及冲片逸出等缺陷，如不及时加以发现和检修，可能导致线棒切割磨损、定子接地等影响机组安全正常运行的后果。因而本项目致力于开发“基于线结构光三维测量的发电机组定子端部形貌监测”装置，用于在水轮发电机停机状态下，利用线结构光扫描的方法测量发电机定子铁心端部的硅钢片阶梯块的表面形貌，通过三维重建获得硅钢片叠层的几何特征，并与安装时的标准形貌模型数据进行比较，判断其是否存在上述影响机组安全正常运行的缺陷，并实现从定时检修过渡到状态检修，及时发现早期缺陷，预防隐患深度发展，避免其造成定子接地等导致机组故障或意外停机。

二、项目实施方案说明

本方案设计的基于线结构光三维测量的发电机组定子端部形貌监测是在发电机组中定子和转子之间空气间隙的下方的下机架附近架设环绕转子的同心环形轨道，在发电机检修或停机状态下，搭载三维线激光扫描形貌测量模块的巡检小车在电机驱动下沿该圆周轨道运动，依次驻留在各个阶梯块单元的相应位置处，利用小车上的二维平移台精确控制激光扫描模块接近阶梯块下方，同时利用其发射出的线状激光扫描照射阶梯块，利用图像传感器采集线激光在阶梯块表面投射形成的条纹，系统的供电由敷设在圆周轨道上的直流滑触线提供，同时测量模块也将利用高速电力线载波通信模块通过滑触线实现与上位机之间的控制指令和测量数据的传输交互。进而上位机利用测量的原始数据，根据激光三角法测量原理重建出包含阶梯块不同位置处的深度信息的三维表面形貌图，通过与标准阶梯块的表面形貌数据进行比较分析，判断阶梯块是否存在变形、开裂等异常情况，并将测量数据及时存入数据库中，以供后续的数据分析与综合预测使用。因而，利用该系统可以实现在不抽转子的工况下，充分利用日常运行间隙，实现对定子铁心端部阶梯块形貌的及时检测，尽量提前潜在故障的发现时间，将安全隐患消除在早期阶段。

该系统的整体组成结构和安装位置的示意图如上图所示。

    

如上图所示，搭载在巡检小车多维位移台上的激光测头内光源发射出线状激光束照射到阶梯块表面，当激光线照射到的范围内的物体表面高度起伏不平时，测头内的离轴成像器件采集到的条纹图案不再是一条平直线段，而将发生弯折或扭曲，如下图所示，进而可以利用激光三角法原理对物体表面的三维坐标进行解算。通过激光测头的扫描运动逐步获取物体整体的表面形貌数据，由于CCD等成像器件的像素尺寸通常为微米尺度，而线激光的平直度很高，而选取的多维位移台的运动控制精度也可以达到十微米量级，因而允许我们对表面形貌进行高精度的重建。

系统的整体基本运行流程如下图所示：

在国内水电行业内，普遍采用固定式监测传感器对温度、转速、振动以及局放等环境参数和设备电气特性进行监测，尚没有在发电机组内部的狭窄空间内安装刚性导轨并在轨道上布置移动式的激光扫描监测装置的先例。目前，类似的轨道式巡检机器人已经在输配电领域中得到了较为广泛的应用，为我们提供了可以借鉴的经验。然而，发电机组内部监测所面临的环境因素更为复杂，系统的正常工作需要经受残压、剩磁、高温以及高湿度等较为复杂的环境考验，对系统结构设计、材料选型、安全防护措施以及操作规程设计提出了更高的要求。因而在实际运行的水轮发电机组上进行设计和安装前，有必要以实际运行参数和工作环境为参照，设计搭建原型演示系统，对设计方案、安装细节以及运行规程进行详细的分析验证。

   项目按照如下方案逐步开展实施：

第一阶段：进行方案设计、需求确认和现场踏勘，根据实际测量的发电机组的几何尺寸和机械结构，完成环形轨道、巡检小车和激光扫描测量模块的设计；完成巡检小车和激光扫描测量模块初样的加工装配；

第二阶段：在此基础上，在实验室场地内，搭建与真机具有相同曲率半径、组件结构的环形轨道节段，对拆解得到的阶梯块样品进行测量，验证机械结构、巡检小车运动控制以及激光扫描模块数据测量与传输的可靠性，并编写用于运动控制和数据处理的软件程序。

  

三、项目实施情况及成果

在工程现场进行了实地踏勘并完成了技术方案的论证：

对轨道承载系统进行了初步的有限元分析，并完成了选型工作：

   

初步搭建了基于线结构光的激光三维扫描形貌测量装置原型，在离线状态下，对缺陷样品进行了实际测试，验证了该测量方案的原理可行性：