在線實測的水輪發電機局部放電譜圖分析

付海濤，肖 榮，余維坤

（1.中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北 宜昌 443002；2.中國長江電力股份有限公司向家壩電廠籌建處，四川 宜賓 644600）

1 引言

發電機定子線棒不同的絕緣缺陷在高壓下會產生不同類型的放電，對應不同的放電譜圖，而與測量頻率無關[1-3]。不同類型的放電對發電機定子繞組絕緣的危害程度不一樣，通過譜圖分析可以確定檢測到的放電類型，為絕緣劣化狀況評估提供參考[4-5]。

本文在完成對某大型水輪發電機近5年在線監測的基礎上，通過分析幾起典型故障時局部放電數據的變化情況，來研究不同故障類型與放電特性之間的對應關系。文中數據全部來自某基于PDA技術的水輪發電機局部放電監測裝置，其系統結構及抗干擾技術見參考文獻[6]。

2 無故障運行時的放電特性

圖1為發電機無故障正常運行時，監測到的局部放電趨勢和典型譜圖。趨勢圖中上、下兩曲線分別表示放電幅值 Qm和標稱放電量 NQN；4個譜圖分別為50個工頻周期的N-φ-Q三維圖、Q-φ圖、N-φ圖和N-Q圖。

圖1 發電機正常運行時的放電數據

可見，此狀態下局部放電的放電幅值在20mV以下，放電次數在10次以下，放電量NQN為50mV左右，均明顯偏小；正、負放電幅值和放電次數大致相等，正、負放電相位分別集中在 50°～110°和 230°～290°范圍內，相位上較為對稱。該放電特性符合定子線棒內部放電的基本特征，并表明該相絕緣處于良好狀態。

3 不同故障類型下的放電特性

3.1 定子線棒端部絕緣受損

[6]中，給出了2006年4月監測到的局部放電趨勢（圖5a）和停機檢查前監測到的放電譜圖（圖5b），還展示了4月18日機組停機檢修時發現的定子端部絕緣受損情況，本文不再贅述。

為了分析該種情況下的局部放電特性，現補充局部放電初期檢測到的放電譜圖，如圖 2所示。

圖2 定子線棒端部絕緣受損初期的局部放電譜圖

從放電趨勢圖看，該局部放電監測裝置較為及時、準確地捕捉到了這次絕緣缺陷信息，但完好的C相耦合到了強烈的放電信息，對故障相別判斷產生不利影響。

從特征譜圖上看，數據增大初期，正、負放電相位分別集中在 60°～130°和 230°～320°范圍內，相位上較為對稱；正半周的放電次數明顯多于負半周，放電幅值與負半周比偏小。該放電特性符合定子線棒端部放電的基本特征，表明線棒端部有局部放電存在。

分析停機檢查前的放電譜圖，正、負放電相位分別集中在 0°～60°和 310°～360°范圍內，130～250°范圍內雖然放電次數不多，但幅值較大，電壓過零點有明顯的局部放電發生，表明相間存在一定程度的放電。

比較數據增大初期和停機檢查前的放電譜圖，發現正半周放電發展速度較快，電壓過零點開始出現明顯的放電現象。該現象基本與事實相符，即在單根線棒端部首先出現放電，然后發展到不同相線棒間出現放電。

3.2 測量傳感器性能劣化

2006年6月初，放電趨勢增加明顯。8月初停電檢查發現，A相電容器C2的引線和電容瓷瓶接頭處松動，絕緣膠帶包扎的均壓球出現裂紋。測試所有傳感器的耦合電容tanδ（標準為≤0.2%），結果表明3個遠端傳感器C2性能已劣化，測試數據見表1。

分析此次故障原因為：傳感器與發電機母線用硬導線連接，長期以來母線的振動應力通過硬導線直接作用在傳感器上，最終導致了部分傳感器性能出現劣化。之后對傳感器的結構進行了升級：①將與母線連接的硬線改為軟線，以減緩引線安裝、斷引及母線振動對傳感器的破壞；②采用光滑的均壓罩代替膠帶包裹的均壓球進行均壓。新、舊傳感器外觀對比見圖3。

表1 2006年8月耦合電容tanδ值 %

圖3 新舊傳感器外觀對比圖

傳感器性能劣化期間的放電數據如圖4所示。從放電趨勢圖看，放電幅值Qm和標稱放電量NQN均有2倍以上的增長，BYG-Ⅱ型局部放電監測裝置同樣較為及時、準確地捕捉到了本次絕緣缺陷信息。

從特征譜圖上看，正、負放電相位分別集中在60°～120°和 205°～315°范圍內，相位上較為對稱；負放電幅值、次數均明顯大于正放電，呈現嚴重的不對稱性。

3.3 中性點串勵變壓器噪聲增大

該機組每相繞組尾端串聯有勵磁用變壓器，三相串勵變壓器的一次繞組尾端短接在一起接發電機中性電設備，二次繞組則串聯在勵磁回路中。2007年9月～12月發電機運行期間，A相串勵變壓器因螺釘松動導致電磁振動和“嗡嗡”聲噪音明顯增大。在此期間監測到的放電數據如圖5所示。

圖4 傳感器性能劣化期間的放電數據

圖5 中性點串聯變壓器噪聲增大期間的放電數據

從放電趨勢圖看，放電幅值Qm增大明顯，由平時不足20mV增大至90mV左右，而三相NQN變化不大，仍保持在500mV以下。可見，串勵變壓器的異常噪聲會導致放電數據中的放電幅值Qm明顯變化，而對標稱放電量 NQN影響不大。該局部放電監測裝置較為及時、準確地捕捉到了本次異常信息，但由于局部放電信號存在相間耦合現象，其他完好相同樣耦合到了強烈的放電信息，這對故障相別判斷產生不利影響。

從特征譜圖上看，正、負放電相位分別集中在20°～100°和 190°～270°范圍內，且負放電幅值、次數均大于正放電，呈現明顯的不對稱性。

串勵變壓器噪音明顯增大，這對于局部放電的監測而言是一種干擾信號，但由于該信號來自發電機中性點，監測裝置會誤判斷為發電機定子繞組的放電信號，導致系統無法濾除，故完整地記錄了該異常信息。

3.4 尚無法驗證的故障

2008年3～5月發電機運行期間，局部放電數據出現了明顯的間歇性增大。5月份監測到的放電數據見圖6。

圖6 2008年5月期間的放電數據

查閱機組運行相關資料，發電機在此期間運行工況無異常，發電機中性點串勵變壓器無異常，勵磁系統無異常，轉子滑環無打火現象。停機檢查，局部放電測量傳感器外觀無異常、試驗合格，定子線棒上、下端部無放電痕跡，原受損線棒端部的包扎絕緣狀況良好，定子繞組交、直流耐壓試驗均順利通過。

對放電數據進行分析，發現放電幅值 Qm變化不大，而三相 NQN間歇性增大十分明顯，最高達到5000mV以上，表明放電次數明顯增多。對特征譜圖進行統計分析，發現工頻正半周的放電次數占明顯優勢；正、負放電相位分別集中在 50°～140°和 220°～330°范圍內，相位上較為對稱。

該放電特性符合層間（主絕緣與內部銅導體之間）放電的基本特征，但尚無條件進行驗證。

4 結論

（1）基于PDA技術的水輪發電機局部放電在線監測，能及時、有效地捕捉到絕緣缺陷信息，為評估發電機絕緣狀況提供了重要的依據。

（2）水輪發電機的局部放電信號存在相間耦合現象，這對故障相別判斷產生不利影響。

（3）發電機及其系統不同類型的故障會產生不同類型的放電，且有不同的放電特性。各類型局部放電的放電特性，需進一步積累經驗加以研究。

[參 考 文 獻]

[1]Belec M, Hudon C, Guddemi C. Laboratory Study of Slot Discharge Characteristic PRPD Patterns[C]//IEEE Electrical Insulation Conference, 2001:547-550.

[2]C. J. Azuaje, W. J. Torres. Experiences in Identification of Partial Discharge Patterns in Large Hydrogenerators[C]// IEEE/PES Transmission and Distribution Conference, 2006: 1-6.

[3]Claude Hudon, Mario B′elec. Partial Discharge Signal Interpretation for Generator Diagnostics[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(2): 297-319.

[4]PDA-IVTM System Introduction[M]. Canada: Iris Power Engineering INC, 2000.

[5]Kai Wu, Kanegami M. Effect of Mechanical Vibration on the Behavior of Partial Discharges in Generator Windings[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 13(2):345-352.

[6]付海濤, 余維坤, 張松濤. 基于 PDA技術的水輪發電機局部放電在線監測[J]. 大電機技術, 2010,(2): 25-29.