局部放電監(jiān)測系統(tǒng)在大型高壓電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

王 暉

（林德工程〈杭州〉有限公司工程中心，浙江 杭州 310012）

大型高壓電動(dòng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，往往一臺(tái)電機(jī)故障就可以影響整個(gè)裝置的投用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而電機(jī)故障中定子絕緣問題所占比列較高，因此對(duì)定子絕緣進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)了解絕緣情況，在絕緣劣化嚴(yán)重時(shí)提前采取措施就很有意義。常規(guī)的絕緣監(jiān)測方法包括目視檢查、絕緣電阻試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)等，這些檢驗(yàn)需要周期性的停機(jī)，影響生產(chǎn)的連續(xù)性；耐壓試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，影響電機(jī)絕緣的壽命。而局部放電監(jiān)測作為一種評(píng)價(jià)絕緣優(yōu)劣的靈敏方法，其在線性、安全性和絕緣分析的準(zhǔn)確性為人所知，因此局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用也必然越來越多[1]。

1 高壓電動(dòng)機(jī)定子繞組局部放電及絕緣損壞過程

局部放電即導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電，在絕緣系統(tǒng)中局部場強(qiáng)隨著電壓的升高而升高，當(dāng)超過該部位的擊穿場強(qiáng)時(shí)，就發(fā)生局部放電現(xiàn)象[2]。高壓電動(dòng)機(jī)定子繞組都有一些局部放電現(xiàn)象，但是受工業(yè)環(huán)境中電、熱、機(jī)械應(yīng)力及環(huán)境因素的影響，繞組的絕緣性能出現(xiàn)下降，放電現(xiàn)象也明顯嚴(yán)重起來，因此局部放電通常是絕緣缺陷的征兆而不是直接的故障原因，這樣通過測量、分析局部放電數(shù)據(jù)便可以了解繞組的絕緣情況。

2 局部放電的監(jiān)測方法

2.1 中性點(diǎn)耦合監(jiān)測法

對(duì)于星型聯(lián)接并設(shè)置中性點(diǎn)接地線的定子繞組，由于中性點(diǎn)對(duì)地電位低，電機(jī)內(nèi)任何部位的局部放電都會(huì)在中性點(diǎn)接地線上產(chǎn)生相應(yīng)的射頻電流，因此可通過在中性線上設(shè)置貫穿式射頻電流互感器檢測這部分信號(hào)。互感器將測得的信號(hào)送至射頻監(jiān)測器，由監(jiān)測器記錄并分析電流的時(shí)域或頻域特性，以此來判斷局部放電的強(qiáng)弱。較早的美國西屋公司RMF系統(tǒng)、美國AEP公司CSR-200系統(tǒng)都是采用這種監(jiān)測方法，其優(yōu)點(diǎn)是安裝、維護(hù)簡單，缺點(diǎn)是靈敏度較低、易受接地網(wǎng)中的噪音影響且難以區(qū)分運(yùn)行中的噪音信號(hào)，因而使用范圍受到限制。

2.2 電機(jī)引出線耦合監(jiān)測法

此方法通常在電機(jī)引出線上并聯(lián)安裝一組耦合電容器，每相一個(gè)，通過電容器檢測局部放電的高頻信號(hào)，再送至監(jiān)測器記錄分析。較早采用的電容器一般為375～1000pF，雖然其響應(yīng)頻帶好，但因容量較高而體積偏大，信號(hào)的信噪比也不夠理想，之后改用80pF的電容器，其頻帶降為40～350MHz，這樣更多的高頻有效信號(hào)將被過濾出來，信噪比也隨之提高。若外部噪音較高，還可在上級(jí)饋電設(shè)備引出線上安裝另外一組耦合電容器，因電機(jī)內(nèi)部信號(hào)與外部信號(hào)到達(dá)兩組電容器的先后順序不同，這樣外部噪音信號(hào)便可以被區(qū)別出來并加以濾除。奧地利OMICRON公司的OMS-600系統(tǒng)、加拿大IRIS公司的TGA-B系統(tǒng)是這種方式的代表。相較于射頻電流互感器，電容器有低阻高通的特性，因此信噪比可以明顯提高，但是電容器與電機(jī)高壓帶電端直接連接且體積較大，安裝維護(hù)工作相對(duì)復(fù)雜。

2.3 槽耦合器（SSC）監(jiān)測法

對(duì)于內(nèi)部噪音較大的電機(jī)，以上監(jiān)測方式無法有效區(qū)分局放信號(hào)與內(nèi)部噪音。加拿大IRIS公司通過研制，推出了安裝于定子槽內(nèi)的特制傳感器-定子槽耦合器（SSC）。SSC由環(huán)氧樹脂及玻璃合成層壓板制成，每個(gè)厚約2mm，與定子槽等寬，長度最短可修剪至53cm，成薄片狀。內(nèi)嵌的SSC能夠更加靈敏的獲得電機(jī)內(nèi)部的噪音信號(hào)與局放信號(hào)，且SSC在頻率從10～1000MHz范圍內(nèi)都有相當(dāng)好的響應(yīng)，因此能夠監(jiān)測到更加真實(shí)的局放信號(hào)脈沖波形。與SSC配套的TGA-S局放儀能夠?qū)y定的脈沖進(jìn)行逐個(gè)檢查，并根據(jù)脈沖的特性區(qū)分出噪音信號(hào)及脈沖信號(hào)——局放脈沖是單極性的、無擺動(dòng)的、上升時(shí)間快且頻率很高的脈沖，噪音信號(hào)是擺動(dòng)的且上升時(shí)間慢的脈沖。SSC監(jiān)測法區(qū)分噪音的能力強(qiáng)，靈敏度也很高，但是要求埋置專用的耦合器，成本較高，所以有一定局限性。

2.4 電阻式測溫元件監(jiān)測法

以埋置在定子槽內(nèi)的電阻式測溫元件（RTD）作為局部放電傳感器的監(jiān)測方法。這種方法不需要安裝額外的傳感器，對(duì)電機(jī)現(xiàn)有回路的影響最小，附加成本也最低。其原理與SSC有相似之處，靈敏度與信噪比也很高，是一種很有發(fā)展前景的監(jiān)測方式。下文介紹的美國Eaton公司的InsulGard系統(tǒng)使用了這種方法。

3 InsulGuard裝置的應(yīng)用

3.1 InsulGuard裝置簡介

InsulGuard裝置是美國Eaton公司研制的世界上第一套能夠?qū)Σ煌袎涸O(shè)備進(jìn)行在線的、連續(xù)的、預(yù)警性的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測所有4kV及以上電壓等級(jí)的電力設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、開關(guān)柜、電纜等，對(duì)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的免維護(hù)和狀態(tài)檢修具有革命性的意義。

針對(duì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，InsulGuard裝置由以下部分組成：

（1）硬件部分包含的元器件：

RTD模塊-局部放電信號(hào)中轉(zhuǎn)器

耦合電容-局部放電信號(hào)傳感器

負(fù)載電流互感器

溫度傳感器

濕度傳感器

監(jiān)測分析主機(jī)

所有的連接線纜

（2）軟件部分包含的功能：

選擇裝置

圖表分析和報(bào)告

數(shù)據(jù)通訊

系統(tǒng)設(shè)置

3.2 InsulGuard裝置工作原理

InsulGuard裝置采用的傳感器就是上文介紹的耦合電容傳感器和電阻測溫元件傳感器，由于局放信號(hào)在電機(jī)傳播過程中會(huì)衰減，信號(hào)的頻率越高噪音越小，但是衰減越大，這樣就需要在衰減和噪音兩方面綜合考慮來選取最佳測量頻率。不同的傳感器有不同的頻率響應(yīng)范圍和針對(duì)電機(jī)不同位置的特定靈敏度，因此組合的傳感器就可以提供局放分析的足夠信息。

3個(gè)輔助性傳感器，溫度、濕度、負(fù)載電流提供局部放電信號(hào)和電機(jī)運(yùn)行環(huán)境之間的相互關(guān)聯(lián)情況，是進(jìn)一步辨認(rèn)缺陷種類的重要信息。

監(jiān)測分析主機(jī)通過傳感器定時(shí)的測量局放信號(hào)，每一次測量都會(huì)在每個(gè)頻道上獲取相位分辨數(shù)據(jù)，即相位矩陣：21個(gè)幅值大小間隔（3.5dB/間隔）和 24 個(gè)相位窗口（15 度/窗口），并計(jì)算如下參數(shù):PDI（局放強(qiáng)度），Qmax（局放幅值最大值），PPC（每一周期的脈沖數(shù)）及各參數(shù)的發(fā)展趨勢。以上信息就是分析局部放電及絕緣狀況的依據(jù)。

3.3 InsulGuard裝置的安裝和使用

耦合電容器一般安裝于電機(jī)的主接線盒中，與出線電纜并聯(lián)連接在出線銅排上，電容器之間、電容器與別的導(dǎo)體之間的間距應(yīng)大于125mm，電容器上的接地金屬片應(yīng)可靠接地，電容器測得的局放信號(hào)通過同軸電纜連接至監(jiān)測分析主機(jī)。

RTD模塊的安裝工作就是將RTD信號(hào)端子盒內(nèi)的端子排替換成InsulGuard專用的電阻式測溫器模塊，再使用同軸電纜將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)引至監(jiān)測分析主機(jī)。

負(fù)載電流互感器分兩種，按需選擇一種即可，直徑較大的為一次互感器，可穿在主接線盒內(nèi)電纜或銅排上；直徑較小的為二次互感器，應(yīng)穿在電機(jī)原有電流互感器的二次線上。溫度、濕度傳感器可使用專用雙面膠帶固定于主接線盒內(nèi)壁。以上信號(hào)分別引至監(jiān)測分析主機(jī)。

考慮到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)，監(jiān)測分析主機(jī)不應(yīng)直接安裝在電機(jī)上，可選擇安裝在電機(jī)混泥土基礎(chǔ)上或臨近支架上。監(jiān)測分析主機(jī)上電后應(yīng)設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)：通訊地址、通道配置、報(bào)警值等，然后就可以定時(shí)采集局放數(shù)據(jù)，并利用以太網(wǎng)或Modbus-RTU網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)。通過計(jì)算機(jī)上的分析軟件處理后，工程師便可看到直觀的局放數(shù)據(jù)和局放趨勢圖，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)即可做出判斷；或者再經(jīng)由Internet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)包送至Eaton公司服務(wù)器，通過與數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)的比較，給出分析結(jié)果并反饋給客戶，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的在線局部放電監(jiān)測。

4 結(jié)語

綜上可知，由于大型高壓電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分重要的地位，為了減少非預(yù)期停車的概率，降低事故損失，縮短修復(fù)時(shí)間等問題，推廣局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是InsulGuard等優(yōu)秀產(chǎn)品的應(yīng)用至關(guān)重要。

［1］金旭明.局部放電在線監(jiān)測技術(shù)在高壓電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J].科技資訊,2013(11):12-13.

［2］蔣遠(yuǎn)東,陳慶國,王發(fā)興.大型發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].中國測試技術(shù),2012(2):134-135.