抽水蓄能電站發(fā)電電動機定子局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)選型及應用總結

吳建輝，潘 凌，孫曉霞，凌海濤

（1.北京華科同安監(jiān)控技術有限公司，北京市 100041；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；3.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

目前我國已是世界上抽水蓄能裝機容量最大的國家。抽水蓄能電站作為電網(wǎng)綜合輔助管理工具，以水能轉換為載體，通過提供系統(tǒng)儲能服務和多工況調度運行，在電網(wǎng)中承擔調峰、填谷、調頻、調相、事故備用、黑啟動等任務，已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)重要的穩(wěn)壓器、調節(jié)器和存儲器。隨著風電、光伏等新能源快速發(fā)展，可再生能源的存儲需求急劇增加，抽水蓄能電站的綜合優(yōu)勢更加突顯。

隨著近年抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用越來越大，設備利用小時數(shù)急劇上升。但由于抽水蓄能機組的運行特點和常規(guī)水電機組不同，受啟停頻繁、工況變化迅速、轉速高等因素影響，定子絕緣更容易遭受破壞，因此及時掌握定子在線絕緣狀況變得更加突出。

定子絕緣失效前會有多種物理現(xiàn)象呈現(xiàn)[1]，例如，電信號（電弧、電暈、閃絡）、聲音、光、熱、氣體（臭氧）等。在線監(jiān)測是為了在機組運行時捕捉到這些物理現(xiàn)象，從而推斷定子絕緣狀況。目前局部放電在線監(jiān)測都是通過電氣測量方法得到的結果。

1 定子局部放電在線監(jiān)測技術概況

目前國外在發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測技術方面已經(jīng)有大量研究，也有眾多在線監(jiān)測系統(tǒng)在實際應用。IEEE和IEC近些年也都相繼制定了旋轉電機定子局部放電監(jiān)測方面的相關導則，從局部放電的相關理論、技術、安裝方法和數(shù)據(jù)分析等方面做了詳細的闡述。

國內(nèi)也有部分高校和科研單位在進行相關技術研究，但在相關技術上沒有新的突破。國際標準GB 7354仍以舊的IEC 60270為主體，并沒有國家層面的局部放電在線技術導則發(fā)布。在抽水蓄能機組和水電機組上，在線監(jiān)測產(chǎn)品及應用較好的仍以國外技術居多。

1.1 局部放電定義

局部放電的簡稱是局放，英文名稱partial discharge（PD），其定義為：導體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電（見GB 7354）。由于電弧放電和火花具有高能量和高溫特點，代表絕緣正在迅速惡化或者事故前較短時間內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，因此目前IEC和IEEE都將這兩種放電單獨定義，以區(qū)別于常見的局部放電。

1.2 局部放電分類

典型的局部放電按定子絕緣發(fā)生的部位可分為絕緣內(nèi)部、槽內(nèi)放電（定子槽內(nèi)線棒表面）和槽外放電（定子槽外線棒表面）[2]。

這些典型的局部放電都具有能量低、放電為脈沖電流（非持續(xù)電流）的特征。目前大多數(shù)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)都以監(jiān)測這些放電為目的，通過這些特征的放電可以發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)早期問題，在絕緣惡化前做出相關措施，避免擊穿造成短路事故。而火花放電或者電弧放電往往意味著絕緣已經(jīng)嚴重惡化，瀕臨擊穿狀態(tài)。

1.3 監(jiān)測技術

1.3.1 傳感器

傳感器總體分電容式、電感式、天線式三大類。電容式傳感器屬接觸式，根據(jù)技術的不同安裝在高壓側和中性點處。高壓側通常選用的電容值越小越好[3]，這樣可以獲得較高的信號頻率；而中性點處由于信號經(jīng)定子線圈和鐵芯的阻尼作用，無法獲得較高的信號頻率，因此通常采用的電容值較大，以獲得中低頻部分信號。電感式傳感器屬于非接觸式，通常安裝在中性點，主要由羅柯夫斯基（Rokowski）線圈構成，這種傳感器由于是電感式的，因此截獲的信號頻率最低，通常在20kHz～2MHz范圍內(nèi)，中心頻率低于1MHz。

1.3.2 頻率

局部放電產(chǎn)生的放電電流是一個上升時間只有幾納秒的脈沖信號，其能量主要集中在高頻部分，但由于定子繞組對于高頻電路來說是一個復雜的模型，信號在傳輸過程中會衰減畸變、反射和交叉耦合[4-5]。

各種局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的頻率差異很大，主要跟傳感器的選擇、安裝的部位、采用的技術有關。

電容式傳感器直接接在電氣回路上，其回路模型等效于RC電路，通常都采用50Ω阻抗的同軸信號電纜（可傳輸上GHz信號），因此系統(tǒng)的截止頻率（3dB時）其實由電容值的大小決定，例如80pF電容器對應RC電路截止頻率是40MHz，1000pF電容對應的截止頻率是3MHz，而10nF電容對應的截止頻率就低至300kHz。

天線式傳感器有代表性的是定子槽耦合器SSC（Stator Slot Coupler）和測溫電阻傳感器[6]，特點是信號傳輸頻率高，帶通較寬，非接觸式測量信號。但由于采用非接觸方式，因此只能捕捉到放電產(chǎn)生的電磁輻射信號，根據(jù)輻射隨距離衰減較快的特性，需要將傳感器布置在離放電點較近的位置，且信號引線不能過長，以保證獲得較高的信號幅值。缺點是只有傳感器數(shù)量足夠多才能捕捉到較全面的定子絕緣放電信號，這樣勢必造成成本的急劇上升。

1.3.3 抗干擾技術

局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)目前大多以測脈沖放電信號為主，但很多實際應用效果往往不理想，一個很重要的因素是現(xiàn)場噪聲干擾影響太大，很難獲得真正的局部放電信號[7]。

干擾在時域上可分為連續(xù)的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪聲三類。本文主要介紹脈沖型干擾特點和抗干擾措施。脈沖型干擾包括：發(fā)電機外部的電暈放電；高壓開關、可控硅整流設備閉合和開、斷引起的干擾；試驗線路或者臨近處的接地不良引起的干擾；浮動電位物體放電引起的干擾；設備的本機噪聲和其他的隨機干擾。這類干擾在時域上都是持續(xù)時間很短的尖脈沖信號，具有與局部放電相似的時域和頻域特征。這些干擾進入發(fā)電機的路徑主要有：勵磁系統(tǒng)、母線或者中性點引線、電磁輻射。

抑制干擾利用這些干擾在頻域和時域上與局部放電脈沖信號的雙重差異進行抑制。在頻域上選擇合適的頻率范圍將非局部放電信號進行過濾，再通過時域特點將定子外部的類似局部放電脈沖信號進行過濾。

2 抽水蓄能發(fā)電電動機定子局部放電選型方案

2.1 傳感器選擇

局部放電在線監(jiān)測應以著重解決發(fā)現(xiàn)絕緣早期的問題為目的，因此傳感器選擇應以獲得原始脈沖放電信號和減少失真為原則。根據(jù)頻率特點，應盡量選擇工作頻率較高的傳感器，盡管定子槽傳感器SSC工作頻率較高，但考慮獲得較高的信號幅值和相對較高的工作頻率，宜選擇80pF小電容傳感器。不排除未來電容式傳感器設計上電容再變小的可能，但目前80pF電容值最小，且工作頻率高。

傳感器的絕緣性能設計應高于定子線棒絕緣，否則安裝傳感器將帶來風險。傳感器的材料應選擇電氣性能優(yōu)良的絕緣材料，且運行時自身不能發(fā)熱。

2.2 傳感器的安裝位置

為了獲得較大的局部放電信號幅值，傳感器應盡量安裝在放電發(fā)生部位附近。但由于定子尺寸較大，無法預知什么部位會發(fā)生放電。根據(jù)概率分布，高壓部位發(fā)生放電的概率必然大于低壓部位和中性點附近，因此傳感器適宜安裝在電壓最高的區(qū)域。另外，由于原始脈沖放電信號中高頻信號成分較多，高壓側的信號經(jīng)定子繞組傳輸?shù)街行渣c后高頻部分會被衰減（距離較遠）和抑制（定子的電感特性），因此傳感器適宜裝在高壓出線側，不適合安裝在中性點。條件允許的情況下應在每個并聯(lián)分支都安裝傳感器，這樣可精確掌握到每分支的絕緣狀況。目前80pF電容傳感器的使用材料和定子線棒絕緣材料一致，且其云母層比線棒中的云母累積厚度高幾十倍，因此使用比較安全。

2.3 在線監(jiān)測設備的選擇

在線監(jiān)測設備的選擇要綜合考慮頻率、傳感器的選擇、安裝位置、抗干擾技術等因素。在頻率選擇上，應選擇工作頻率高的為宜。目前工作頻率最高的在線監(jiān)測設備是40～350MHz范圍。高頻監(jiān)測所對應的傳感器以電容方式為宜，且電容越小對原始局放信號失真越小，目前電容值最小的是80pF。安裝位置應盡量靠近放電發(fā)生點，從概率分布角度考慮，應選擇離高壓側線棒最近的匯流上，且每分支都有最佳。抗干擾技術也是很關鍵的一個環(huán)節(jié)，在線監(jiān)測設備應具有硬件上的自動抗干擾技術，能自動區(qū)分脈沖放電發(fā)生在定子還是發(fā)電機外部。

目前IRIS公司的HydroTrac（含新一代的HydroTracⅡ）系統(tǒng)在國內(nèi)抽水蓄能電站和水電機組上廣泛應用，各項技術指標最先進，且取得了一定效果。

3 在抽水蓄能機組上的應用案例

3.1 線棒松動

某電站安裝了HydroTrac系統(tǒng)，其中3號機組在實際運行測試中發(fā)現(xiàn)A相U12分支正放電隨負荷呈平方規(guī)律上升，而負放電基本保持不變，A相U11分支正、負放電均無隨負荷迅速增長的規(guī)律，具體數(shù)值見表1。從三個負荷（50%、75%和100%）下對應的放電二維圖（放電幅值和次數(shù)）也可看出，正放電隨負荷變化明顯（向坐標軸右上角偏移），見圖1～圖3。該機組在停機后檢修期間排查發(fā)現(xiàn)部分線棒有松動，與在線監(jiān)測分析結果一致。經(jīng)處理后U12分支此規(guī)律消失。

表1 A相放電隨負荷變化情況Tab.1 PD of phase A with different load

圖1 50%負荷下放電二維圖Fig.1 50% load PHA plot

圖2 75%負荷下放電二維圖Fig.2 75% load PHA plot

圖3 100%負荷下放電二維圖Fig.3 100% load PHA plot

淺析：由于不同材料在電場作用力下丟失和捕獲電子能力不同，因此在局部放電中往往會表現(xiàn)出正、負放電差異較大的現(xiàn)象。根據(jù)這些可判斷放電發(fā)生的部位，從而推斷定子絕緣的相關缺陷。正放電突出代表了絕緣表面的放電，常見的是槽內(nèi)線棒表面和鐵芯間的放電。這種放電是因線棒表面和鐵芯間有間隙，有電壓差，形成放電。上下層線棒在運行時受切向和徑向作用力，研究表明上下層線棒間的相互作用力最大，大約是切向作用力的十幾倍。線棒在磁場中的作用力和線棒電流呈正比（電壓固定時），而負荷跟電流的平方呈正比，因此正放電隨負荷呈平方關系上升時意味著線棒松動。

3.2 定子臟污影響

某電站加裝了局部放電在線監(jiān)測裝置（基建時已安裝傳感器）后發(fā)現(xiàn)剛開機時局部放電較小，低于50mV，一小時內(nèi)局部放電呈爬升規(guī)律，然后逐漸趨于穩(wěn)定，超過900mV。初步判斷和定子溫升有關系，于是分別對4臺機進行試驗，發(fā)現(xiàn)所有機組都有相同規(guī)律，即局部放電與定子溫度呈正比關系，溫度上升，局部放電上升。從圖4和圖5可以看出兩者變化規(guī)律完全一致。

圖4 某定子局放開機后趨勢圖Fig.4 1 hour PD trend after startup

圖5 某定子開機后線棒溫度趨勢圖Fig.5 1 hour temperature trend after startup

淺析：正常情況下局部放電隨定子溫度上升呈下降趨勢，其機理是由于分布在絕緣系統(tǒng)中小的氣隙會隨溫度上升而較小，而這些氣隙間的脈沖放電會減弱或者消失。然而，并非所有的放電都具有這樣的物理特性。當出槽口外線棒高阻漆段表面有臟污時，這些臟污通常是油污混合碳粉或者金屬顆粒，這些材料附著在絕緣表面，會引起表面電阻率變化，呈現(xiàn)溫度上升電阻率變小的趨勢。因此這種機理的放電會隨溫度上升而增加。

3.3 螺桿感應放電

某廠新定子投運后發(fā)現(xiàn)C相放電高達2500mV以上，而同類型早一年投產(chǎn)的另一個新定子放電只有50mV以內(nèi)。該新定子C相放電水平竟高于更換前的舊定子放電水平，放電相位圖如圖6所示，放電發(fā)生在一三象限，且呈帶狀分布。經(jīng)多次排查傳感器、信號線、監(jiān)測裝置等均無變化，停機時做離線局放試驗仍發(fā)現(xiàn)C相放電異常偏大。經(jīng)多次試驗和排查最終發(fā)現(xiàn)一懸浮螺桿感應交變磁場電壓后電位高達500V，其對下方二次線金屬槽盒間距過小（大約0.2mm），造成放電。增加兩者間隙后，放電消失，整體放電水平接近同類型另外一臺新定子。

圖6 某定子C相放電相位圖Fig.6 Phase C PPA plot

淺析：盡管懸浮螺桿沒有接在導體回路內(nèi)，但定子模型可看作由多個復雜的分布電容構成。導體、絕緣板、懸浮螺桿、金屬槽盒和地之間形成多個串聯(lián)電容回路，該回路放電脈沖信號可旁路到就近C相80pF電容器所在的回路，從而被系統(tǒng)捕獲。此類放電明顯區(qū)別于絕緣系統(tǒng)中以45°相位和225°相位為中心的特征放電。

4 關于在線監(jiān)測系統(tǒng)常見的一些問題

4.1 與離線測試的區(qū)別

局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)受工作頻率、工作環(huán)境、干擾等因素影響，其測試結果不適宜用pC表示或者標定，而離線局部放電測試結果可用pC表示和標定；在線局部放電監(jiān)測的結果可作為絕緣評估的手段，由于和離線測試的測量原理和方法不同，兩者結果可互相參考和補充，但不宜做唯一的依據(jù)[8]。例如，在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)相間缺陷較為容易，而離線測試就相對困難。

在線局部放電監(jiān)測的目的是發(fā)現(xiàn)絕緣潛在的隱患或者惡化趨勢，而離線局放測試往往是定量判斷絕緣的好壞程度，兩者目的不沖突，也不能互相替代。

4.2 認識不足

對于在線局部放電監(jiān)測往往有兩種錯誤的認識。一種是過于神化該系統(tǒng)的作用，認為只要是“放電”，系統(tǒng)就應該有所反映或者記錄，忽略了每種產(chǎn)品都有其工作特點和設計考慮，沒有一個產(chǎn)品是萬能的。另一種錯誤的認識是無用論，往往因為某一個問題在線監(jiān)測系統(tǒng)沒有反映出或者捕捉到，從而就否定其可用性。這兩種思想在行業(yè)內(nèi)目前普遍存在。

4.3 缺乏專業(yè)分析

在線局部放電監(jiān)測由于產(chǎn)品眾多、技術多樣化、沒有統(tǒng)一標準，對于電廠相關技術人員來講，很難全面掌握該領域相關技術，也給分析帶來困難。在實際工作中，經(jīng)常碰到電廠技術人員對數(shù)據(jù)分析一頭霧水，無從下手，一方面反映了對設備工作原理的掌握不夠，另一方面也反映了缺乏專業(yè)的技術培訓和使用經(jīng)驗。因此，充分利用好局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)離不開專業(yè)技術人員的配合。

5 結束語

隨著電子技術、信息技術、人工智能技術的發(fā)展，未來局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)會朝著寬頻帶，高采樣率，智能診斷，智能識別故障等方向發(fā)展。在線監(jiān)測系統(tǒng)將綜合目前已獲得的經(jīng)驗及相關數(shù)據(jù)模型自動分析判斷，自動得出結論，將會給電廠管理和維護帶來很大的方便。