西門子發電機早期故障診斷分析

華能邯峰發電廠 李西哲

關鍵字：發電廠；局部放電；端部繞組振動；轉子繞組匝間短路

1 前言

西門子發電機狀態診斷分為離線診斷和在線診斷。離線診斷的測量具體內容：停機前數據采集、專業工程師的可視檢查、絕緣電阻和極化指數、繞組直阻、直流充電電流和泄漏電流、直流耐壓、離線局部放電、介損試驗、靜子線棒和鐵芯之間的接觸電阻、貫穿螺栓的絕緣電阻、靜子鐵芯低磁通試驗、靜子鐵芯高磁通試驗、槽楔松緊度試驗、靜子端部繞組模態分析。轉子絕緣電阻、轉子繞組直阻、轉子繞組匝間短路試驗（RSO重復沖擊試驗）、離線轉子磁通試驗、阻抗試驗、磁極平衡、護環著色和超聲波檢查、其它部件的無損探傷試驗（軸頸、軸承殼、風扇葉片）。在線診斷又分為連續在線測量和定期在線測量。本文重點介紹連續在線測量。

局部放電和端部繞組振動本身具有偶發性、間斷性、低電壓、交叉耦合的工作屬性，對早期發現增加了難度，而西門子SIEMON plus在線監視系統可以有效地解決該問題，該系統可以將發電機、主變、高廠變和脫硫變局部放電的監視整體納入其中。目前，全球超過100臺西門子發電機裝有該系統，值得我們學習、借鑒。

2 局放類型和干擾源

發電機中的局部放電主要有繞組主絕緣內部放電(內部空腔、內部分層和“電樹枝”化)，端部放電（表面放電、相間放電和導電顆粒）及槽部放電(含槽部電暈)三種，都是由于局部強電場造成的，而弧光和火花現象是由于電流的中斷引起的，涉及到高能量和高溫度，將導致絕緣材料的快速劣化，產生瞬時脈沖，也能被局放檢測系統檢測到。

對于在線局放的測量，一個重要的挑戰是：繞組局放要避免受到電噪音或外部干擾的影響。由于電干擾脈沖的頻率和量級甚至大于靜子繞組的局放脈沖，而且鎖相到交流電源電壓信號，如果不能適當地加以抑制，或者試驗技師不能適當地鑒別什么是干擾、什么是靜子局放，就會存在誤判的風險，誤認為靜子存在嚴重的絕緣問題，而實際上其狀態良好，我們將其稱之為“假陽性”。

2.1 噪音和干擾源

依據國際標準IEC/TS－60034－27，噪音被定義為非靜子繞組脈沖信號，噪音也可能是局放檢測系統本身電子裝置產生的，例如熱噪音來自半導體裝置。噪音也可能來自無線電臺、無線發射機、手機、線路載波等，通過示波儀或過濾器，這些噪音信號很容易和局放脈沖信號區分開來。

干擾是持續時間較短的電脈沖,可能具有許多靜子繞組局放脈沖的特性，但事實上不是靜子繞組局放。一些干擾與交流周期分量同步，一些不同步。有時，依據相位角的位置，同步干擾脈沖能夠得到抑制。

同步干擾：電除塵器或套管放電引起的局放；使用電動工具，像弧焊、換向器火花（也可能不同步）；電子器件產生的瞬變現象，如變頻驅動電機、勵磁系統。這個干擾也可能和交流周期分量不同步；母線處連接不良（出現接觸火花）或旋轉電機的電源電纜連接不良；發電廠其它地方存在連接不良，出現接觸火花；連接到電動機/發電機出口部件上的局放，如封閉母線、電纜、開關和變壓器；電動機/發電機內部弧光或火花源頭，如靜子鐵芯層間火花。

非同步干擾：使用電動工具（弧焊、換向器火花）；電子器件產生的瞬變現象，如變頻驅動電機、勵磁系統；電機轉子上的滑環火花；機房天車電源滑線打火。

以上所列干擾源產生的電脈沖很容易和靜子繞組局放相混淆。為了降低靜子繞組“假陽性”顯示的風險，已經開發出許多方法以幫助用戶手動/自動隔離干擾信號。

2.2 干擾隔離

干擾隔離包括頻域隔離（HF:3MHz－30MHz、VHF:30MHz－ 300MHz、UHF:300MHz－300GHz）、時域隔離、時域和頻域隔離的結合、門閘隔離、手動/自動放電模式辨識隔離。部分屬于快速發展的領域，本文不做詳述。

3 發電機SIEMON plus在線監視系統

SIEMON plus在線監視系統具有四個功能：局部放電監視（PD）、端部繞組振動監視（EWV)、轉子繞組匝間短路監視（ISC）、關聯相關運行參數。

圖1 SIEMON plus監視縱覽

從圖中可以看出，SIEMON plus監視系統主要由采集單元（AU）、振動傳感器、磁通探頭、射頻電流轉換器（耦合電容）、服務器、上位機診斷系統和遠方控制診斷中心組成，同時，采集單元將故障信息上傳至DCS。采集單元（AU）有壁掛式和19英寸兩種型號可供選擇。服務器有獨立臺式機、18MF柜體（適用于19英寸采集單元）和便攜式電腦可供選擇，經光纖電纜連接到采集單元，實現了電隔離。一個服務器可同時連接20個采集單元并和上位機診斷系統形成一體化，實現遠方控制診斷。

3.1 局放在線監視

發電機每相安裝兩個局放傳感器，一個可選擇安裝在中性點柜體處，另一個安裝在遠離發電機出線端處，以采集定向的脈沖信息。局放傳感器的安裝和連接應注意：不能降低靜子繞組和出口母線的絕緣性能，而且要滿足帶電安全距離的要求。應滿足現場溫度、振動和短路瞬態的要求。安裝環境滿足污染和濕度標準的要求，以防止表面污染放電甚至閃絡。局放傳感器本身的連接端頭不能產生局放。局放傳感器以及連接端頭不能存在電磁感應線圈。連接到高壓端和接地端的局放傳感器的引線長度應盡量縮短，電感要低，尤其要注意連接質量，以防止振動引起的松動。局放測量裝置和傳感器之間采用光纖電纜連接，以防電磁噪音引入。

對局放量級或其他參數進行趨勢化處理時，機組的運行信息也應該自動采集并存儲，如靜子電流和電壓、有功功率/無功功率、繞組溫度（RTD）、一次水溫度、冷卻氣體的溫度和壓力、機內冷卻氣體濕度，這些信息對于隨后評估靜子繞組的狀態有指導意義。機組的運行信息是由多通道模擬數字轉換器（ADC）從電廠DCS系統采集并連接到SIEMON plus服務器，最終接入終端PC。

連續在線局放測量系統投運前，需要進行初始基準局放測量，它顯示的是絕緣系統的狀態，這就相當于發電機絕緣材料局放的“指紋”，是將來趨勢分析的基礎，其大小取決于絕緣材料的好壞。對于新投運發電機，最初的“指紋”是最好的，但需要注意的是：達到5000～10000運行小時數后，新繞組的局放通常會穩定下來。也就是說：隨著運行狀態的變化，新繞組的局放“指紋”數值可能比隨后的測量值高。

如果條件允許，在不同負荷和溫度條件下記錄局放的讀數。如圖二所示，可以被視為一個局放在線基準測量的典型例子，依據測量順序改變發電機運行工況，從點1開始增加負荷，從點3開始減負荷。

圖2 連續負荷和溫度狀態下，推薦的局放在線基準測量試驗步驟

（1）低負荷、熱穩態繞組局放測量；

（2）快速升負荷后，高負荷局放直接測量；

（3）高負荷、熱穩態繞組局放測量；

（4） 高負荷、無功明顯變化、熱穩態繞組局放測量；

（5）快速降負荷后，低負荷局放直接測量。

快速升負荷到達點2，快速降負荷到達點5后，應該立即進行局放測量。待溫度穩定下來后，應該進行點1、3、4局放測量，如果有功無法改變，則需改變無功，以提供最小的靜子電流變化。為了反映負荷變化對局放的影響，高低負荷的差值應為額定負荷的50%。發電機首次并網前，如果條件允許，在額定電壓和額定轉速下測量其局放，此時，局放僅受到磁場分布的影響，更容易發現絕緣隱患。

3.2 在線局放測量的分析解釋

局放通常是一個故障過程的征兆，而不是直接原因。詳細說明一個局放量的等級是不可能的，但可以確認該位置存在較高的絕緣故障風險。不管怎樣，利用各種信息對在線局放測量結果給出一個合理的解釋是完全可能的，這不僅包括在線局放測量數據，而且包括發電機的設計知識、維修記錄、可視檢查、各種離線試驗數據、運行狀態和專家經驗等。

通常，在線局放測量的分析解釋分兩步完成，第一，如果有絕緣問題，重要的是知道下一步的維修計劃安排；第二，如果顯示有明顯的局放行為，要通過詳細評估確定局放源頭。劣化程度和絕緣故障風險主要取決于局放的類型，關鍵是有正確的局放信息。

在線局放測量的分析解釋就是：依據初始“指紋”來評估局放參數隨時間變化的趨勢。局放脈沖的量級Qm（V）、集成電荷、放電電流、放電時間（ToF）、二次率、局放功率、局放能量和統計量NQN，都可以被用作趨勢分析。通常，隨著時間的推移，如果繞組的狀態穩定，那么趨勢參數也表現穩定。如果發電機運行期間繞組劣化，Qm就會增加，如果一年內Qm成倍增加，說明繞組出現了明顯劣化。接下來通過離線試驗和可視檢查進一步確認。影響局放行為的主要運行因素包括：負荷狀態、運行方式、冷卻系統、內部環境狀態，不再詳述。

3.2.1 相控解析局放模式（PRPD）典型波形圖

相控解析局放模式的典型波形圖（見圖三），用于查找靜子繞組絕緣系統存在的缺陷。需要注意的是：下面未涉及到的局放波形圖也可能來自其它局放源，用戶應該綜合考慮各種因素，特別是在線測量時，可能出現不同局放模式的疊加，也可能出現形狀、頻率或其它特征的變化。

a)電源頻率

b)內部分層局放

c)槽內表面局放

d)相鄰導體的局放

e)相間局放

f)相間局放

g)端部繞組金屬物

圖3 相控解析局放模式的典型波形圖

在線測量期間，檢測到的局放模式可能和上圖相比較有偏差，但大體可以判斷：

如果局放脈沖主要出現在電壓波形的負半波范圍內，而且量級Qm（V）較大（見圖三c）），原因：槽內線棒振動，造成線棒松動，損壞槽內導電涂層。通常負荷較高時更明顯。

如果局放脈沖主要出現在電壓波形的正半波范圍內，而且量級Qm（V）較大，原因： 估計局放點位于或靠近銅導線，而且主絕緣和銅導線之間粘接出現松脫（見圖三d）），對于多匝線圈，有可能是匝間絕緣和主絕緣之間粘接出現松脫。

如果局放脈沖出現在電壓波形的正、負半波范圍內，而且量級Qm（V）相同（見圖三b）,e),f),g）），原因：估計局放點是端部繞組的表面放電，或者主絕緣內部空腔或層離放電。

請注意圖三 e),f)，如果發生相間局放，在某一相檢測到的局放會傾向于右移（接近電壓波形零點），相反，在另一相檢測到的局放會傾向于左移（接近電壓波形峰值點）。

在線測量期間，可能出現非同相交叉耦合的情況，從而對局放模式產生明顯影響，通常使單個局放源的鑒別復雜化。

內部空腔放電。在主絕緣內留有一個氣隙，它們是制造過程中產生的，并不表明絕緣老化。正常情況下，內部放電不會導致明顯老化。其PRPD模式波形圖主要特征是：正、負局放對稱，且呈現圓形。

內部分層放電。在主絕緣內留有一個縱向細長的氣隙。產生的原因：過熱或嚴重機械應力，導致主絕緣層的大面積層離。其PRPD模式波形圖主要特征是：正、負局放對稱，且呈現三角形。

導體和主絕緣之間的分層放電。在主絕緣和高壓銅導體之間留有一個縱向細長的氣隙。產生的原因和內部分層放電的原因相同。此種缺陷一側為銅導體，另一側為絕緣，其PRPD模式波形圖也不對稱，負局放在幅值和數量大于正局放。

槽部局放。位于靜子線棒外表面和槽部鐵芯之間氣隙處，產生的原因：防電暈涂層（OCP）缺失；線棒外表面和槽部鐵芯之間出現電接觸，線棒和鐵芯表面之間的銹垢是長時間處于槽部局放環境所造成的。此種缺陷一側為線棒絕緣，另一側為鐵芯，相應的PRPD模式也不對稱，正、負局放次數相同，正局放偏大，幅值大小約為1：3，圖形呈現三角形。但應注意：其PRPD模式的不對稱性可能不明顯，這是因為導電表面的電阻變大，而絕緣表面的導電性變強。

端部繞組放電。分為電暈、表面跟蹤放電和間隙型放電。如果磁場分級系統不合適，槽部涂層和端部應力分級涂層的交接處就會發生電暈，導致局部電磁應力偏高，電暈長期侵蝕會導致絕緣劣化，相對應的PRPD模式不對稱，正局放明顯大于負局放，圖形呈現園形。其次，絕緣表面受到污染，沿著端部繞組懸垂部位就會出現表面跟蹤放電，其具有偶發性，主要受溫度和濕度的影響。最后，在端部繞組懸垂部位兩個線棒之間，或者靜子鐵芯壓指和某個線棒之間會發生間隙型放電，最終導致絕緣劣化，相對應的PRPD模式的主要特征：幅值相對恒定的水平局放云，在電壓正、負半波范圍都會出現。

當具備條件時，為了確保PRPD模式鑒別的真實性，應進行可視檢查以便于驗證。PRPD模式是一個有用的工具，但是，用戶應注意外部因素的影響，有時，多種局放模式的疊加、相間和噪音的交叉耦合對PRPD影響很大，使鑒別變的很困難。

3.3 端部繞組振動在線監視

引起端部繞組振動的原因包括：靜子鐵芯以二倍頻振動（鐵芯橢圓）；端部繞組所受的電動力；軸和軸承振動；相間短路、雷擊和非全相運行。端部繞組振動造成的危害：整體裝配松動，受影響部件的摩擦和破裂。

端部繞組振動傳感器采用12-16芯光纖加速度傳感器（FOA），汽、勵兩側各布置6-8個傳感器。靈敏度：100mV/g。測量范圍：0～40g。傳感器的安裝位置充分考慮了離線模態分析（敲擊試驗）。

端部繞組振動檢測分析：同時采集16個通道的數據，振動測量單位μm。能夠實現快速傅立葉轉換（FFT）?？蓪?0/60、100/200HZ和任選諧波加入到振動趨勢中。振動趨勢可以關聯運行參數（如有功、無功功率等）。實現端部繞組動態評估并確定其變化趨勢?？梢暬闹螆D和旋轉瓣圖（模態插入MIW）。

振型的的模態插入：振動傳感器安裝在端部繞組的中間部位或繞組過線連接處，同時記錄所有的測量信號。振動傳感器的測量方向為徑向。從而實現：在線模態分析；旋轉和靜止振動方式的可視化；端部繞組結構的機械狀態顯示在振動趨勢中，同時關聯了機組運行參數。見圖四、圖五、圖六。

圖4 在線模態分析

圖5 振動趨勢

3.4 轉子繞組匝間短路在線監視

匝間短路的原因：匝間絕緣相對移動引起的老化，主要是層間絕緣錯位和層間絕緣失效；污染（氯化銅）引起的層間導體短路；轉子端部支撐塊的松動引起繞組扭轉變形。

圖6 關聯機組運行參數

實施背景：汽輪發電機轉子受到機械力、電磁力和熱應力的共同作用，經數年運行后有故障損壞的風險，電氣故障包括匝間短路、線匝短路和繞組對地短路。

造成的后果：磁場強度降低，從而需要增加勵磁電流進行補償，同時造成溫度分布不對稱。磁場變形引起轉子受力不對稱。轉子振動增加，發電機效率降低。

匝間短路在線檢測分析：在靜、轉子之間氣隙處裝有磁通探頭用于監視轉子繞組磁通量，通過極與極的磁通量比較進行評估，可以顯示轉子繞組匝間短路槽的具體位置。采用100 KHz采樣頻率，24位分辨率。

4 案例

2015年6月份2號發變組局放監視系統后臺診斷中心（PDC）發出報警，信息發至技術人員，分析顯示：部分負荷運行時才有局部放電，并和溫度和震動有關。PRPD模式和波形發生不規律變化，不能確定局放特征，但可以排除靜子繞組局放的可能性。

放電時間（ToF）測量顯示局放源頭來自發電機內部而非外部設備，可能的部件是出線套管。機組停運后，離線局放試驗證實：局放點位于出線套管。更換出線套管后局放行為消失。隨后解體出線套管發現：無頭接地螺栓接地效果不好是造成本次缺陷的原因(圖七)。

圖7 無頭接地螺栓局放

5 結論

陳述的內容屬于國外電氣設備檢測及管理新技術（在線監測、絕緣老化與壽命評估、故障診斷、帶電檢測）。SIEMON plus在線監視系統可以連續監視發電機的運行狀態；實時提供端部繞組承受的熱應力信息；幫助優化發電機檢修計劃，縮短檢修時間，避免非計劃停運，是狀態檢修的“好幫手”。大量的實例圖片未在本文體現，但其具有廣泛的代表性，對發電機故障的定性具有現實指導意義。