基于局部放電機(jī)理的大型發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測

京能秦皇島熱電有限公司 楊成余 魏廣鴻

本文在綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了發(fā)電機(jī)定子線棒放電的四種類型，并比較了三種局部放電典型放電特性。結(jié)合600MW發(fā)電機(jī)應(yīng)用的發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，推薦局部放電監(jiān)測電信號抗干擾方法，為準(zhǔn)確在線監(jiān)測提供參考。

引言：隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活越來越離不開電力，落后的高耗能機(jī)組不斷淘汰，發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量向600MW、1000MW等大容量過渡，其安全性越發(fā)顯得重要。發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣在運(yùn)行中要經(jīng)受電場力作用、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)作用和外部環(huán)境的影響，不可避免地受到損傷并在長期運(yùn)行中逐漸劣化。據(jù)不完全統(tǒng)計，發(fā)電機(jī)機(jī)組的75%故障集中于定子絕緣絕緣故障。局部放電監(jiān)測設(shè)備可以檢測這種劣化情況，并已經(jīng)在許多大型機(jī)組安裝并使用，積累了豐富的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，幫助故障診斷，提前給出警報，指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)部門制定有效的檢修計劃，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大的意義。

1.大型發(fā)電機(jī)定子局部放電監(jiān)測現(xiàn)狀

發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測,根據(jù)聲、光、電等局部放電所產(chǎn)生的現(xiàn)象，相應(yīng)地開發(fā)出多種的測量方式。電測量方法通過測量介質(zhì)損耗的增大、脈沖電流、電磁波輻射等局部放電的電信號實現(xiàn)；非電量方法基于非電信號的變化來實現(xiàn)，例如光、熱、超聲波、氣體壓力的變化和由局部放電產(chǎn)生的化學(xué)變化。電脈沖法監(jiān)測局部放電的靈敏度遠(yuǎn)高于其他監(jiān)測方法，成為當(dāng)前主流。電測量方法類局部放電在線監(jiān)測在國內(nèi)外有六種代表性方法: 定子線槽微帶天線的槽耦合器法、發(fā)電機(jī)中性點射頻監(jiān)測和耦合法、發(fā)電機(jī)出線的電容耦合法、發(fā)電機(jī)出線側(cè)方向傳感器和中性點電流傳感器相結(jié)合的檢測方法、測溫元件引線射頻監(jiān)測方法以及將射頻天線安裝在發(fā)電機(jī)外殼上的檢測方法。

2.局部放電機(jī)理

絕緣系統(tǒng)在電場作用下，局部區(qū)域發(fā)生放電，并且在施加電壓的導(dǎo)體之間沒有穿透，即為局部放電現(xiàn)象。大型發(fā)電機(jī)定子有四種主要的放電類型：定子線圈股線斷裂引起的電弧放電、內(nèi)部放電、槽間放電和端部放電。其中絕緣內(nèi)部放電、線槽間放電和線棒端部放電可以概括為局部放電。電弧放電非常強(qiáng)烈，不再是局部放電，放電機(jī)理也不同于局部放電。

2.1 內(nèi)部放電

內(nèi)部放電發(fā)生在發(fā)電機(jī)定子主絕緣層中間、絕緣體與條形線棒之間或絕緣層與防暈材料之間的氣泡、氣體間隙里。這些氣隙和氣泡或是由于在制造期間或在發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱和機(jī)械應(yīng)力的組合引起的絕緣分層和破裂而產(chǎn)生的。當(dāng)外施電壓超過氣體間隙或氣泡所能承受的穩(wěn)定電壓時，氣體間隙和氣泡被擊穿放電，稱之為內(nèi)部放電。在未達(dá)到氣體間隙擊穿電壓時，氣體間隙上的電壓隨施加的電壓而變化，當(dāng)達(dá)到氣體間隙擊穿電壓時，氣體間隙放電并形成大量的空間電荷，實際電壓減小，放電暫停，然后氣體間隙上的電壓又隨外部的施加電壓變化而變化，直至達(dá)到擊穿電壓，氣體間隙再次放電。通常絕緣介質(zhì)的內(nèi)部放電不會在施加電壓過峰值的相位中發(fā)生，并且放電主要發(fā)生在所施加電壓的幅值絕對值上升部分。

2.2 端部放電

定子線棒槽處的電場屬于套管式結(jié)構(gòu)，在眾多發(fā)電機(jī)定子絕緣故障中，端部放占據(jù)較大比重。定子繞組端部水電接頭連接處的絕緣需要純手動處理，質(zhì)量因人而異，控制困難。當(dāng)過程控制不嚴(yán)格或者絕緣材料使用不當(dāng)時，運(yùn)行中水電接頭的絕緣很容易分層；在熱應(yīng)力和鐵芯振動作用下，定子槽內(nèi)直線段線棒絕緣也會出現(xiàn)黃粉，磨損以至破裂。水電接頭和定子線棒絕緣形成的氣隙，會發(fā)生局部放電，繞組絕緣逐漸被侵蝕，絕緣強(qiáng)度降低，再加上水氫氫發(fā)電機(jī)的水冷定子繞組滲水影響，絕緣強(qiáng)度會進(jìn)一步下降。另外，定子繞組端部通過壓板結(jié)構(gòu)或綁扎固定，繞組漸開線部分不同相之間距離較小，如果發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的相對濕度過高，并且擊穿電壓大大度降低時，不同相之間的總介電強(qiáng)度將無法承受相間額定電壓，由此將產(chǎn)生相間放電，進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的相間短路事故。發(fā)電機(jī)兩端軸瓦密封不嚴(yán)，密封油漏入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，隨著冷卻氣體，將堵塞定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的通風(fēng)孔，污染不同相繞組之間的固定材料，形成局部過熱或沿面閃絡(luò)，進(jìn)而形成嚴(yán)重的相間短路事故。

2.3 槽部放電

定子繞組的主絕緣表面和鐵芯槽壁之間的放電稱之為槽部放電。當(dāng)發(fā)電機(jī)投運(yùn)時，電磁和機(jī)械原因引起定子鐵芯振動，長時間運(yùn)行可能導(dǎo)致定子槽楔和波紋板松動，磨損低阻層；繞組與鐵芯之間的接觸點過熱引起的應(yīng)力導(dǎo)致繞組防暈層損壞，這可能導(dǎo)致繞組的表面和鐵芯溝槽內(nèi)壁不能完全接觸，形成氣體間隙。由于鐵芯通風(fēng)槽的電場分布并不均勻，當(dāng)氣體間隙的局部電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿電場強(qiáng)度時，氣體間隙中的氣體發(fā)生局部電離，形成槽部放電。當(dāng)鐵芯凹槽中存在氣隙時，凹槽壁與繞組之間接觸面積變大，因而等效放電電容很大，放電容量很大，其可導(dǎo)致絕緣絕緣的快速損壞，危害發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

2.4 電弧放電

定子繞組在發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，受到熱、電、磁、機(jī)械力，這可能引起定子繞組單匝線棒的疲勞斷裂。斷裂線芯兩端，由于間歇振動，形成間歇放電，并且在發(fā)電機(jī)定子電流過零時間歇重燃、熄滅，最終導(dǎo)致電弧放電。電弧放電產(chǎn)生的局部高溫足以導(dǎo)致線棒層間絕緣燒壞，并發(fā)展成熔化繞組銅導(dǎo)體、燒毀對地絕緣，發(fā)生接地短路和相間短路事故。由于斷線引起的電弧故障，具有極高的熱量，足以熔化銅導(dǎo)體，燒壞對地絕緣，所以事后解剖分析事故原因，往往找不到事故原因的證據(jù)。這種電弧放電故障，只要未發(fā)生相間或?qū)Φ囟搪罚l(fā)電機(jī)差動保護(hù)、相間保護(hù)、過流保護(hù)或過電壓保護(hù)就不會達(dá)到動作值，故障無法快速切除，導(dǎo)致故障時間長，破壞范圍大。由于電弧放電中，沒有固定的放電間隙，放電重復(fù)次數(shù)少，放電非常強(qiáng)，因此屬于局部放電類別。

2.5 局部放電脈沖特性

隨著對局部放電性質(zhì)認(rèn)識的深入和檢測技術(shù)的增強(qiáng)，對局部放電的關(guān)注從傳統(tǒng)變量，諸如原始的放電量、工頻放電統(tǒng)計圖等向放電波形本身、脈沖寬度、脈沖上升時間等變量轉(zhuǎn)變。大量的研究結(jié)果表明，局部放電將產(chǎn)生較寬范圍的脈沖信號頻率，其中一些脈沖信號頻譜含量超過1GHz。實驗獲得三種典型的局部放電波形，通過比對分析三種局部放電的頻譜的分布和時域波形，可以得知：內(nèi)部放電脈沖波形的上升沿最陡，脈沖寬度最短，頻譜分布最寬，高頻含量高；槽部放電的上升沿最緩，脈沖寬度相對較寬。頻譜分布以低頻為主，端部放電的波形及頻譜分布在槽部放電和內(nèi)部放電之間。

3.定子繞組局部放電在線監(jiān)測在某大型水氫氫發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

本文介紹了600MW水氫氫發(fā)電機(jī)基于中性點耦合方法的發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用。水氫氫發(fā)電機(jī)中性點系統(tǒng)經(jīng)隔離刀閘、中性點接地變壓器接地。基于中性點耦合方法的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括以下幾部分：電流傳感器、耦合電容器、信號調(diào)節(jié)通道、同軸電纜、同步工頻電壓信號調(diào)節(jié)通道、數(shù)據(jù)采集卡、單片控制模塊以及監(jiān)控計算機(jī)。利用中性點耦合方式采集放電信號，經(jīng)過放大、濾波、除噪，特征量的提取，實現(xiàn)局放模式識別與故障診斷。其硬件結(jié)構(gòu)及連接見圖1。

圖1 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)圖

結(jié)合水氫氫發(fā)電機(jī)中性點系統(tǒng)接地結(jié)構(gòu)和在繞組中傳播局放脈沖信號的特性，在發(fā)電機(jī)定子線棒中心線出線端安裝寬頻率的電流傳感器，由監(jiān)控系統(tǒng)提取初級信號，在相應(yīng)的噪聲消除處理后，獲得局部放電信號。這種在線監(jiān)測設(shè)置具有中心點對地電位低、寬頻帶傳感器相對容易生產(chǎn)和安裝的優(yōu)點，但信號容易出現(xiàn)失真。所以必須采用更高精度的噪聲消除或干擾抑制信號技術(shù)和PD信號識別技術(shù)。為了提高信號的精度，可考慮采用基于快速傅立葉變換的信號處理，在閾值直線法的基礎(chǔ)上，采用閾值曲線數(shù)字濾波法去除周期性干擾。這種方法自適應(yīng)能力較強(qiáng)，受現(xiàn)場的干擾影響較少，但是能量損失較大。

4.結(jié)論

發(fā)電機(jī)定子繞組線棒絕緣老化是定子繞組線棒絕緣失效的主要原因，而局部放電則是絕緣老化的重要現(xiàn)象之一。因此，在線監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子繞組的局部放電特性參數(shù)，提取有效的變量信號，實時了解絕緣老化，判斷放電模式，診斷故障類型，大大提高了大型發(fā)電機(jī)的安全性，有效避免了機(jī)組的意外停機(jī)。但局部放電監(jiān)測仍有許多問題亟待解決，如特征參數(shù)的選擇、干擾信號的抑制、檢測裝置頻帶的選擇等。所以，我們需要更加深入地研究發(fā)電機(jī)定子繞組局部放電監(jiān)測，結(jié)合發(fā)電機(jī)的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，探索最有效的測量方法和干擾抑制方法，更加真實反映繞組絕緣狀況，推動發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢修向縱深方向發(fā)展。