風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置研發

韓劍波，劉學忠，陳正華，趙 勇，韓 斌，馬 勇

風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置研發

韓劍波1，劉學忠1，陳正華2，趙 勇3，韓 斌3，馬 勇3

（1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2.華能江蘇清潔能源分公司，江蘇 南京 210000；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

風力發電機絕緣狀態現場檢測對提高風電機組運行可靠性具有重要意義。本文通過分析雙饋風力發電機絕緣電阻、介質損耗因數、局部放電和脈沖電壓波形等非破壞性絕緣狀態特征參數的現場檢測技術，設計并開發了一種風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置，該裝置主要包括電源模塊、信號測量模塊、數據采集模塊和軟件分析模塊，通過電源模塊提供多參數檢測所需的高壓試驗電源，對各參數分別進行測量分析。實際應用結果表明，該裝置能實現對風力發電機絕緣電阻及極化指數、介質損耗因數、電容、局部放電和脈沖波形等多種絕緣狀態特征參數的檢測，檢測精度滿足實際要求。而且，在實際應用中可綜合評估發電機的絕緣狀態，避免單一參數評估的片面性，且一體化程度高。

雙饋風力發電機；絕緣狀態；檢測裝置；絕緣電阻；介質損耗因數；局部放電

自2012年以來，我國風電的累計裝機容量已經超過美國躍居世界第一[1]。根據我國能源局統計結果，2018年我國風電發電量達到3 660 億kW h，占總發電量的5.2%[2]，風電在我國發電領域越來越受重視。雙饋風力發電機作為風電機組的重要部件之一，其可靠性直接影響風電機組的運行安全[3]。

目前我國雙饋風力發電機投運后其絕緣故障率一直較高。發電機在運行過程中承受電、熱、機械和環境應力的聯合作用[4]，直接影響繞組絕緣狀態的劣化過程。絕緣劣化不僅會降低發電機的長期絕緣強度，而且會引發發電機運行故障[5]，甚至可能造成突然停機的意外事故。風電場多處于高原、草原或者海上等偏遠地區，絕緣劣化使風力發電機運維費用較高[6]。因此，對風力發電機絕緣狀態進行現場檢測，對保證風電機組的平穩運行和降低風電場的運維成本有重要意義。

現場檢測風力發電機絕緣狀態時，需要將檢測設備運到風塔上。由于檢測設備總體體積大且較重，同時接線換線復雜，導致現場檢測效率低。為此，本文設計了一種便攜式風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置，該檢測裝置可實現多個絕緣特征參數的現場檢測和分析。

1 絕緣狀態特征參數及現場檢測技術

電力設備絕緣檢測包括破壞性和非破壞性兩種[7]。為準確評估運行中風力發電機的絕緣狀態，需選擇既能有效反映發電機真實絕緣狀態又適宜風電場現場檢測的非破壞性絕緣特征參數。

1.1 絕緣狀態特征參數

本文選擇適合進行風力發電機現場檢測的非破壞性絕緣特征參數分別為：1）絕緣電阻及極化指數作為反映發電機絕緣受潮程度、電導性缺陷和表面泄漏的參數；2）介質損耗因數及電容作為反映發電機絕緣整體老化程度的參數；3）局部放電作為反映發電機絕緣分層、剝離或斷裂導致內部出現氣隙性局部缺陷的參數；4）脈沖電壓波形比較作為反映發電機繞組匝間絕緣故障的參數等。

1.2 現場檢測技術

分析對比所選取各絕緣特征參數現有測量方法的現場適用性，確定選取的各絕緣參數的現場檢測方法分別為：1）絕緣電阻采用電壓電流測量法；2）介質損耗因數及電容采用諧波分析的數字化測量法[8]，其測量回路為“反接法”[9]；3）局部放電采用并聯測量回路的脈沖電流法[10]；4）脈沖波形比較采用阻容分壓的測量方法等。

2 一體化檢測裝置研發

2.1 整體結構

一體化檢測裝置需實現多個絕緣特征參數的現場檢測，結合各參數的測量原理與適宜風電場的檢測技術，基于前期工作的基礎[11]，設計了風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置整體結構（圖1）。該裝置主要分為電源模塊、信號測量模塊、數據采集模塊和軟件分析模塊。信號測量模塊包括溫度和濕度測量模塊，用于現場檢測時記錄被測發電機繞組的環境溫度與濕度，便于更準確評估發電機的真實絕緣狀態。為了提升一體化檢測裝置的便攜性，該裝置采用USB型數據采集卡實現4種絕緣參數檢測所需的數據采集功能，數據采集卡通過USB傳輸線與便攜式筆記本電腦中的軟件分析模塊相連接，通過軟件分析模塊實現對檢測數據的現場分析處理，從而實現風力發電機絕緣狀態特征參數的現場檢測。

圖1 風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置整體結構

2.2 電源模塊

電源模塊利用風電機艙上的220 V供電，通過轉化實現各絕緣參數檢測所需的高壓交流、直流和脈沖電壓，其中交流電源應滿足局部放電（局放）檢測時對試驗電源的無局放要求。電源模塊結構如圖2所示。交流電源通過無局放升壓變壓器獲得高壓交流，在高壓交流的基礎上通過整流濾波獲得高壓直流，然后通過儲能電容充電、放電獲得高壓脈沖，充分利用各種高壓電源之間的重復部分，以減小一體化裝置的體積與重量。同時，電源模塊設置完整的電源控制部分，包括電源保護、電源切換和電壓顯示電路。電源保護主要由過電流保護實現對檢測人員和裝置的安全保護；電源切換實現試驗電源之間的轉換；電壓顯示實現對3種電源輸出 電壓的顯示。

圖2 電源模塊結構

2.3 絕緣電阻檢測模塊

風力發電機絕緣電阻現場檢測原理如圖3所示。分別提取被測發電機繞組主絕緣上所加載直流電壓與流過發電機絕緣的泄漏電流信號，計算得到被測發電機繞組絕緣電阻值R，然后由1 min與10 min絕緣電阻計算極化指數。

圖3 絕緣電阻及介質損耗現場檢測原理

2.3.1信號提取

電壓信號提取采用1 000:1的精密高壓分壓器（1，2）將高壓直流轉換為低壓直流信號。由于雙饋風力發電機定子、轉子鐵心均直接接地，無法在被測發電機的接地端串入取樣電阻或電流互感器來測量電流，同時由于試驗電壓較高，在高壓端串入取樣電阻會導致測量過程較危險。因此，采用在直流電源負端（低壓端）串入取樣電阻（f）來測量流過被測發電機絕緣系統的電流信號。對于被測發電機不同的絕緣阻值范圍，需要不同取樣電阻，通過檢測軟件數據采集卡的數字量輸出端口，輸出信號控制微型繼電器實現不同取樣電阻之間的切換，實現測量量程的自動切換。

2.3.2信號處理

由于分壓器與取樣電阻提取的電壓和電流信號不能直接送入數據采集卡，需要信號調制電路轉換后才能進行數據采集。絕緣電阻檢測信號調制包括低通濾波器、程控放大電路、電壓跟隨電路和輸出保護電路，由信號調制電路將所提取信號預處理后送入數據采集卡實現A/D轉換，轉換后的數字信號送入絕緣電阻檢測軟件，計算得到絕緣電阻及極化指數。

2.4 介.質損耗因數及電容檢測模塊

風力發電機繞組絕緣的介質損耗因數及電容現場檢測原理如圖3所示，同樣由分壓器并聯在交流電源輸出端提取所加載電壓信號，電流傳感器（CT）串聯在交流電源高壓輸出端提取電流信號。通過軟件對電壓和電流信號進行加Hanning窗插值的離散傅里葉變換（DFT）[8]，得到電壓和電流基波的相位與幅值，進而求得繞組絕緣的介質損耗因數和電容值。

2.4.1信號提取

采用型號為BCT-2小電流傳感器提取工頻電流信號，其檢測范圍為100 μA~700 mA工頻電流，相位變換誤差不大于0.01°[12]。

2.4.2信號處理

介質損耗因數及電容檢測方法信號調制電路主要包括輸入保護、500 Hz低通濾波器、電壓跟隨電路與輸出保護電路。經處理后的測量信號由介質損耗因數及電容檢測軟件計算得到繞組絕緣的介質損耗因數及電容值。

2.5 局部放電檢測模塊

在雙饋風力發電機現場局部放電檢測時，由于不能拆解電機，加上電機機殼的屏蔽和發電機鐵心直接接地，因此采用并聯測量回路的脈沖電流法檢測局部放電，其檢測原理如圖4所示。交流試驗電壓經過低通濾波器Z后施加于被測發電機定子或轉子絕緣系統Cx上，繞組絕緣系統產生的局放信號經耦合電容Ck耦合到檢測阻抗Zm上，檢測阻抗將局放脈沖電流信號轉換為脈沖電壓信號后送入信號處理系統M。

圖4 局部放電檢測原理

2.5.1 信號提取

局放檢測采用無局放耦合電容器，額定工作電壓為5 kV，電容為1 000 pF。根據常規兆瓦級雙饋風力發電機整機定子和轉子的容量，選擇可檢測容量范圍為25~400 nF的LCR型檢測阻抗[13]，提取被測發電機絕緣系統上的局放信號。

2.5.2信號處理

檢測阻抗得到的局放信號需經過信號調制電路處理，信號調制電路主要包括前置放大電路、10~300 kHz帶通濾波電路、程控放大電路和輸出保護電路。然后通過局放檢測軟件根據測量信號分析計算出局部放電的視在放電量、起始電壓和熄滅電壓等表征參數。

2.6 脈沖波形比較檢測模塊

本文脈沖波形比較只檢測繞組的脈沖電壓波形，檢測原理如圖5所示。首先任選發電機定子或轉子一個繞組（如U—W）作為參照品，另一個繞組（如V—W）作為測試品，在U—W和V—W上施加相同的脈沖電壓。然后更換測試繞組，重復試驗一次。綜合比較三相繞組在脈沖電壓下衰減振蕩波形之間的差異量，判斷被測發電機繞組的絕緣故障。脈沖波形比較檢測通過提取分壓器低壓臂上的電壓波形得到被測發電機繞組上的脈沖電壓波形。提取后的電壓信號經信號調制電路預處理后送入數據采集卡實現A/D轉換，由脈沖波形比較檢測軟件進行數據分析處理。

圖5 脈沖波形比較檢測原理

3 風電現場檢測

為了驗證一體化檢測裝置的功能及現場適用性，利用該檢測裝置對浙江云和黃源風電場在役雙饋風力發電機進行絕緣狀態現場測試和分析。

3.1 絕緣電阻現場檢測試驗

由一體化檢測裝置施加1 kV直流電壓于發電機轉子繞組，絕緣電阻現場檢測結果如圖6所示。由圖6可知，被測發電機轉子繞組在22 ℃的60 s絕緣電阻60為8.16 GΩ（折算到40 ℃時60為 2.38 GΩ），吸收比KI為2.4（大于閾值1.3），極化指數PI為4.0（大于閾值2.0）。被測發電機轉子 繞組絕緣電阻、吸收比和極化指數均符合正常狀態指標要求[14]。

圖6 轉子繞組絕緣電阻現場檢測結果

3.2 介質損耗因數及電容現場檢測試驗

由一體化檢測裝置施加交流電壓于被測發電機轉子繞組，分別檢測發電機轉子繞組在0.2、0.4、0.6、0.8和1.0下的介質損耗因數及電容值[15]，其中最大交流試驗電壓取2 kV。被測發電機轉子繞組介質損耗因數及電容在約400 V電壓下現場檢測結果如圖7所示。被測風力發電機轉子繞組介質損耗因數及電容現場檢測結果見表1。

圖7和表1結果表明，被測發電機轉子繞組介質損耗因數及其增量與電容值及其增量均符合正常狀態指標要求[15]。

3.3 局部放電現場檢測試驗

由一體化檢測裝置將交流電壓施加于被測風力發電機轉子繞組上，從0 V開始逐漸增加電壓直至發生局部放電[16]，電壓不得高于規定的最大允許交流試驗電壓（2 kV），同時降低電壓直至得到局放熄滅電壓。被測發電機轉子繞組局部放電現場檢測結果如8所示。

圖7 轉子介質損耗因數及電容現場檢測結果

表1 轉子繞組介質損耗因數及電容現場檢測結果

Tab.1 The on-test detection results of dissipation factor and capacitance of rotor winding

圖8 轉子繞組局部放電現場檢測結果

由圖8可見，由一體化檢測裝置現場檢測得到被測發電機轉子繞組局放起始電壓PDIV為1.51 kV，局放熄滅電壓PDEV為1.30 kV。

3.4 脈沖波形現場檢測試驗

由一體化檢測裝置分別施加相同且符合規定的脈沖電壓于被測發電機轉子任意兩相繞組接線端子間[17]，轉子繞組脈沖電壓波形檢測結果如圖9所示。

圖9 轉子繞組脈沖波形比較現場檢測結果

由圖9可見，比較一體化檢測裝置現場檢測到轉子三相繞組在脈沖電壓下響應的振蕩電壓波形，未發現波形明顯不重合，判斷被測發電機轉子繞組無明顯絕緣故障發生。

現場檢驗結束后，將一體化檢測裝置的檢測結果與風電場對該發電機的檢修數據進行對比，一體化檢測裝置得到的絕緣電阻及極化指數、介質損耗因數、電容、局放起始電壓及熄滅電壓數據與標準測試儀器測量結果非常接近，數據特征一致，脈沖波形與匝間耐壓儀測試結果也完全一致。現場驗證結果表明，該一體化檢測裝置實現了所設計的各項功能指標，檢測精度滿足設計要求，適用于風電場風力發電機絕緣狀態特征參數的檢測。同時，相較于現有常規絕緣狀態檢測裝置側重于局部放電檢測[18-19]，本文研制裝置可實現對風力發電機絕緣電阻及極化指數、介質損耗因數、電容、局放和脈沖波形等多種絕緣狀態特征參數的檢測，可根據多種絕緣參數綜合評估發電機的絕緣狀態，避免了單一參數的片面性，具有一體化程度高的特點。

4 結 語

本文設計開發了一種風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置，并成功應用于風電場。該裝置適合雙饋風力發電機絕緣電阻及極化指數、介質損耗因數、電容、局部放電和脈沖波形等多種絕緣狀態特征參數的現場檢測，也可用于風力發電機的絕緣狀態現場檢測數據采集和統計分析工作，這對提高風力發電機運行可靠性具有重要意義。

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Design and development of integrated detection device of insulation state for wind generator

HAN Jianbo1, LIU Xuezhong1, CHEN Zhenghua2, ZHAO Yong3, HAN Bin3, MA Yong3

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Huaneng Jiangsu Clean Energy Branch Co., Ltd., Nanjing 210000, China; 3. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

For improving the operational reliability of wind turbines, it is of great significance to develop on-site detection technology for insulation state of wind generator. Through analyzing the on-site test methods of non-destructive insulation characteristic parameters of doubly-fed wind generator, including the insulation resistance, dissipation factor, partial discharge and pulse waveform comparison, an integrated detection device for wind generator insulation state on-site detection was designed and developed in this paper. The device consists of four modules, including power module, signal measurement module, data acquisition module and software analysis module. The power supply module provides the high voltage test power supply needed for multi-parameter detection, and each parameter is measured separately. Then, this integrated detection device is applied in on-site test for the in-service doubly-fed wind generator in the wind farm, and the test results show that this device is suitable for on-site detection of wind generator insulation characteristic parameters, such as insulation resistance and polarization index, dielectric loss factor, capacitance, partial discharge and pulse waveform, and the detection accuracy meets the actual requirements. In practical application, the device can comprehensively evaluate the insulation state of the generator, which avoids the one-sidedness of single parameter evaluation, and has a high degree of integration.

doubly-fed wind generator, insulation state, detection device, insulation resistance, dielectric dissipation factor, partial discharge

TK83

B

10.19666/j.rlfd.201904077

韓劍波, 劉學忠, 陳正華, 等. 風力發電機絕緣狀態一體化檢測裝置研發[J]. 熱力發電, 2019, 48(7): 131-136. HAN Jianbo, LIU Xuezhong, CHEN Zhenghua, et al. Design and development of integrated detection device of insulation state for wind generator[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 131-136.

2019-04-04

中國華能集團有限公司總部科技項目(HNKJ16-H22, HNKJ18-H32)

Supported by：Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ16-H22, HNKJ18-H32)

韓劍波(1994―)，男，碩士研究生，主要研究方向為風力發電機絕緣檢測技術，hanjianbo@stu.xjtu.edu.cn。

劉學忠(1962—)，男，博士，副教授，主要研究方向為變頻電機絕緣檢測、電力設備電磁場分析及絕緣設計等，xliu@mail.xjtu.edu.cn。

（責任編輯 杜亞勤）