發電機定子局部放電在線監測系統在五強溪電廠的應用

蘇 鑫

（五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 懷化 418000）

1 發電機定子局部放電在線監測系統結構原理

五強溪電廠裝備有5臺水輪發電機，發電功率皆為240 MW，結構特點為無軸型結構轉子，轉子中心憑借發電機的主軸進行支架間連接。轉子支架結構為圓盤形，中心體與扇形外環進行焊接，在工作中由定子借助轉子為發電機提供勵磁磁場，以電磁感應來完成發電。定子繞組連接方式為三相雙層四支路星形[1]。監測系統硬件結構包括電源模塊、顯示模塊以及功能強大的數據存儲和處理系統。軟件結構中包括數據采集模塊、數據庫模塊、數據分析模塊及數據顯示模塊[2]。四大模塊之間相互連接可實現定子局部放電歷史信息及實時數據的調取及分析。發電機回路中設有耦合電容器，電容器可通過耦合作用來處理高頻局部放電信息。監測系統各軟件單元配合發電機各參數性能來判定定子局部放電是否對發電機絕緣性能產生不可逆損害[3]。監測系統會設定一個報警值，在各硬件設施的配合下對局放強度進行分析。若每半年局放強度值成倍數型且幅度高于報警值，則說明定子絕緣性能遭到了較嚴重的損壞，而預警時間隨電壓等級的增加而延長[4]。發電機局部放電趨勢如圖1所示。

圖1 發電機局部放電趨勢圖

2 發電機定子局部放電監測系統的應用步驟

2.1 現場測試

現場測試即在系統投入實際應用前，綜合現場情況對系統進行參數設置。例如，在現場中必定會存在干擾系統分析的信號，而干擾發電機定子局部放電監測系統的信號便來自于現場不可控信號[5]。在現場測試中，應以時域、幅度及相位為評判要點對干擾信號進行記錄，并提前撰寫危險預案。同時，在定子監測系統中會涉及低頻信號的采集，現場信號的信噪比有利于低頻信號的優化分析。因此，現場測試包括停機測試、負載測試。停機測試即在斷開電網的前提下使發電機處于停止運行狀態，若在20 ms內測得信號背景噪聲中無脈沖干擾，則可運行監測系統。負載測試即保持發電機在額定負荷范圍內運行，若在20 ms內其信號頻譜圖無多余諧波，則可試運行監測系統[6]。

2.2 分析放電譜圖

分析放電譜圖在于放電類型和故障位置的輔助分析。放電譜圖的分析主要是為后面放電趨勢的分析做準備[7]。在監測系統中，放電類型的評判對故障緣由的分析十分重要，槽間放電、端部放電及內部放電對應的故障類型都存在差異。同理，故障位置對于提高檢測效率也起著至關重要的作用。譜圖分析包括對信號時域、相位及幅度的分析。結合放電脈沖這3個特性的分析，便可較好實現在線監測系統的故障分析功能。

2.3 分析放電趨勢

在發電機中，定子局部放電具有不可控性和隨機性[8]。若僅憑單次測量數據來判定定子絕緣性能，則是不具可信度的。五強溪電廠中設有5臺發電機組，因此監測系統需測量5臺發電機組定子局部放電來評判定子絕緣性能[9]。以Qm來代表放電幅度，以NQN代表特定局部放電過程中有效相位窗口中各不同幅值脈沖總個數。Qm和NQN總趨勢分析皆為監測系統數據分析重要途徑，其幅值則可分析放電強弱，而根據放電強弱便可分析絕緣性能。當定子絕緣性能降低時，NQN值與Qm值增大，即局部放電現象越明顯。圖2為Qm和NQN變化與絕緣性能關系圖[10]。

圖2 Qm和NQN變化與絕緣性能關系圖

3 發電機定子局部放電監測系統在五強溪電廠中的應用

3.1 局放現象與定子絕緣故障分析

在應用監測系統監測局放時，局放檢測結果的分析對于定子絕緣故障的分析至關重要。局放現象與定子絕緣故障對應關系如表1所示。

3.2 監測系統的具體應用

3.2.1 發電機電暈監測

發電機電暈故障可歸為定子繞組絕緣層的電場不均勻分布，如局部場強過高。發電機電暈在情況嚴重時，其絕緣性能會降低，致使發電機無法正常運行[11]。在發電機定子線棒結構中會增加防電暈結構，針對局部放電類型進行設計，分為直線端和端部兩種方式。直線端方法是在防暈帶實施涂漆操作，端部防暈采用高阻防暈，即在線棒超出槽口部位進行彎曲，以高電阻加固電流隔離操作。但在發電機實際運行過程中，電暈情況依然存在。這說明防電暈設計無法根治局部放電對發電機的損害。監測系統可通過對局部放電信號的檢測并綜合多臺電機放電次數及放電幅值進行定子絕緣性能的評判，若有異常，或絕緣性能弱于其余機組，監測人員能及時分派工作人員進行檢修，必要時可進行定子線棒的更換[12]。

3.2.2 定子線棒松動情況監測

發電機在高速運轉中，定子線棒因其繞組方式會發生松動，由于不同材料捕獲電子能力不一，且不同結構同材料的捕獲電子能力也存在差異，因此在定子線棒松動時，也會有定子局部放電情況發生[13]。監測系統可通過比較正負電荷放電情況來判定定子絕緣性能。若放電趨勢呈現正放電，則代表線棒表面與鐵芯存在電壓差，即線棒發生松動。線棒發生松動，那么發電機的正常工作必定受到影響。定子在發電機的主要功能是激勵磁場的供給，若其結構發生改變，則磁場效應會遭到損害，進而影響發電機性能，并縮減發電機使用周期。監測人員通過檢測系統能實時監控定子運行狀態，及時止損[14]。

表1 局放現象與定子絕緣故障關系對應表

3.2.3 定子臟污檢測

在正常情況下，定子局部放電與定子溫度也存在一定關系。若定子表面附有金屬顆粒或是碳粉等具有導電性能或影響絕緣材料電阻率的材料，則絕緣材料電阻率會隨溫度的升高而降低。因此，監測系統可通過溫度傳感器實現定子性能的檢測[15]。一般絕緣系統中的氣隙會隨著溫度增加而縮小，那么其局部放電現象會隨之減弱。但如果其局部放電現象隨著溫度升高而呈現攀升狀態，那么監測人員便可考慮定子是否發生臟污[16]。

3.2.4 螺旋桿局部放電監測

如果在發電機運行過程中，監測到定子C相放電異常，在排查傳感器及監測系統無異常的前提下，先進行停機監測，即排查干擾信號的影響。在重啟時如果定子C相仍放電異常，則可考慮螺桿感應發生局部放電，從而致使磁場電壓升高。在實際工作中，定子可看作多個分布電容的復雜組合。基于此，定子中的懸浮螺桿、絕緣板及金屬槽盒在導體的連接下與地面形成了串聯回路。在此結構中，回路間電流脈沖信號相互影響產生旁路現象[17]。如果金屬槽盒的距離和懸浮螺桿距離過近，則金屬槽盒電容回路的放電脈沖信號便可旁路到懸浮螺桿回路。這極有可能導致C相放電異常。如果監測到螺旋桿局部放電異常，可考慮定子結構是否發生變化，金屬槽盒和螺旋桿之間的間距是否過小，若過小則應增加兩者間隙[18]。

4 結 論

電子技術的不斷發展將會促進人工智能技術的發展，隨之而來的是管理系統的改革。分析目前監測系統需求多元化發展現狀可知，局部放電在線監測系統的采樣率將會逐漸提高，以便細化發電機故障分析。定子局部放電對發電機性能有著巨大危害，需加強監測。五強溪電廠作為我國重點建設單位，需充分發揮科技力量，促進監測系統不斷完善，對于定子局部放電現象，從監測階段發展至更精確的識別診斷階段，以提高我國發電質量，緩解我國供電壓力。