發電機絕緣在線監測技術在海洋平臺上的應用

段海洋，王愛民

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

發電機作為海上采油平臺的供電設備，是維持油田正常生產的重要設備，一旦發生故障將會帶來重大的經濟損失。美國電科院和中國清華大學的統計結果顯示，旋轉電機故障主要發生的部位為定子繞組、轉子及鐵芯。其中定子繞組和轉子故障占所有發電機故障的 56%。發電機定子繞組故障所導致的損失比轉子及鐵芯故障導致的損失大很多，這些故障往往導致發電機不正常工作而停機，嚴重的甚至會燒毀發電機，進而給平臺帶來安全和經濟上的巨大損失。

目前對于發電機組的維修主要是預防性的，將發電機的轉子抽出后對定子和轉子進行檢查清洗等維護保養，預防性維修有利于提前消除一部分可能存在的故障隱患，從而保證機組的穩定運行。預防性抽芯維保的缺點是當設備不存在問題時，這種定期維修不但會造成人力、財力的損耗，而且不必要的拆裝對原本良好的設備也會造成損害。

經多方了解，最終鎖定了通過對定子局放和轉子匝間短路監測的發電機絕緣在線監測技術，它能夠實時監測發電機轉子和定子的運行狀態，能夠對發生事故的先兆進行實時的捕捉，還能用以支持海上平臺發電機組的預知性維修。檢修思路由抽著看向精準判斷進行轉變，不但可以減少預防性抽芯檢查的工作量，并且能夠減少發電機組發生突發性事故造成的經濟損失。

1 技術簡介

1.1 系統框架

發電機絕緣在線監測系統包括定子局放檢測和轉子匝間短路檢測兩部分，定子局放放電監測系統由耦合器、專用信號電纜、局放儀、上位機和分析軟件IAM(Iris Application Manager)組成，轉子匝間短路監測系統由磁通傳感器、專用信號電纜、磁通監測主機、上位機及分析軟件等組成。發電機絕緣在線監測系統組成如圖1所示。

圖1 發電機絕緣在線監測系統組成Fig.1 Composition of on-line monitoring system for generator insulation

上位機和局放監測儀之間通過以太網進行通信，可方便通過局放上位機系統預留的通信接口實現與計算機監控系統的連接。其系統主要特點為：可提供報警繼電器信號和發電機的狀況趨勢；通過趨勢局放圖不僅能幫助發現問題，而且能評價發電機的維修效果[1]。

1.2 定子局放檢測

局部放電是發生在高壓絕緣空隙中的小電火花，可以通過測量導體中的電流脈沖來監測。當電壓應力超過了在這些空隙中氣體的電擊穿強度時，局部放電就會發生，局部放電脈沖的頻率為 50～250MHz之間。局部放電發生的原因是高壓絕緣內部或附近氣隙的擊穿電壓(3kV/mm)要比完好的絕緣擊穿電壓(300kV/mm)低很多。因此，局部放電是定子繞組絕緣故障的先兆，電壓越高，放電強度越大；空隙越大，放電幅度越高。通過局放檢測即可判斷定子絕緣好壞。局放耦合器實質上是 80pF的環氧云母電容器，需要永久性地安裝在發電機定子繞組的高壓輸出端上，并通過聚乙烯絕緣射頻同軸電纜將局放信號傳送到局放監測儀。

1.3 轉子絕緣檢測

傳感器為 TF-Probe全磁通探頭，這種新型探頭由許多層印刷電路板組成，印刷電路板的材料是柔性的。這種柔性探頭按照在定子齒部上安裝進行設計，安裝好的探頭截面高度很低，足以適用氣隙很小的電動機。由于轉子在機組運轉時是高速旋轉的，采用通過安裝在定子鐵芯上的磁通探頭來測量氣隙中磁通密度的方式，并根據輸出電壓來判斷轉子的絕緣情況。磁通探頭的輸出電壓值和轉子槽內的有效匝數有關，輸出電壓值低說明轉子單槽內的有效匝數減少，表示有匝間短路發生[2]。

2 絕緣在線監測原理

2.1 局放信號

局放信號是超窄脈寬的脈沖放電信號，脈沖上升需要 1～5ns，根據 f＝1/T＝1/(4×t)，f為頻率，t為上升時間，得出局放f介于50～250MHz之間，監測頻率局放信號如圖2所示。高幅度噪聲脈沖的頻率通常＜20MHz，在高頻譜范圍內監測局放信號可以獲得較高的信噪比(信噪比＝局放信號/噪聲信號)。

圖2 監測頻率局放信號Fig.2 Monitoring frequency partial discharge signal

獲取局放信號的關鍵在于將高頻信號中的噪音干擾分離出來，以得到干凈的高頻局放信號[3]。

2.2 定向噪聲分離技術

定向噪聲分離技術可以有效分離出高頻信號中的噪聲，得到高頻局放信號。信號傳輸圖如圖3所示，得到局放信號如圖4所示。

圖3 信號傳輸圖Fig.3 Signal transmission diagram

圖4 高頻局放信號Fig.4 High frequency partial discharge signal

通過前后 2個傳感器的信號疊加可以把噪聲濾除得到干凈的局放信號。

2.3 轉子磁通測量原理

安裝在定子氣隙上的磁通探頭在轉子通過探頭時對徑向的磁通密度非常靈敏，轉子單槽內的磁通密度與同一槽內的有效匝數是有關系的，主磁通密度會在匝間短路發生的這一點扭曲每一單槽內的磁通密度，進而導致特定槽的漏磁通降低。轉子磁通信號圖如圖5所示。

圖5 轉子磁通信號圖Fig.5 Rotor flux signal diagram

通過對額定負載下的數據進行趨勢觀察，將2個不同極但槽編號相對應的磁通數據進行比對，磁通對比圖如圖6所示，可以很直觀地發現有匝間短路的轉子繞組所在的槽。

圖6 磁通對比圖Fig.6 Magnetic flux comparison diagram

3 應用情況

3.1 機組絕緣異常的測試數據

通過對局放峰值和磁通密度幅值進行分析可以有效得出發電機的絕緣狀況，使海上平臺能夠預知發電機的絕緣故障，有利于實施“狀態檢修”計劃。例如：對某油田透平B機發電機進行數據測試，發現轉子絕緣數據稍有異常，存在不明顯的短路故障點。此種狀況下短期內機組的性能并不受影響，但需繼續保持對該發電機的密切關注。

3.1.1 轉子絕緣測試

本次測試在不同的負載下共采集數據 72組，其中異常數據22組，主要集中在磁極1和磁極3，異常數據說明磁極1和磁極3的磁通密度不平衡，但異常數據并不連續，并非典型的匝間短路現象。造成這種情況的原因可能是磁極 1和磁極 3中存在不明顯短路故障點。此種狀況下短期內機組的性能并不受影響，但需繼續保持對該發電機的密切關注。發電機 B磁通密度匯總圖如圖7所示。

圖7 某發電機B磁通密度匯總圖Fig.7 Summary of flux density of a generator

3.1.2 定子局放測試

測試發現機組的局放峰值 Qm小于 10，通過與IRIS全球統計的百萬臺發電機組局放數據庫進行比對，發現其局放等級處于最良好狀況一類。在局放測試統計表中，通過在不同時間段和不同帶載下的數據測試分析，局放幅值Qm基本一致，差異不大，外部因素對發電機局放的影響基本可以忽略，說明機組絕緣狀態非常好。

3.2 使用效果

發電機絕緣在線監測系統投用后，使用效果良好，主要體現以下3點。

3.2.1 從預防性維修到預知維修

發電機絕緣在線監測技術的應用可實時或定時在線監測、診斷潛伏性故障或缺陷，及時發現絕緣相關故障問題，為預知性維修提供可靠依據。

3.2.2 從定期檢查到實時檢測

以往對發電機進行絕緣檢測是在大修后通過對發電機進行局部預防性試驗來實現，試驗項目和所需設備繁多，花費工時較長，而且當發電機的某一元件絕緣有缺陷時，此種試驗往往無法反映真實的情況。發電機絕緣在線監測技術的應用使發電機在正常帶載情況下即可持續性地獲取絕緣監測數據，并且不影響發電機的穩定運行。

3.2.3 降低數據分析難度

以往對發電機進行定期試驗后會產生大量數據，需要專業人員花費大量的時間進行分析。發電機絕緣在線監測系統會產生監測數據，非專業人員經過短至半天的培訓即可根據這些數據客觀地進行發電機絕緣狀況分析。

4 總 結

通過在發電機安裝定子繞組局放耦合器，轉子匝間短路監測磁通探頭，使用監測主機進行數據存儲分析，實現了對發電機定子絕緣、轉子絕緣的持續性在線監測。預判發電機運行狀態，指導機組運維保養，增加維修驗收的手段，避免電網因為發電機故障停機造成經濟損失，同時也是發電機組大數據的補充，為推動從預防性維修到預知性維修的轉變打下了堅實基礎。

發電機定子繞組及轉子絕緣在線監測技術的應用有效彌補了機組定子/轉子繞組的絕緣監控方面的缺口，通過檢測數據為尋找發電機出現故障或異常震動、溫度、聲音的原因提供了可靠依據。探頭及耦合器的安裝伴隨著抽芯的機組同步進行，探頭及耦合器安裝完畢的單元每年進行一次離線監測，對于參數異常的機組加密測試，可出具監測報告，評估發電機絕緣狀況趨勢，預防性指導后續工作。

本文倡導預知性檢修理念，發電機在線監測技術后期可以嵌入油田電網能量管理系統，完善了海上平臺電氣設備智能電網監測系統，以利提高電氣設備頂層設計的管理水平。