基于光纖傳輸超聲測量的電機定子線棒局放檢測方法研究

摘要：大型發電機和電動機是電力工業生產的主要旋轉設備，其可靠性對相關企業能否正常生產和運行有決定性作用。電機定子繞組主絕緣受電、熱、化學、機械等不利因素影響，絕緣性能逐漸變差，會對大型發電機和電動機運行安全造成嚴重威脅，因此有必要對表征電機定子線棒絕緣水平的局放情況進行檢測。現提出了一種基于光纖傳輸超聲測量的電機定子線棒局放檢測新方法，可實現對電機定子繞組局放故障的精準定位。

關鍵詞：電機；定子繞組；局放；超聲檢測；定位

中圖分類號：TM311? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0067-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.019

0? ? 引言

大型發電機和電動機是電力工業生產的主要旋轉設備，其可靠性對相關企業能否正常生產和運行有決定性作用。據統計，大約41%的電動機或發電機故障是主絕緣（定子絕緣）老化引起的，高壓電機或大容量發電機的運行可靠性在很大程度上取決于定子繞組的絕緣狀況[1]。在部分惡劣環境下，單根定子線棒故障可能迅速發展為相間短路、三相短路等故障。一旦電機因故障停運，將會影響企業的安全穩定運行并給企業造成嚴重的經濟損失。

隨著電機容量的不斷增加，電機在安全性和運行壽命方面的要求也大幅提升。而單機容量的大幅提升必然帶來定子電壓的提升，這樣定子繞組出現各種絕緣缺陷的概率越來越大，造成的后果也愈發嚴重。在電機實際運行過程中，電機定子繞組主絕緣材料會受到電磁力、熱應力、熱老化、化學老化或環境等因素影響，使得絕緣性能逐漸變差。對于電機的定子繞組，絕緣發生劣化的主要特征之一就是繞組內部或表面的局放水平大幅增加[2]。

因此，對電機定子繞組主絕緣定期進行局放檢測并監視不同部位局放水平的變化趨勢，對于及早發現絕緣缺陷、避免故障持續惡化和實現絕緣缺陷的早期預警具有重大意義。

現階段，許多專家和學者都針對發電機定子線棒局放檢測和定位方法進行了深入研究。李傳揚[1]通過搭建寬度可調節的定子鐵芯槽部模型作為局放信號提取接地極，基于已建立的各類放電模型，錄取了發電機定子線棒內部、槽部、電暈及相間四種局放信號的指紋，并對不同類型放電指紋的分布規律進行了研究，為在線監測高壓電機主絕緣局放信號對比提供了依據；Li Shunyuan等人[2]提出了通過分析放電圖譜、極性效應、脈沖相位和放電發展趨勢等局放信號特征模式來識別發電機定子絕緣故障類型的方法；王新等人[3]實際加工制作了3種典型的定子缺陷模型，利用脈沖電流法對熱老化前后定子絕緣缺陷局放特性差異進行了對比測試，結果表明對于內部缺陷線棒，局放起始電壓相較于熱老化前出現了升高，槽部和端部缺陷線棒的局放起始電壓在熱老化后出現了下降；汪泉弟等人[4]在分析局放超聲波信號在發電機定子內傳播特性的基礎上，建立了電機局放定位方程組，通過求解方程組來找到局部放電點的位置；王遠[5]以超聲波傳感器作為現場敏感元件，搭建了超聲檢測系統的硬件和軟件平臺，通過實際開展模擬故障測試證明了利用超聲波檢測發電機定子繞組局放的可行性。

本文提出了一種基于光纖傳輸超聲測量的電機定子線棒局放離線檢測方法。試驗時，在定子線棒上施加正常運行電壓，通過逐槽掃描定子各線棒超聲波信號幅值的變化，對電機定子線棒的絕緣水平進行檢測。經現場實際測試，通過本方法可實現對電機定子繞組局放故障的精準定位，對于及時查明故障位置，縮短故障消缺時間具有重要意義。

1? ? 電機定子線棒的結構和局放類型

1.1? ? 電機定子線棒的結構和絕緣設計

電機定子一般是由鐵芯、繞組和外部機座等三部分構成。按照定子線棒形狀的不同，可將定子線棒分為槽內直線段、端部曲線段以及電路連接頭三部分。每根定子線棒是由定子銅導線、環氧粉云母絕緣帶和端部階梯段防暈設計組成。定子繞組的兩端均向定子鐵芯外部傾斜，角度在15°～30°。定子線棒內部多由空心裸銅線和實心扁銅線組成，考慮到集膚效應和環流損耗的影響，銅線在定子槽內進行540°換位并彼此絕緣。為改善感應電動勢波形，定子繞組較多采用三相雙層短節距結構[6]，即YY結構。電機定子線棒槽內結構情況如圖1所示。

定子線棒主絕緣制造工藝包括多膠模壓型和少膠浸漬型兩種。多膠模壓型技術較為成熟，制造工期短且簡單，一般是使用膠含量為35%左右的云母帶在定子線棒上連續包繞，達到規定尺寸后，進行干燥處理，最后通過長時熱模壓固化成型。少膠浸漬型是以環氧玻璃粉云母少膠帶進行包繞，完成后在真空壓力下浸漬無溶劑環氧漆，保證線棒內部無氣泡，整體的機械強度、熱傳導能力及線棒質量一致性均較好，但生產制造工期較長，不利于快速批量化生產[7]。

1.2? ? 電機定子線棒的放電特征

在電機定子絕緣結構中，多種不同材料共同構成了定子線棒的絕緣系統。由于不同材料的介電特性不同，受不同位置電場強度變化影響，各個材料的擊穿場強也不一樣[8]。當絕緣材料中某個部位的電場強度超過了材料本身的擊穿場強，就會產生內部放電。在實際運行時，定子內最容易發生局放的位置是氣泡。因氣泡內氣體的介電常數一般均小于絕緣材料的介電常數，受電場梯度分布影響，氣泡內承受的場強更大，因此氣泡最容易出現放電。

根據位置的不同，定子線棒局放一般可分為內部放電、端部放電、槽間放電和端部斷股放電四種。端部斷股放電本身是電弧放電，放電的現象比較強烈，因此不作為局放討論。下面針對定子線棒其他三種放電的機理進行分析。

（1）內部放電是指定子主絕緣內部、絕緣和線棒導體之間、防暈層和絕緣之間等位置發生的放電現象。大容量汽輪發電機和高壓電動機在制造廠一般均是絕緣帶層層疊繞而成，因此，在生產環節極易在主絕緣內部存在部分氣隙。除此之外，在發電機服役期間受機械力、溫度、冷熱循環等因素綜合影響，部分間隙可能在縱向得到擴展，容易出現絕緣分層或脫殼現象。一旦發生內部放電，局放帶來的熱效應、化學效應等會使絕緣材料的特性進一步惡化，形成放電與劣化的循環，最終使得主絕緣發生擊穿。內部放電出現時，絕緣介質的內部放電會隨著外施電壓幅值絕對值的增加而逐漸加重，因此其放電的主要特征是正負半周相位對稱且脈沖幅值和次數也基本相同。

（2）端部放電是指在電機定子線棒驅動端和非驅動端端部發生的放電現象。電機端部無定子槽楔進行壓緊，僅靠端部墊塊、綁繩、拉緊環或錐環等結構件進行固定。受定子端部電動力、振動、臟污、異物等多種因素影響，端部的半導體防暈層和線棒端部的主絕緣極易發生損壞，在運行電壓下，電暈持續發展惡化，最終將導致線棒主絕緣損壞并發生單相接地或相間短路故障。現場檢查時，端部放電的嚴重與否多通過查看端部有無黃粉、白點等異常放電跡象進行判斷。

（3）槽間放電是指定子線棒防暈層與鐵芯之間發生的放電現象。電機正常運行時，定子線棒被槽楔、墊條和波紋板等組件牢固地固定在鐵芯槽內，僅能沿電機軸向進行伸縮。當槽楔、墊條發生松動后，定子線棒會隨著鐵芯振動沿徑向發生位移，導致線棒外部防暈層發生破損，即線棒表面和鐵芯槽壁或槽底之間發生有害放電，由于懸浮電位的影響，槽間放電可能呈現很高的幅值。

2? ? 基于光纖傳輸超聲測量的電機定子線棒局放檢測方案設計

絕緣材料內部氣隙或材料擊穿時，擊穿電流將突然增大，受熱效應影響，擊穿位置介質的體積快速膨脹后又冷卻收縮，引起了介質疏密的變化，就形成了聲波。由于局放的持續時間很短，所發射的聲波頻譜很寬，可達到數兆赫茲。

隨著科學技術的發展，光纖技術已經應用在局放的超聲波檢測上，當電氣設備發生局放時，使用光纖探頭在電機內部采集超聲信號，從而避免超聲波信號由于傳播途徑復雜導致信號衰減嚴重的缺陷，大大提高了檢測靈敏度[9]。本文提出了一種基于光纖傳輸超聲測量的電機定子線棒局放離線檢測方法，其主要結構如圖2所示。

其中，柔性復合探頭將采集到的電機定子線棒超聲波信號轉換為光信號，通過光纖傳輸至測試主機。主機設計時應具備通過信號測量帶寬、設置觸發閾值、觸發方式變更等方式來降低外界干擾信號的能力。為及時查明局放缺陷類型，主機具備Q-？準統計圖、N-？準統計圖、PRPD圖、PRPS圖、頻率相關圖、時頻圖等圖譜顯示功能。

絕緣桿采用可伸縮設計，最大長度超過5 m，通過交替在汽勵兩側分別進行測試，可滿足1 000 MW及以下大型汽輪發電機定子線棒局放的現場測試工作；絕緣桿絕緣強度超過100 kV，可有效保證檢測人員測試時的安全。

現場實際測試時，主要過程如下：

（1）查閱發電機圖紙并按照順序對定子線棒進行編號，根據定子線棒的實際長度，按照間隔0.3～0.5 m在定子槽內直線段選取測試點，測試點位置應盡量固定，便于后續比對分析測試結果。必要時，可記錄定子線棒直線段全長的局部數據。

（2）利用串聯諧振設備將發電機A相電壓升高至額定相電壓，其余兩相繞組接地。

（3）按照圖2所示完成設備接線和組裝工作。試驗人員應提前查看端部狀況，選取合適測量位置后，抬起延長桿，將延長桿頂端的傳感器放置在定子槽楔上方，逐槽進行掃描并記錄測試點處的超聲波幅值，完成測量后，對數據進行橫向和縱向對比。必要時，對于幅值異常增長點開展復測。

（4）完成A相測量后，參照A相試驗流程，對B、C兩相進行測量。

3? ? 實際測試情況

為驗證本方法用于定子線棒局放故障定位的準確性，使用本裝置對定子線棒內部放電、端部放電和槽間放電等不同放電類型進行了模擬故障波形采集與分析。為驗證超聲傳感器檢測局放的可靠性，在每組試驗中除測量故障點的超聲波形外，還分別采集了距故障點10、20、40 cm處相應位置的超聲波形進行對比，測試結果如表1所示。以內部放電故障為例，故障點處和距故障點10、20、40 cm處的超聲檢測波形如圖3至圖6所示。

由表1實測數據可知，當定子線棒發生放電時，在故障點附近超聲檢測波形的幅值有明顯增加，為背景值的50～200倍；當逐漸遠離故障點時，超聲檢測波形的幅值迅速下降，當距離故障點超過20 cm時，超聲波形的幅值下降至背景幅值，驗證了采用超聲測量光纖傳輸巡檢的方法可及時發現定子線棒放電缺陷并準確定位缺陷點的位置，定位精度極高。

4? ? 結論及建議

針對電機定子線棒局放的檢測定位技術，本文在充分分析定子線棒典型結構、絕緣結構設計和制造工藝的基礎上，根據局放發生位置的不同將電機定子線棒局放類型分為3種類型。同時針對傳統在線監測和離線檢測存在的缺陷和不足，提出了基于超聲測量光纖傳輸的電機定子局放故障檢測和精準定位方法，在此基礎上研制了相關設備，并經實際定子線棒模擬故障測試驗證了裝置具備局放缺陷檢測和精準定位能力。在后續行業內推廣應用時，建議開展以下幾項工作：

（1）為保留定子線棒超聲檢測的初始數據，宜在電機第一次大修時進行一次全面檢測并記錄每個測試點的幅值，后續電機大修、懷疑存在絕緣缺陷、開展老化狀況評估時，再次開展超聲檢測并與初始數據進行比對，實現對電機絕緣狀態的定量比較和評估。

（2）定子繞組全部更換或部分更換后應開展本試驗，作為初始數據留存。

（3）無初始數據比對時，可以在相同環境下，利用電機同個定子線棒不同部位的放電強度、不同定子線棒相同部位的放電強度、同個線棒相同部位不同測試時間的放電強度等進行橫向或縱向比對，當超聲波形幅值有明顯增加時，應及時處理。

[參考文獻]

[1] 李傳揚.高壓電機定子繞組局部放電指紋庫建立方法及放電模式識別技術研究[D].太原：太原理工大學，2014.

[2] LI S Y，CHOW J M Y.Partial Discharge Measurements on Hydro Generator Stator Windings Case Studies[J].IEEE Electrical Insulation Magazine，2007，23（3）：5-15.

[3] 王新，楊敏，金泱，等.基于熱老化的發電機定子線棒局部放電特性研究[J].絕緣材料，2021，54（4）：58-63.

[4] 汪泉弟，楊承河，楊永明，等.發電機定子繞組局部放電超聲波在線定位分析[J].重慶大學學報（自然科學版），2009，32（10）：1150-1153.

[5] 王遠.發電機定子繞組局部放電超聲波檢測系統研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[6] 張健偉.大型發電機定子線棒絕緣綜合測試系統的研制[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

[7] 郝長金.基于介電響應法的發電機主絕緣狀態評估技術研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[8] 劉立生，邱阿瑞.高壓電機局部放電在線監測方法[J].電工電能新技術，1999，18（3）：23-27.

[9] 陳科元，馬山剛，金福寶，等.大型水輪發電機定子線棒局部放電在線監測研究進展及展望[J].西北水電，2022（5）：35-40.

收稿日期：2023-02-28

作者簡介：楊玉磊（1990—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，高級工程師，主要從事發電機、變壓器等電氣設備的試驗檢測、故障診斷和技術監督等工作。