高壓電動機局部放電在線監測及其應用研究

［摘 要］文章介紹了高壓電動機局部放電的類型，分析了高壓電動機局部放電在線監測技術的應用，并提出了預防措施，以期為高壓電動機局部放電問題的處理和維修提供參考。

［關鍵詞］高壓電動機；局部放電；在線監測

［中圖分類號］TM306 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0104–03

1 局部放電的概念和形式

1.1 概念

局部放電是指高壓電氣設備的絕緣由于局部缺陷或電場集中，導致的局部過電壓擊穿而產生的放電現象。局部放電只是一種局限在絕緣材料特定區域內的微弱放電，不足以引起完全的絕緣擊穿，不過其能夠逐漸惡化絕緣材料的性能，最終導致絕緣完全失效和電氣設備的故障。

1.2 形式

1.2.1 電暈放電

電暈放電通常發生在高電壓輸電線路或設備的尖銳邊緣、導體表面等電場強度極高的區域。這些區域空氣中的氣體分子由于受到強電場作用而電離，形成帶電粒子，當帶電粒子達到一定濃度時，就會產生電暈放電現象。電暈放電的特點如下：①在夜間或昏暗環境中，電暈放電會因為電場導致空氣中的N2 和O2分子發生電離，產生藍紫色的光輝；②電暈放電會因為電離過程中氣體分子快速運動和碰撞產生特有的嗡嗡聲或嘶嘶聲；③雖然電暈放電不足以造成絕緣材料的完全擊穿，但依然會導致能力損耗；④電暈放電會產生寬頻帶的電磁波，并且對周邊電子設備形成干擾。

1.2.2 內部放電

內部放電通常出現在固體絕緣材料的氣隙、微裂紋或其他缺陷處，這些缺陷在高電壓作用下成為電場集中的區域，導致局部的電氣強度超過材料的耐電壓限制而產生放電。由于局部放電發生在材料內部，因此很難直接觀察到，必須借助專門的檢測技術來發現和評估。而且局部放電通常會在不引起立即故障的情況下持續進行，會逐步損傷絕緣材料，引發嚴重的故障。長期的內部放電會導致絕緣材料結構破壞，如導致絕緣材料產生化學結構變化、熱降解、機械性能衰減等，這些問題都會造成更加嚴重的事故。

1.2.3 表面放電

表面放電通常發生在電氣設備絕緣材料的表面。相比內部放電，表面放電由于會伴隨聲光而更容易被觀察到。而且表面放電受環境條件（如溫度、濕度、污染等因素）的影響較大，特別是在潮濕或污染嚴重的環境中更易發生。表面放電的長期作用則會造成絕緣表面的碳化，降低材料的絕緣性能，最終引起閃絡現象。

2 高壓電動機局部放電的類型

2.1 內部放電

內部放電在高壓電動機運行的過程中通常會發生在電動機絕緣材料內部，如絕緣層中的氣泡或微裂紋等處。導致內部放電的原因是在高電場強度的作用下，絕緣材料內部的微小缺陷或不均勻性導致局部電場強度超過材料的擊穿強度，因此產生放電現象。對于高壓電動機來說，內部放電會導致電動機絕緣材料的化學分解和機械破壞，從而降低其絕緣性能并且增加電動機故障的風險。而且內部放電產生的高溫和化學反應會導致絕緣材料老化，縮短電動機的使用壽命。此外，內部放電產生的光、聲、熱、電等多種物理效應會對電動機的正常運行造成干擾，甚至還會引發電火花和電弧問題，進而導致電動機內部過熱，造成火災危害。

2.2 端部放電

端部放電是指高壓電動機的線圈端部由于電場分布不均勻而產生的局部放電現象。由于高壓電動機中繞組端部存在復雜的電場分布，電場強度相對較高，因此很容易在絕緣表面或絕緣介質內部引起局部放電。在發生端部放電時，通常會出現放電脈沖、光及聲現象。一旦端部放電存在頻繁、持續的情況，則會對絕緣材料造成較大損壞，導致絕緣材料性能下降。端部放電如果不能被及時發現和處理，還會發展成為更嚴重的電氣故障，如轉子與定子之間的閃絡，影響高壓電動機的穩定運行。

2.3 導體和絕緣體放電

導體放電通常發生在電動機的線圈、接頭等導電部件，由于接觸不良或表面污染造成局部電阻增大，導致電流集中并產生放電現象。而絕緣體放電則發生在電動機的線圈絕緣、槽楔絕緣等絕緣材料中，一旦絕緣材料出現微小缺陷或老化，會在高電壓作用下產生局部放電，進而導致絕緣材料性能下降，甚至受到損壞。兩種放電問題都會降低電動機的運行效率，加速電動機絕緣和導體的老化，縮短電動機使用壽命，進而導致電動機故障，影響電動機的穩定性和可靠性。

2.4 槽放電

槽放電是指發生在高壓電動機的線圈槽部絕緣與導體之間的局部放電現象。由于電動機槽部的絕緣結構復雜，加上制造和裝配過程中可能產生的微小缺陷，以及長期運行中的機械振動、熱應力等因素，都可能導致槽部絕緣性能下降，進而出現槽放電問題。槽放電的表現通常為絕緣表面或內部發出微弱光芒、放電聲音及放電脈沖信號，持續的槽放電還可能伴隨有O3 或其他化學分解產物的氣味。雖然槽放電的初始電能量較小，但持續放電依然會對絕緣材料帶來破壞甚至碳化，這也增加了絕緣擊穿的風險，進而導致高壓電動機面臨嚴峻的運行事故。

3 高壓電動機局部放電在線監測技術的應用

3.1 匯流環上成耦合電容器監測法

在對局部放電問題進行監測的過程中，可以通過探測和分析局部放電信號來準確捕獲局部放電的實際情況。而在匯流環上成耦合電容器監測法的應用過程中，可以在電動機的匯流環上安裝特制的耦合電容器，以便從電動機運行的電源線路中提取局部放電信號。相對來說，耦合電容器具有較高的靈敏度和頻寬，能夠捕捉到局部放電引起的高頻脈沖信號，并將這些信號從大電流的工作頻率信號中分離出來，進而利用信號處理技術對信號進行分析，以確保能夠通過放電量、放電頻率及放電相位等參數對局部放電的特征進行準確識別。該監測方法得益于其非侵入式的特點，在監測之前無需對電動機進行任何改動，而且安裝簡單，能夠實現對電動機在運行狀態下的連續監測。此外，耦合電容器具有很好的電氣隔離特性，可以保證監測設備的安全性，防止高壓對監測設備造成損害。在實際應用的過程中，該監測方法可以和超聲波監測、紅外熱成像技術等結合使用，以提高局部放電檢測的準確性和可靠性。

3.2 中線射頻監測法

使用中線射頻監測法時，需要在電動機的中性點或接地點安裝射頻電流互感器，用于檢測通過中性線流向地面的高頻電流，因為這些高頻電流是局部放電產生的結果。中線射頻監測法的優勢在于其靈敏度較高且具備寬頻帶的特點，其能夠監測到從幾萬Hz 到數百MHz 的局部放電信號，確保不同類型的放電模式都能夠得到監測。而且由于射頻電流互感器安裝在電動機的中性點，因此該方法對高壓電動機的影響也相對較小。

3.3 電動機引出線耦合器監測法

電動機引出線耦合器監測法需要在電動機的引出線上安裝特殊設計的高頻耦合器，從而對局部放電產生的高頻電磁波進行捕捉。引出線耦合器通常由高頻電流互感器組成，其能夠響應高頻電流變化，以確保可以捕獲與局部放電事件相關聯的信號，而這些高頻信號與主電源的低頻工作電流相比具有較高的頻率，因此可以通過濾波和信號處理技術將其從背景噪聲中有效分離出來。由于耦合器可以直接安裝在電動機引出線的外部，因此無需改變電動機的原有結構，也不會對電動機的正常運行造成干擾。而且耦合器對高頻信號響應迅速，能夠及時檢測到微弱的局部放電信號，并且提供實時的監測數據。

3.4 定子槽耦合器監測法

定子槽耦合器檢測法需要將耦合器安裝到電動機定子的槽部，這些耦合器通常由感應線圈或高頻電流互感器組成，因此能夠感應到由局部放電產生的高頻電磁波。局部放電事件會在電動機內部產生高頻脈沖，這些脈沖通過定子繞組傳播，會被耦合器檢測到。相對來說，耦合器能夠通過安裝在潛在的局部放電附近位置提高局部放電信號捕捉的準確度，并且能夠通過頻譜分析、波形分析及模式識別等方法來提取局部放電的特征，以確保可以對局部放電的類型進行準確判斷。

3.5 電阻式測溫元件導線監測法

電阻式測溫元件導線監測法需要在電動機內部安裝熱敏電阻或熱電偶等電阻式測溫元件，以確保能夠實時監測電動機內部的溫度變化。局部放電會產生熱量，導致電動機內部溫度升高，因此該技術可以通過監測電動機內部的溫度變化對局部放電問題進行準確判斷。該方法最大的優勢在于能夠提供實時、連續的溫度數據，有助于及時發現電動機內部的異常熱現象，從而預警可能存在的局部放電問題。而且電阻式測溫元件具有良好的靈敏度和穩定性，可以精確地測量電動機內部的溫度變化，甚至能夠捕捉微弱的局部放電信號，所以在監測靈敏度方面具有非常顯著的優勢。

3.6 中性點耦合檢測法

中性點耦合檢測法通過在中性點安裝耦合裝置，可以監測到由局部放電產生的高頻信號，從而實現對局部放電的檢測。該方法的關鍵在于耦合器的設計和安裝。耦合器作為一種高頻變壓器或電流互感器，能夠響應并檢測通過中性點的高頻電流成分。這些高頻電流成分與正常的工作電流相比頻率較高，因此耦合器能夠準確對其展開監測和識別。在實際應用的過程中，通過中性點耦合檢測法獲得的高頻信號需要經過專門的信號處理和分析，以區分局部放電信號和其他可能的干擾信號，因此在信號處理的過程中，可以通過快速傅里葉變換（FFT）算法或小波分析技術來識別特定頻率的信號成分，并且結合信號特點對局部放電的特征進行準確判斷。

4 高壓電動機局部放電問題的預防措施

4.1 提高絕緣材料的質量

提高絕緣材料質量能夠有效減少高壓電動機局部放電造成的破壞，這要求選擇具有良好電氣性能、熱穩定性、機械強度及耐化學腐蝕等性能的絕緣材料，同時還需要對絕緣材料進行適當的處理和改性，通過填充、交聯、表面改性等方式提升絕緣材料的質量。

4.2 開展定期監測和維護工作

為減少局部放電問題造成的破壞，相關部門需要建立完善的高壓電動機的定期檢查制度，確保能夠對電動機的絕緣電阻、介電損耗、局部放電量等關鍵指標進行測量和分析，并且結合先進的局部放電監測技術，第一時間了解絕緣體性能降低的情況及潛在的安全隱患問題。一旦發現異常問題則需要進行針對性處理，例如，若是發現絕緣電阻下降需要對絕緣材料進行干燥處理或直接更換；若是發現局部放電量增加則需要檢查并修復可能存在的絕緣缺陷問題。

4.3 優化高壓電動機設計

對高壓電動機設計進行優化也非常重要。在設計優化的過程中，可以通過優化繞組的布局和結構來均勻電場分布，也可以減少電場集中點來避免局部過高的電場強度。同時還可以通過優化高壓電動機散熱來避免因溫度過高導致絕緣材料老化。此外還可以通過提高高壓電動機的穩定性來避免多方面因素產生的局部放電及絕緣損壞問題。

4.4 對高壓電動機的運行環境進行優化

需要關注對高壓電動機運行環境的優化，其中溫度作為導致局部放電及絕緣材料老化的重要因素，可以通過使用風扇、冷卻液循環系統等措施來散發電動機產生的熱量，為高壓電動機創造一個良好的溫度環境。同時，電動機周圍應保持清潔，避免灰塵、金屬粉塵等污染物積累，污染物過多也會導致局部放電，同時也會造成絕緣性能降低和電氣短路問題。而在高壓電動機安裝位置方面，則需要避免將電動機置于可能受到化學腐蝕、鹽霧侵蝕、震動及沖擊等惡劣環境中，這些危險的環境都會誘發潛在的局部放電問題，同時還會對高壓電動機本身造成影響。

5 結束語

總之，高壓電動機局部放電監測能夠監測電動機運行過程中存在的絕緣缺陷問題，進而有效減少局部放電問題對電動機絕緣體造成的損傷和破壞。而在對高壓電動機局部放電問題進行監測的過程中，應采取關鍵技術減少其他因素對監測的干擾，同時還需要采取關鍵措施加強對高壓電動機局部放電問題的處理和維修，以此來滿足高壓電動機安全、穩定運行的需求。

參考文獻

[1] 李瑋，任鴻秋，康愛亮，等. 高壓電動機定子繞組絕緣局部放電特性研究[J]. 煤炭技術，2020，39（10）：159-162.

[2] 王暉. 局部放電監測系統在大型高壓電動機上的應用[J].科技視界，2015，（12）：98，169.

[3] 任永恒. 高壓電動機局部放電在線監測及其應用研究[J].電氣制造，2014（11）：90-92.

[4] 于俊林. 高壓電動機絕緣局部放電的淺析[J]. 科技創業家，2013（23）：92.

[5] 李岳，王西同，賈娟敏. 增安型高壓電動機的局部放電及防爆檢測[J]. 電氣防爆，2006（2）：13-17.