楊 東，熊婧江

（1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川省雅安市 625000；

2.國電大渡河流域梯級電站集控中心，四川省成都市 610094）

0 引言

局部放電是絕緣介質(zhì)在足夠強的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電。局部放電產(chǎn)生的條件一是電壓，二是有間隙。當間隙中的電場強度達到電擊穿強度時，間隙中介質(zhì)被電離，從而產(chǎn)生電流，造成局部導(dǎo)通[1]。

發(fā)電機定子線棒絕緣耐壓等級是按其工況電壓等級設(shè)計的，在正常運行時，其絕緣性能均能承受其工況電壓。但由于設(shè)計、制造工藝及安裝調(diào)試等原因，發(fā)電機定子線棒絕緣介質(zhì)內(nèi)可能留有氣泡、裂紋、雜質(zhì)等，在長期的電壓或瞬時高電壓的作用下，這些存在瑕疵的部位就可能產(chǎn)生局部放電。

發(fā)電機定子線棒局部放電的時間短，能量小，但危害性很大。發(fā)電機定子絕緣受如電氣、溫度、機械等多種因素影響，這些因素都和局部放電有密切關(guān)系。鑒于發(fā)電機在電網(wǎng)中的重要作用，需要通過在線實時監(jiān)測局部放電有效地掌握發(fā)電機定子的絕緣狀況[2]。

1 發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測方法

近年來，局部放電在線監(jiān)測技術(shù)取得了長足進步，并得到了實際應(yīng)用，主要的監(jiān)測方法有：

1.1 射頻監(jiān)測法

射頻監(jiān)測法利用羅柯夫斯基線圈、高頻電流傳感器或RC阻容高通濾波器從發(fā)電機定子繞組中性點上采集高頻放電信號，如圖1所示。射頻監(jiān)測法廣泛應(yīng)用于發(fā)電機和大型高速交流電動機[3]。

圖1 射頻監(jiān)測法示意圖Fig．1 Schematic diagram of radio frequency monitoring

射頻監(jiān)測法傳感器安裝在中性點位置，施工方便，但是其采集的信號靈敏度低，局部放電信號從故障源傳輸?shù)街行渣c傳感器時已經(jīng)有很大的衰減和變形，數(shù)據(jù)可靠性和監(jiān)測準確度低。

1.2 測溫元件監(jiān)測法

測溫元件監(jiān)測法是把埋置在定子線槽里的測溫元件導(dǎo)線作為局部放電監(jiān)測傳感器，這種局部放電傳感器頻率特性很寬（3～30MHz），便于區(qū)分局部放電脈沖與噪聲脈沖[4]。測溫元件監(jiān)測法的優(yōu)點是利用埋置于線槽的測溫元件導(dǎo)線作為局部放電監(jiān)測傳感器，而不用安裝額外的元件。測溫元件監(jiān)測法在定子繞組某些部位的局部放電與噪聲脈沖難以區(qū)分，存在監(jiān)測盲區(qū)。

1.3 PDA監(jiān)測法

PDA監(jiān)測法由加拿大安大略水電公司于20世紀70年代提出。PDA監(jiān)測法最常用的方法是將80pF的環(huán)氧云母電容器直接安裝在高壓設(shè)備出口端，電容器就是一個高頻濾波器，利用繞組內(nèi)局部放電信號和外部噪聲信號傳播路徑的不同來過濾噪聲，如圖2所示。

圖2 PDA監(jiān)測法示意圖Fig．2 Schematic diagram of PDA monitoring method

1.4 定子槽耦合器監(jiān)測法

定子槽耦合器是一種埋放在定子槽楔下的寬頻帶耦合天線，該耦合器可以監(jiān)測到ns級脈寬的局部放電脈沖，主要優(yōu)點是信號畸變小及信噪比高，但該耦合器安裝復(fù)雜。

2 某水電站發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

某水電站安裝4臺混流式發(fā)電機組，總裝機容量為4×650MW，發(fā)電機型號為SF650-48/14600，額定電壓18kV，額定電流23165A。發(fā)電機定子線棒為雙層布置，條式疊繞組，Y形連接，并聯(lián)8支路，共1152根線棒，所有的線棒接頭連接采用銀銅焊，繞組絕緣為F級。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

電站局部放電監(jiān)測系統(tǒng)由1F-4F 局部放電監(jiān)測裝置及局放工作站組成。局放工作站與各機組局放監(jiān)測儀之間通過光纖進行通信，并預(yù)留有通信接口，實現(xiàn)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．3 Schematic diagram of system structure

2.2 耦合電容器

電站采用80pF、25kV環(huán)氧云母電容耦合器，耦合傳感器采用如圖4所示的定時噪聲分離技術(shù)方式進行安裝，電站定子繞組為三相8分支結(jié)構(gòu)，其耦合傳感器采用每相相鄰兩支路為一組耦合器的方式進行安裝（俗稱雙端安裝），單臺機組共安裝12個耦合傳感器，其詳細的布置定位如表1所示，根據(jù)耦合器的安裝定位剝開相應(yīng)支路定子匯流環(huán)主絕緣并鉆孔，將耦合器高壓跳線進行固定，再恢復(fù)安裝處主絕緣。

表1 耦合器安裝定位表Tab.1 lnstallation location table of couplers

圖4 定時噪聲分離技術(shù)Fig．4 Timing noise separation technology

耦合器相當于一個80pF的電容器，局部放電產(chǎn)生高頻信號很容易通過它，而50Hz交流電則被過濾。根據(jù)容抗公式XC=1/2πf C，80pF電容對于高頻局放信號（假設(shè)頻率83MHz）的容抗約24Ω，而對于50Hz的交流信號容抗約為40MΩ，因此可以看出80pF電容器相當于高通、低阻濾波器，它極大地抑制了50Hz等低頻信號，增強了信號采集的抗干擾能力。

根據(jù)研究，水電站現(xiàn)場的電噪聲頻率大都分布在20MHz以下，而局部放電的頻率范圍則在50～250MHz之間，80pF電容傳感器的頻率范圍在40～350MHz，因此采用80pF電容器監(jiān)測局放信號可獲得很高的信噪比，如圖5所示。

圖5 電容傳感器頻響與噪聲Fig．5 Frequency response and noise of capacitive sensors

2.3 同軸電纜

同軸電纜連接到耦合器底部，并根據(jù)機組定子基座電纜橋架分布情況敷設(shè)、布置，同軸電纜不宜過長，防止局部放電信號的過多衰減。

2.4 局放在線監(jiān)測儀

電站采用BusTrac局放在線監(jiān)測儀，采用定時噪聲分離技術(shù)對局放信號進行采集提取。局部放電信號經(jīng)電容耦合器、同軸電纜連接到局放在線監(jiān)測儀的信號輸入端，局放在線監(jiān)測儀對局部放電信號進行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理，統(tǒng)計單位時間內(nèi)局部放電信號的脈沖數(shù)量、放電強度，并根據(jù)脈沖在交流周期內(nèi)的相位判別是正局放還是負局放。

2.5 工作站

局放在線監(jiān)測儀通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸給工作站，通過計算機可對局放在線監(jiān)測儀進行控制和參數(shù)設(shè)置，實時查閱發(fā)電機局部放電狀況，并預(yù)留有通信接口，可實現(xiàn)與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、一體化應(yīng)用平臺的通信。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實例

發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測結(jié)果的基本解釋方法有：相同機組局放值的發(fā)展趨勢比較、相同機組的不同局放分析圖比較、同類機組的局放數(shù)據(jù)庫比較。電站機組發(fā)電機定子局放在線監(jiān)測系統(tǒng)工作站設(shè)置在發(fā)電機層，便于運行維護人員查看。

3.1 放電幅值分析

2017年1月，電站發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到1號機組最大放電幅值Qm為4400mV左右，如圖6所示。

圖6 1號機組最大放電幅值Fig．6 Maximum discharge amplitude of Unit 1

最大放電幅值Qm是一個重復(fù)頻率為每秒10個脈沖的基本（直接測量）脈沖類別的脈沖幅度，并且對應(yīng)于峰值局部放電活動。Qm是繞組中惡化最厲害的部分中局部放電嚴重程度的指標。負Qm和正Qm分別指的是來自負局部放電和正局部放電脈沖的峰值局部放電活動[5]。

選取B相（耦合器編號B2-C1/B2-C2）進行統(tǒng)計，開展數(shù)據(jù)分析，如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)局部放電穩(wěn)定，繞組狀態(tài)沒有發(fā)生變化，但是與同類發(fā)電機進行比較，局放值很高，需要注意。

3.2 脈沖相位分析

檢查相位分布圖可以顯示局部放電脈沖與相對地基準電壓間的相位角關(guān)系，選取B相（耦合器編號B2-C1/B2-C2）進行統(tǒng)計，開展數(shù)據(jù)分析，如圖8所示。從圖中可以看出，局部放電的負脈沖位于45°附近，而正脈沖位于225°，這是脈沖的經(jīng)典位置，并且沒有極性優(yōu)勢。1號機組投產(chǎn)運行不到兩年，存在過多的這種類型的局部放電可能原因為浸漬不良，導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)中存在空隙和夾雜。

圖7 B相B2-C1/B2-C2耦合器趨勢分析圖Fig．7 B phase B2-C1/B2-C2 coupler trend analysis diagram

圖8 B相B2-C1/B2-C2耦合器脈沖相位圖Fig．8 B phase B2-C1/B2-C2 coupler pulse phase diagram

3.3 運行情況分析

運行情況分析只適應(yīng)于經(jīng)典局部放電情況，通過采集不同運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的局部放電數(shù)據(jù)有助于確定經(jīng)典局部放電模式的主要故障原因。根據(jù)局放在線監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，1號機組負載變化對局放數(shù)據(jù)沒有直接影響，表明不存在因機械力導(dǎo)致的松動等缺陷。

4 處理情況

鑒于1號機組局部放電在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，電站利用檢修機會，對機組進行修前局部放電試驗，發(fā)電機定子三相繞組絕緣在額定相電壓下的局部放電量為914～1170pC，小于老化判斷標準10000pC。在額定線電壓下的局部放電量為17000～18900pC，與額定相電壓下的局部放電量相比，存在明顯放電量增大現(xiàn)象。

檢修中，電站開展了機組定子專項檢查處理工作，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機定子繞組端部存在臟污和白色物質(zhì)，對檢查發(fā)現(xiàn)的7處定子線棒跨接線絕緣層松動部位重新進行了絕緣處理，整體清掃了機組衛(wèi)生并重新噴涂了絕緣漆。

檢修后，對機組進行修后局部放電試驗，發(fā)電機定子三相繞組絕緣在額定相電壓下的局部放電量為742～857pC，在額定線電壓下的局部放電量為1470～1670pC，均小于老化判斷標準10000pC。與修前對比，修后局部放電量明顯降低，說明處理效果理想[6]。

5 結(jié)束語

近年來發(fā)電機單機容量不斷發(fā)展，大型發(fā)電機組運行過程中受到溫度、電磁感應(yīng)、機械應(yīng)力等因素的疊加影響，這些因素會直接或間接導(dǎo)致高壓定子絕緣的一些薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生局部放電，持續(xù)的局部放電會導(dǎo)致定子出現(xiàn)絕緣故障，因此發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用顯得越來越重要。但是，發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測技術(shù)還應(yīng)在以下幾個方面繼續(xù)改進：

（1）發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測的幾種監(jiān)測傳感器需要與定子安裝時同步施工，或者后期通過破開定子主絕緣安裝傳感器，這就要求發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)盡量與發(fā)電機同時設(shè)計、同時采購、同時施工、同時投入運行，以避免后期對主設(shè)備的施工和改造。

（2）傳統(tǒng)的局部放電檢測是測量高壓電氣設(shè)備的視在電荷，放電的強度以單位pC表達。而發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測的是一個短暫電壓峰值，測量結(jié)果以單位mV表達，pC和mV的關(guān)系大多數(shù)情況下難以量化，這就造成傳統(tǒng)的局部放電檢測與局部放電在線監(jiān)測數(shù)據(jù)難以對比、校核[7]。

（3）局部放電在線監(jiān)測與絕緣趨勢分析還有待研究。目前，發(fā)電機投入局放在線監(jiān)測后，還要結(jié)合目視檢查和離線測試等工作來確定發(fā)電機絕緣的總體狀態(tài)，局部放電在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)與人工智能理論相結(jié)合，開發(fā)出更智慧的應(yīng)用[8]。

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