王 暉

（林德工程〈杭州〉有限公司工程中心，浙江 杭州 310012）

大型高壓電動(dòng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，往往一臺(tái)電機(jī)故障就可以影響整個(gè)裝置的投用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而電機(jī)故障中定子絕緣問題所占比列較高，因此對(duì)定子絕緣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解絕緣情況，在絕緣劣化嚴(yán)重時(shí)提前采取措施就很有意義。常規(guī)的絕緣監(jiān)測(cè)方法包括目視檢查、絕緣電阻試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)等，這些檢驗(yàn)需要周期性的停機(jī)，影響生產(chǎn)的連續(xù)性；耐壓試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，影響電機(jī)絕緣的壽命。而局部放電監(jiān)測(cè)作為一種評(píng)價(jià)絕緣優(yōu)劣的靈敏方法，其在線性、安全性和絕緣分析的準(zhǔn)確性為人所知，因此局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也必然越來越多[1]。

1 高壓電動(dòng)機(jī)定子繞組局部放電及絕緣損壞過程

局部放電即導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電，在絕緣系統(tǒng)中局部場(chǎng)強(qiáng)隨著電壓的升高而升高，當(dāng)超過該部位的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就發(fā)生局部放電現(xiàn)象[2]。高壓電動(dòng)機(jī)定子繞組都有一些局部放電現(xiàn)象，但是受工業(yè)環(huán)境中電、熱、機(jī)械應(yīng)力及環(huán)境因素的影響，繞組的絕緣性能出現(xiàn)下降，放電現(xiàn)象也明顯嚴(yán)重起來，因此局部放電通常是絕緣缺陷的征兆而不是直接的故障原因，這樣通過測(cè)量、分析局部放電數(shù)據(jù)便可以了解繞組的絕緣情況。

2 局部放電的監(jiān)測(cè)方法

2.1 中性點(diǎn)耦合監(jiān)測(cè)法

對(duì)于星型聯(lián)接并設(shè)置中性點(diǎn)接地線的定子繞組，由于中性點(diǎn)對(duì)地電位低，電機(jī)內(nèi)任何部位的局部放電都會(huì)在中性點(diǎn)接地線上產(chǎn)生相應(yīng)的射頻電流，因此可通過在中性線上設(shè)置貫穿式射頻電流互感器檢測(cè)這部分信號(hào)?；ジ衅鲗y(cè)得的信號(hào)送至射頻監(jiān)測(cè)器，由監(jiān)測(cè)器記錄并分析電流的時(shí)域或頻域特性，以此來判斷局部放電的強(qiáng)弱。較早的美國(guó)西屋公司RMF系統(tǒng)、美國(guó)AEP公司CSR-200系統(tǒng)都是采用這種監(jiān)測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)是安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是靈敏度較低、易受接地網(wǎng)中的噪音影響且難以區(qū)分運(yùn)行中的噪音信號(hào)，因而使用范圍受到限制。

2.2 電機(jī)引出線耦合監(jiān)測(cè)法

此方法通常在電機(jī)引出線上并聯(lián)安裝一組耦合電容器，每相一個(gè)，通過電容器檢測(cè)局部放電的高頻信號(hào)，再送至監(jiān)測(cè)器記錄分析。較早采用的電容器一般為375～1000pF，雖然其響應(yīng)頻帶好，但因容量較高而體積偏大，信號(hào)的信噪比也不夠理想，之后改用80pF的電容器，其頻帶降為40～350MHz，這樣更多的高頻有效信號(hào)將被過濾出來，信噪比也隨之提高。若外部噪音較高，還可在上級(jí)饋電設(shè)備引出線上安裝另外一組耦合電容器，因電機(jī)內(nèi)部信號(hào)與外部信號(hào)到達(dá)兩組電容器的先后順序不同，這樣外部噪音信號(hào)便可以被區(qū)別出來并加以濾除。奧地利OMICRON公司的OMS-600系統(tǒng)、加拿大IRIS公司的TGA-B系統(tǒng)是這種方式的代表。相較于射頻電流互感器，電容器有低阻高通的特性，因此信噪比可以明顯提高，但是電容器與電機(jī)高壓帶電端直接連接且體積較大，安裝維護(hù)工作相對(duì)復(fù)雜。

2.3 槽耦合器（SSC）監(jiān)測(cè)法

對(duì)于內(nèi)部噪音較大的電機(jī)，以上監(jiān)測(cè)方式無法有效區(qū)分局放信號(hào)與內(nèi)部噪音。加拿大IRIS公司通過研制，推出了安裝于定子槽內(nèi)的特制傳感器-定子槽耦合器（SSC）。SSC由環(huán)氧樹脂及玻璃合成層壓板制成，每個(gè)厚約2mm，與定子槽等寬，長(zhǎng)度最短可修剪至53cm，成薄片狀。內(nèi)嵌的SSC能夠更加靈敏的獲得電機(jī)內(nèi)部的噪音信號(hào)與局放信號(hào)，且SSC在頻率從10～1000MHz范圍內(nèi)都有相當(dāng)好的響應(yīng)，因此能夠監(jiān)測(cè)到更加真實(shí)的局放信號(hào)脈沖波形。與SSC配套的TGA-S局放儀能夠?qū)y(cè)定的脈沖進(jìn)行逐個(gè)檢查，并根據(jù)脈沖的特性區(qū)分出噪音信號(hào)及脈沖信號(hào)——局放脈沖是單極性的、無擺動(dòng)的、上升時(shí)間快且頻率很高的脈沖，噪音信號(hào)是擺動(dòng)的且上升時(shí)間慢的脈沖。SSC監(jiān)測(cè)法區(qū)分噪音的能力強(qiáng)，靈敏度也很高，但是要求埋置專用的耦合器，成本較高，所以有一定局限性。

2.4 電阻式測(cè)溫元件監(jiān)測(cè)法

以埋置在定子槽內(nèi)的電阻式測(cè)溫元件（RTD）作為局部放電傳感器的監(jiān)測(cè)方法。這種方法不需要安裝額外的傳感器，對(duì)電機(jī)現(xiàn)有回路的影響最小，附加成本也最低。其原理與SSC有相似之處，靈敏度與信噪比也很高，是一種很有發(fā)展前景的監(jiān)測(cè)方式。下文介紹的美國(guó)Eaton公司的InsulGard系統(tǒng)使用了這種方法。

3 InsulGuard裝置的應(yīng)用

3.1 InsulGuard裝置簡(jiǎn)介

InsulGuard裝置是美國(guó)Eaton公司研制的世界上第一套能夠?qū)Σ煌袎涸O(shè)備進(jìn)行在線的、連續(xù)的、預(yù)警性的絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)所有4kV及以上電壓等級(jí)的電力設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、開關(guān)柜、電纜等，對(duì)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的免維護(hù)和狀態(tài)檢修具有革命性的意義。

針對(duì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，InsulGuard裝置由以下部分組成：

（1）硬件部分包含的元器件：

RTD模塊-局部放電信號(hào)中轉(zhuǎn)器

耦合電容-局部放電信號(hào)傳感器

負(fù)載電流互感器

溫度傳感器

濕度傳感器

監(jiān)測(cè)分析主機(jī)

所有的連接線纜

（2）軟件部分包含的功能：

選擇裝置

圖表分析和報(bào)告

數(shù)據(jù)通訊

系統(tǒng)設(shè)置

3.2 InsulGuard裝置工作原理

InsulGuard裝置采用的傳感器就是上文介紹的耦合電容傳感器和電阻測(cè)溫元件傳感器，由于局放信號(hào)在電機(jī)傳播過程中會(huì)衰減，信號(hào)的頻率越高噪音越小，但是衰減越大，這樣就需要在衰減和噪音兩方面綜合考慮來選取最佳測(cè)量頻率。不同的傳感器有不同的頻率響應(yīng)范圍和針對(duì)電機(jī)不同位置的特定靈敏度，因此組合的傳感器就可以提供局放分析的足夠信息。

3個(gè)輔助性傳感器，溫度、濕度、負(fù)載電流提供局部放電信號(hào)和電機(jī)運(yùn)行環(huán)境之間的相互關(guān)聯(lián)情況，是進(jìn)一步辨認(rèn)缺陷種類的重要信息。

監(jiān)測(cè)分析主機(jī)通過傳感器定時(shí)的測(cè)量局放信號(hào)，每一次測(cè)量都會(huì)在每個(gè)頻道上獲取相位分辨數(shù)據(jù)，即相位矩陣：21個(gè)幅值大小間隔（3.5dB/間隔）和 24 個(gè)相位窗口（15 度/窗口），并計(jì)算如下參數(shù):PDI（局放強(qiáng)度），Qmax（局放幅值最大值），PPC（每一周期的脈沖數(shù)）及各參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。以上信息就是分析局部放電及絕緣狀況的依據(jù)。

3.3 InsulGuard裝置的安裝和使用

耦合電容器一般安裝于電機(jī)的主接線盒中，與出線電纜并聯(lián)連接在出線銅排上，電容器之間、電容器與別的導(dǎo)體之間的間距應(yīng)大于125mm，電容器上的接地金屬片應(yīng)可靠接地，電容器測(cè)得的局放信號(hào)通過同軸電纜連接至監(jiān)測(cè)分析主機(jī)。

RTD模塊的安裝工作就是將RTD信號(hào)端子盒內(nèi)的端子排替換成InsulGuard專用的電阻式測(cè)溫器模塊，再使用同軸電纜將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)引至監(jiān)測(cè)分析主機(jī)。

負(fù)載電流互感器分兩種，按需選擇一種即可，直徑較大的為一次互感器，可穿在主接線盒內(nèi)電纜或銅排上；直徑較小的為二次互感器，應(yīng)穿在電機(jī)原有電流互感器的二次線上。溫度、濕度傳感器可使用專用雙面膠帶固定于主接線盒內(nèi)壁。以上信號(hào)分別引至監(jiān)測(cè)分析主機(jī)。

考慮到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)，監(jiān)測(cè)分析主機(jī)不應(yīng)直接安裝在電機(jī)上，可選擇安裝在電機(jī)混泥土基礎(chǔ)上或臨近支架上。監(jiān)測(cè)分析主機(jī)上電后應(yīng)設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)：通訊地址、通道配置、報(bào)警值等，然后就可以定時(shí)采集局放數(shù)據(jù)，并利用以太網(wǎng)或Modbus-RTU網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)。通過計(jì)算機(jī)上的分析軟件處理后，工程師便可看到直觀的局放數(shù)據(jù)和局放趨勢(shì)圖，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)即可做出判斷；或者再經(jīng)由Internet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)包送至Eaton公司服務(wù)器，通過與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有數(shù)據(jù)的比較，給出分析結(jié)果并反饋給客戶，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的在線局部放電監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上可知，由于大型高壓電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分重要的地位，為了減少非預(yù)期停車的概率，降低事故損失，縮短修復(fù)時(shí)間等問題，推廣局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尤其是InsulGuard等優(yōu)秀產(chǎn)品的應(yīng)用至關(guān)重要。

［1］金旭明.局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在高壓電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J].科技資訊,2013(11):12-13.

［2］蔣遠(yuǎn)東,陳慶國(guó),王發(fā)興.大型發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2012(2):134-135.