京能秦皇島熱電有限公司 楊成余 魏廣鴻

本文在綜合國內(nèi)外文獻的基礎上，分析了發(fā)電機定子線棒放電的四種類型，并比較了三種局部放電典型放電特性。結合600MW發(fā)電機應用的發(fā)電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，推薦局部放電監(jiān)測電信號抗干擾方法，為準確在線監(jiān)測提供參考。

引言：隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，人們生活越來越離不開電力，落后的高耗能機組不斷淘汰，發(fā)電機組單機容量向600MW、1000MW等大容量過渡，其安全性越發(fā)顯得重要。發(fā)電機的定子繞組絕緣在運行中要經(jīng)受電場力作用、熱應力、機械應力、化學作用和外部環(huán)境的影響，不可避免地受到損傷并在長期運行中逐漸劣化。據(jù)不完全統(tǒng)計，發(fā)電機機組的75%故障集中于定子絕緣絕緣故障。局部放電監(jiān)測設備可以檢測這種劣化情況，并已經(jīng)在許多大型機組安裝并使用，積累了豐富的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，幫助故障診斷，提前給出警報，指導設備維護部門制定有效的檢修計劃，防止嚴重事故的發(fā)生，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行具有重大的意義。

1.大型發(fā)電機定子局部放電監(jiān)測現(xiàn)狀

發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測,根據(jù)聲、光、電等局部放電所產(chǎn)生的現(xiàn)象，相應地開發(fā)出多種的測量方式。電測量方法通過測量介質(zhì)損耗的增大、脈沖電流、電磁波輻射等局部放電的電信號實現(xiàn)；非電量方法基于非電信號的變化來實現(xiàn)，例如光、熱、超聲波、氣體壓力的變化和由局部放電產(chǎn)生的化學變化。電脈沖法監(jiān)測局部放電的靈敏度遠高于其他監(jiān)測方法，成為當前主流。電測量方法類局部放電在線監(jiān)測在國內(nèi)外有六種代表性方法: 定子線槽微帶天線的槽耦合器法、發(fā)電機中性點射頻監(jiān)測和耦合法、發(fā)電機出線的電容耦合法、發(fā)電機出線側(cè)方向傳感器和中性點電流傳感器相結合的檢測方法、測溫元件引線射頻監(jiān)測方法以及將射頻天線安裝在發(fā)電機外殼上的檢測方法。

2.局部放電機理

絕緣系統(tǒng)在電場作用下，局部區(qū)域發(fā)生放電，并且在施加電壓的導體之間沒有穿透，即為局部放電現(xiàn)象。大型發(fā)電機定子有四種主要的放電類型：定子線圈股線斷裂引起的電弧放電、內(nèi)部放電、槽間放電和端部放電。其中絕緣內(nèi)部放電、線槽間放電和線棒端部放電可以概括為局部放電。電弧放電非常強烈，不再是局部放電，放電機理也不同于局部放電。

2.1 內(nèi)部放電

內(nèi)部放電發(fā)生在發(fā)電機定子主絕緣層中間、絕緣體與條形線棒之間或絕緣層與防暈材料之間的氣泡、氣體間隙里。這些氣隙和氣泡或是由于在制造期間或在發(fā)電機運行期間產(chǎn)生的熱和機械應力的組合引起的絕緣分層和破裂而產(chǎn)生的。當外施電壓超過氣體間隙或氣泡所能承受的穩(wěn)定電壓時，氣體間隙和氣泡被擊穿放電，稱之為內(nèi)部放電。在未達到氣體間隙擊穿電壓時，氣體間隙上的電壓隨施加的電壓而變化，當達到氣體間隙擊穿電壓時，氣體間隙放電并形成大量的空間電荷，實際電壓減小，放電暫停，然后氣體間隙上的電壓又隨外部的施加電壓變化而變化，直至達到擊穿電壓，氣體間隙再次放電。通常絕緣介質(zhì)的內(nèi)部放電不會在施加電壓過峰值的相位中發(fā)生，并且放電主要發(fā)生在所施加電壓的幅值絕對值上升部分。

2.2 端部放電

定子線棒槽處的電場屬于套管式結構，在眾多發(fā)電機定子絕緣故障中，端部放占據(jù)較大比重。定子繞組端部水電接頭連接處的絕緣需要純手動處理，質(zhì)量因人而異，控制困難。當過程控制不嚴格或者絕緣材料使用不當時，運行中水電接頭的絕緣很容易分層；在熱應力和鐵芯振動作用下，定子槽內(nèi)直線段線棒絕緣也會出現(xiàn)黃粉，磨損以至破裂。水電接頭和定子線棒絕緣形成的氣隙，會發(fā)生局部放電，繞組絕緣逐漸被侵蝕，絕緣強度降低，再加上水氫氫發(fā)電機的水冷定子繞組滲水影響，絕緣強度會進一步下降。另外，定子繞組端部通過壓板結構或綁扎固定，繞組漸開線部分不同相之間距離較小，如果發(fā)電機內(nèi)氫氣的相對濕度過高，并且擊穿電壓大大度降低時，不同相之間的總介電強度將無法承受相間額定電壓，由此將產(chǎn)生相間放電，進而發(fā)生嚴重的相間短路事故。發(fā)電機兩端軸瓦密封不嚴，密封油漏入發(fā)電機內(nèi)部，隨著冷卻氣體，將堵塞定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的通風孔，污染不同相繞組之間的固定材料，形成局部過熱或沿面閃絡，進而形成嚴重的相間短路事故。

2.3 槽部放電

定子繞組的主絕緣表面和鐵芯槽壁之間的放電稱之為槽部放電。當發(fā)電機投運時，電磁和機械原因引起定子鐵芯振動，長時間運行可能導致定子槽楔和波紋板松動，磨損低阻層；繞組與鐵芯之間的接觸點過熱引起的應力導致繞組防暈層損壞，這可能導致繞組的表面和鐵芯溝槽內(nèi)壁不能完全接觸，形成氣體間隙。由于鐵芯通風槽的電場分布并不均勻，當氣體間隙的局部電場強度達到擊穿電場強度時，氣體間隙中的氣體發(fā)生局部電離，形成槽部放電。當鐵芯凹槽中存在氣隙時，凹槽壁與繞組之間接觸面積變大，因而等效放電電容很大，放電容量很大，其可導致絕緣絕緣的快速損壞，危害發(fā)電機的安全運行。

2.4 電弧放電

定子繞組在發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程中，受到熱、電、磁、機械力，這可能引起定子繞組單匝線棒的疲勞斷裂。斷裂線芯兩端，由于間歇振動，形成間歇放電，并且在發(fā)電機定子電流過零時間歇重燃、熄滅，最終導致電弧放電。電弧放電產(chǎn)生的局部高溫足以導致線棒層間絕緣燒壞，并發(fā)展成熔化繞組銅導體、燒毀對地絕緣，發(fā)生接地短路和相間短路事故。由于斷線引起的電弧故障，具有極高的熱量，足以熔化銅導體，燒壞對地絕緣，所以事后解剖分析事故原因，往往找不到事故原因的證據(jù)。這種電弧放電故障，只要未發(fā)生相間或?qū)Φ囟搪?，發(fā)電機差動保護、相間保護、過流保護或過電壓保護就不會達到動作值，故障無法快速切除，導致故障時間長，破壞范圍大。由于電弧放電中，沒有固定的放電間隙，放電重復次數(shù)少，放電非常強，因此屬于局部放電類別。

2.5 局部放電脈沖特性

隨著對局部放電性質(zhì)認識的深入和檢測技術的增強，對局部放電的關注從傳統(tǒng)變量，諸如原始的放電量、工頻放電統(tǒng)計圖等向放電波形本身、脈沖寬度、脈沖上升時間等變量轉(zhuǎn)變。大量的研究結果表明，局部放電將產(chǎn)生較寬范圍的脈沖信號頻率，其中一些脈沖信號頻譜含量超過1GHz。實驗獲得三種典型的局部放電波形，通過比對分析三種局部放電的頻譜的分布和時域波形，可以得知：內(nèi)部放電脈沖波形的上升沿最陡，脈沖寬度最短，頻譜分布最寬，高頻含量高；槽部放電的上升沿最緩，脈沖寬度相對較寬。頻譜分布以低頻為主，端部放電的波形及頻譜分布在槽部放電和內(nèi)部放電之間。

3.定子繞組局部放電在線監(jiān)測在某大型水氫氫發(fā)電機的應用

本文介紹了600MW水氫氫發(fā)電機基于中性點耦合方法的發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際應用。水氫氫發(fā)電機中性點系統(tǒng)經(jīng)隔離刀閘、中性點接地變壓器接地?；谥行渣c耦合方法的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括以下幾部分：電流傳感器、耦合電容器、信號調(diào)節(jié)通道、同軸電纜、同步工頻電壓信號調(diào)節(jié)通道、數(shù)據(jù)采集卡、單片控制模塊以及監(jiān)控計算機。利用中性點耦合方式采集放電信號，經(jīng)過放大、濾波、除噪，特征量的提取，實現(xiàn)局放模式識別與故障診斷。其硬件結構及連接見圖1。

圖1 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)圖

結合水氫氫發(fā)電機中性點系統(tǒng)接地結構和在繞組中傳播局放脈沖信號的特性，在發(fā)電機定子線棒中心線出線端安裝寬頻率的電流傳感器，由監(jiān)控系統(tǒng)提取初級信號，在相應的噪聲消除處理后，獲得局部放電信號。這種在線監(jiān)測設置具有中心點對地電位低、寬頻帶傳感器相對容易生產(chǎn)和安裝的優(yōu)點，但信號容易出現(xiàn)失真。所以必須采用更高精度的噪聲消除或干擾抑制信號技術和PD信號識別技術。為了提高信號的精度，可考慮采用基于快速傅立葉變換的信號處理，在閾值直線法的基礎上，采用閾值曲線數(shù)字濾波法去除周期性干擾。這種方法自適應能力較強，受現(xiàn)場的干擾影響較少，但是能量損失較大。

4.結論

發(fā)電機定子繞組線棒絕緣老化是定子繞組線棒絕緣失效的主要原因，而局部放電則是絕緣老化的重要現(xiàn)象之一。因此，在線監(jiān)測發(fā)電機定子繞組的局部放電特性參數(shù)，提取有效的變量信號，實時了解絕緣老化，判斷放電模式，診斷故障類型，大大提高了大型發(fā)電機的安全性，有效避免了機組的意外停機。但局部放電監(jiān)測仍有許多問題亟待解決，如特征參數(shù)的選擇、干擾信號的抑制、檢測裝置頻帶的選擇等。所以，我們需要更加深入地研究發(fā)電機定子繞組局部放電監(jiān)測，結合發(fā)電機的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，探索最有效的測量方法和干擾抑制方法，更加真實反映繞組絕緣狀況，推動發(fā)電機狀態(tài)檢修向縱深方向發(fā)展。