基于80pF電容耦合器的發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及其應(yīng)用

楊 東，熊婧江

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

2.國(guó)電大渡河流域梯級(jí)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(qiáng)的電場(chǎng)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(dāng)間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電擊穿強(qiáng)度時(shí)，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(jī)定子線棒絕緣耐壓等級(jí)是按其工況電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，在正常運(yùn)行時(shí)，其絕緣性能均能承受其工況電壓。但由于設(shè)計(jì)、制造工藝及安裝調(diào)試等原因，發(fā)電機(jī)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(zhǎng)期的電壓或瞬時(shí)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(jī)定子線棒局部放電的時(shí)間短，能量小，但危害性很大。發(fā)電機(jī)定子絕緣受如電氣、溫度、機(jī)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(jī)在電網(wǎng)中的重要作用，需要通過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部放電有效地掌握發(fā)電機(jī)定子的絕緣狀況[2]。

1 發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)方法

近年來(lái)，局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，并得到了實(shí)際應(yīng)用，主要的監(jiān)測(cè)方法有：

1.1 射頻監(jiān)測(cè)法

射頻監(jiān)測(cè)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(jī)定子繞組中性點(diǎn)上采集高頻放電信號(hào)，如圖1所示。射頻監(jiān)測(cè)法廣泛應(yīng)用于發(fā)電機(jī)和大型高速交流電動(dòng)機(jī)[3]。

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

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

1.2 測(cè)溫元件監(jiān)測(cè)法

測(cè)溫元件監(jiān)測(cè)法是把埋置在定子線槽里的測(cè)溫元件導(dǎo)線作為局部放電監(jiān)測(cè)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(cè)溫元件監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是利用埋置于線槽的測(cè)溫元件導(dǎo)線作為局部放電監(jiān)測(cè)傳感器，而不用安裝額外的元件。測(cè)溫元件監(jiān)測(cè)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(cè)盲區(qū)。

1.3 PDA監(jiān)測(cè)法

PDA監(jiān)測(cè)法由加拿大安大略水電公司于20世紀(jì)70年代提出。PDA監(jiān)測(cè)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(gè)高頻濾波器，利用繞組內(nèi)局部放電信號(hào)和外部噪聲信號(hào)傳播路徑的不同來(lái)過(guò)濾噪聲，如圖2所示。

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

1.4 定子槽耦合器監(jiān)測(cè)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(cè)到ns級(jí)脈寬的局部放電脈沖，主要優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)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(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

某水電站安裝4臺(tái)混流式發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為4×650MW，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF650-48/14600，額定電壓18kV，額定電流23165A。發(fā)電機(jī)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(jí)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

電站局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由1F-4F 局部放電監(jiān)測(cè)裝置及局放工作站組成。局放工作站與各機(jī)組局放監(jiān)測(cè)儀之間通過(guò)光纖進(jìn)行通信，并預(yù)留有通信接口，實(shí)現(xiàn)與電站計(jì)算機(jī)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(shí)噪聲分離技術(shù)方式進(jìn)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(jìn)行安裝（俗稱(chēng)雙端安裝），單臺(tái)機(jī)組共安裝12個(gè)耦合傳感器，其詳細(xì)的布置定位如表1所示，根據(jù)耦合器的安裝定位剝開(kāi)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(jìn)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(shí)噪聲分離技術(shù)Fig．4 Timing noise separation technology

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

根據(jù)研究，水電站現(xiàn)場(chǎng)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(cè)局放信號(hào)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(jī)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(guò)長(zhǎng)，防止局部放電信號(hào)的過(guò)多衰減。

2.4 局放在線監(jiān)測(cè)儀

電站采用BusTrac局放在線監(jiān)測(cè)儀，采用定時(shí)噪聲分離技術(shù)對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行采集提取。局部放電信號(hào)經(jīng)電容耦合器、同軸電纜連接到局放在線監(jiān)測(cè)儀的信號(hào)輸入端，局放在線監(jiān)測(cè)儀對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號(hào)處理，統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)局部放電信號(hào)的脈沖數(shù)量、放電強(qiáng)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(fù)局放。

2.5 工作站

局放在線監(jiān)測(cè)儀通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸給工作站，通過(guò)計(jì)算機(jī)可對(duì)局放在線監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)查閱發(fā)電機(jī)局部放電狀況，并預(yù)留有通信接口，可實(shí)現(xiàn)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、一體化應(yīng)用平臺(tái)的通信。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)結(jié)果的基本解釋方法有：相同機(jī)組局放值的發(fā)展趨勢(shì)比較、相同機(jī)組的不同局放分析圖比較、同類(lèi)機(jī)組的局放數(shù)據(jù)庫(kù)比較。電站機(jī)組發(fā)電機(jī)定子局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作站設(shè)置在發(fā)電機(jī)層，便于運(yùn)行維護(hù)人員查看。

3.1 放電幅值分析

2017年1月，電站發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到1號(hào)機(jī)組最大放電幅值Qm為4400mV左右，如圖6所示。

圖6 1號(hào)機(jī)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(gè)重復(fù)頻率為每秒10個(gè)脈沖的基本（直接測(cè)量）脈沖類(lèi)別的脈沖幅度，并且對(duì)應(yīng)于峰值局部放電活動(dòng)。Qm是繞組中惡化最厲害的部分中局部放電嚴(yán)重程度的指標(biāo)。負(fù)Qm和正Qm分別指的是來(lái)自負(fù)局部放電和正局部放電脈沖的峰值局部放電活動(dòng)[5]。

選取B相（耦合器編號(hào)B2-C1/B2-C2）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，開(kāi)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(méi)有發(fā)生變化，但是與同類(lèi)發(fā)電機(jī)進(jìn)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(duì)地基準(zhǔn)電壓間的相位角關(guān)系，選取B相（耦合器編號(hào)B2-C1/B2-C2）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，開(kāi)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(fù)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(méi)有極性?xún)?yōu)勢(shì)。1號(hào)機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行不到兩年，存在過(guò)多的這種類(lèi)型的局部放電可能原因?yàn)榻n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(shì)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(yùn)行情況分析

運(yùn)行情況分析只適應(yīng)于經(jīng)典局部放電情況，通過(guò)采集不同運(yùn)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(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，1號(hào)機(jī)組負(fù)載變化對(duì)局放數(shù)據(jù)沒(méi)有直接影響，表明不存在因機(jī)械力導(dǎo)致的松動(dòng)等缺陷。

4 處理情況

鑒于1號(hào)機(jī)組局部放電在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，電站利用檢修機(jī)會(huì)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行修前局部放電試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(kāi)展了機(jī)組定子專(zhuān)項(xiàng)檢查處理工作，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組端部存在臟污和白色物質(zhì)，對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的7處定子線棒跨接線絕緣層松動(dòng)部位重新進(jìn)行了絕緣處理，整體清掃了機(jī)組衛(wèi)生并重新噴涂了絕緣漆。

檢修后，對(duì)機(jī)組進(jìn)行修后局部放電試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)10000pC。與修前對(duì)比，修后局部放電量明顯降低，說(shuō)明處理效果理想[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中受到溫度、電磁感應(yīng)、機(jī)械應(yīng)力等因素的疊加影響，這些因素會(huì)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(huì)導(dǎo)致定子出現(xiàn)絕緣故障，因此發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用顯得越來(lái)越重要。但是，發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)還應(yīng)在以下幾個(gè)方面繼續(xù)改進(jìn)：

（1）發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)的幾種監(jiān)測(cè)傳感器需要與定子安裝時(shí)同步施工，或者后期通過(guò)破開(kāi)定子主絕緣安裝傳感器，這就要求發(fā)電機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)盡量與發(fā)電機(jī)同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)采購(gòu)、同時(shí)施工、同時(shí)投入運(yùn)行，以避免后期對(duì)主設(shè)備的施工和改造。

（2）傳統(tǒng)的局部放電檢測(cè)是測(cè)量高壓電氣設(shè)備的視在電荷，放電的強(qiáng)度以單位pC表達(dá)。而發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測(cè)的是一個(gè)短暫電壓峰值，測(cè)量結(jié)果以單位mV表達(dá)，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(cè)與局部放電在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以對(duì)比、校核[7]。

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

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