枕頭壩水電站定子局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用

彭桂樺

摘 要：定子繞組絕緣故障是大型發(fā)電機(jī)組的主要故障之一。發(fā)電機(jī)因定子絕緣故障引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響了發(fā)電企業(yè)的安全生產(chǎn)，還會(huì)產(chǎn)出昂貴的維修費(fèi)用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在運(yùn)行狀態(tài)下對發(fā)電機(jī)定子繞組的絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測，可以有效了解發(fā)電機(jī)絕緣的狀態(tài)，避免惡性事故的發(fā)生，為發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：絕緣;發(fā)電機(jī);定子繞組

中圖分類號(hào)：TM31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）17-0043-03

Innovative Application of Partial Discharge Monitoring in

Stator of Zhentouba Hydropower Station

PENG Guihua

（National Energy Group Dadu River Pillow Dam Power Generation Co.， Ltd.，Leshan Sichuan 614000）

Abstract： The stator winding insulation fault is one of the main faults of large-scale power electric generator. The generator accidents caused by stator insulation fault occur from time to time， which seriously affect the safety production of power generation enterprises and cause huge economic losses. The on-line monitoring of the insulation condition of the generator stator windings under operating conditions can effectively understand the insulation condition of the generator， avoid the occurrence of malignant accidents， and improve the reliability of the safe operation of the electric generator.

Keywords： insulation;generator;stator winding

1 發(fā)電機(jī)定子局部放電的基本情況

大型發(fā)電機(jī)定子線棒在生產(chǎn)過程中因制造工藝，在絕緣層間或絕緣層與股線之間可能存在氣隙或雜質(zhì)。發(fā)電機(jī)定子線棒的長期運(yùn)行過程中，在電、熱和機(jī)械力的聯(lián)合作用下，會(huì)直接或間接出現(xiàn)絕緣劣化問題，使得絕緣層間產(chǎn)生新的氣隙。在運(yùn)行電壓的作用下，氣隙中的場強(qiáng)很容易達(dá)到擊穿場強(qiáng)，造成絕緣體內(nèi)部放電。內(nèi)部放電會(huì)產(chǎn)生大量能量很大的帶電粒子，這些高能帶電粒子以很高的速度碰撞氣隙壁，能夠打斷絕緣體的化學(xué)鍵，造成絕緣材料表面被侵蝕。局部放電產(chǎn)生的局部過熱，也會(huì)造成高溫聚合物裂解而使絕緣損壞。

在運(yùn)行電壓的作用下，通常氣隙首先被擊穿，形成局部放電。內(nèi)部局放的電、熱、化學(xué)和機(jī)械力的聯(lián)合作用，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大氣隙，造成絕緣有效厚度減少，進(jìn)一步降低擊穿電壓，最終導(dǎo)致絕緣擊穿[1]。

局部放電產(chǎn)生的條件之一是電壓，其次是充滿空氣的氣隙或者氣泡。當(dāng)氣隙中的電場強(qiáng)度達(dá)到電擊穿強(qiáng)度時(shí)，氣體被電離，有電流通過造成局部導(dǎo)通。發(fā)電機(jī)定子線棒的局部放電主要發(fā)生在絕緣內(nèi)部、絕緣與銅接觸部分或者線棒表面[2]。

圖1右半部分是線棒剖面示意圖，左半部分是等效電路圖。當(dāng)氣泡中電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿強(qiáng)度時(shí)，氣泡中氣體被電離，有電流通過，氣泡兩端電壓下降。當(dāng)定子線棒電壓下降時(shí)，氣泡中電場強(qiáng)度低于擊穿強(qiáng)度，氣泡中沒有電流通過，兩端電壓和絕緣電壓恢復(fù)一致。氣泡兩端電壓周期如圖2所示。

2 枕頭壩水電站定子局放的現(xiàn)狀與創(chuàng)新應(yīng)用

枕頭壩一級(jí)水電站位于大渡河中游的四川省樂山市金口河區(qū)，是大渡河干流規(guī)劃22級(jí)方案中的第19級(jí)。水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，同時(shí)兼顧下游用水。電站廠房為河床式，位于河道左岸壩段。一級(jí)電站壩址控制流域面積為73 057 km2，多年平均流量為1 360 m3/s，正常蓄水位為624 m，最大壩高為86.5 m，水庫總庫容為0.469億m3，正常蓄水位以下庫容為0.435億m3，調(diào)節(jié)庫容為0.145億m3，水庫回水長度為16.71 km。電站安裝4臺(tái)18 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量72 MW，可研多年平均發(fā)電量為32.90億kW·h，為徑流式電站，Ⅱ等大（2）型工程。

目前，枕頭壩水電站的定子由機(jī)座、鐵芯、繞組等結(jié)構(gòu)組成。定子機(jī)座為正二十四邊形結(jié)構(gòu)，由軋制鋼板焊接而成，并分成6瓣。定子鐵芯采用高導(dǎo)磁、低損耗、無時(shí)效的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片沖制而成。沖片嚴(yán)格去毛刺后，兩面涂上固化時(shí)間短、收縮率小、硬度高的F級(jí)絕緣漆。定子繞組為雙層桿式波繞組，3個(gè)支路星形連接，繞組絕緣材料為F級(jí)。

提高對定子絕緣能力的監(jiān)測水平，提前查出潛在故障，可大大減少大型發(fā)電機(jī)惡性絕緣事故發(fā)生的概率。然而，機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中無法監(jiān)測定子的局部放電現(xiàn)象，只能依靠設(shè)備定期試驗(yàn)來確認(rèn)絕緣情況。枕頭壩水電站通過局部放電的在線檢測來監(jiān)測電機(jī)定子絕緣的狀態(tài)，以時(shí)刻掌握定子絕緣狀況，通過分析檢測報(bào)告進(jìn)行診斷，從而為定子檢修工作提供依據(jù)，避免因突發(fā)故障造成事故停機(jī)的情況。

3 枕頭壩水電站局放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電容傳感器

電容傳感器相當(dāng)于一個(gè)容量為80 pF的電容器。局部放電產(chǎn)生的高頻信號(hào)很容易通過電容傳感器，而50 Hz的交流電則很難通過。根據(jù)容抗計(jì)算公式，80 pF電容對于50 Hz的交流信號(hào)容抗約為40 MΩ，而對于高頻局放信號(hào)（假設(shè)頻率83 MHz）的容抗約為24 Ω。因此，可以看出80 pF電容器相當(dāng)于高通低阻濾波器，極大地抑制了50 Hz的低頻信號(hào)，增強(qiáng)了抗干擾能力。電容傳感器頻響與噪聲曲線，如圖3所示。調(diào)查顯示，發(fā)電廠的電噪聲頻率大都在20 MHz以下，而局放信號(hào)的頻率為50～250 MHz，電容傳感器的工作頻率為40～350 MHz，因此采用電容傳感器監(jiān)測局放信號(hào)可獲得較高的信噪比[3]。

定子線圈具有一定的感抗。根據(jù)感抗計(jì)算公式，定子對于局放信號(hào)（假設(shè)頻率為83 MHz）的感抗是50 Hz交流電的1 660 000倍，因此局放信號(hào)在定子線圈內(nèi)傳輸距離不遠(yuǎn)，無法傳輸?shù)街行渣c(diǎn)。另外，定子線圈高壓部分會(huì)發(fā)生局部放電，而靠近中性點(diǎn)的低電壓部分則不會(huì)發(fā)生局部放電，因此電容傳感器一般安裝在定子線棒的高壓側(cè)部分匯流環(huán)或者母線上（感抗小，信號(hào)衰減少），也就是局部放電容易發(fā)生的部位。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，枕頭壩水電站每臺(tái)機(jī)組分別安裝了6對耦合器。

3.2 測量儀

局部放電信號(hào)經(jīng)傳感器、信號(hào)電纜連接到測量儀的信號(hào)輸入端。測量儀受上位機(jī)控制，在發(fā)電機(jī)定子帶電壓的情況下進(jìn)行測量，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[4]。

測量儀通過RS485通信方式與上位機(jī)連接。上位機(jī)可設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)局部放電強(qiáng)度超過設(shè)定值時(shí)，儀器可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制繼電器動(dòng)作。

3.3 上位機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)共安裝了局放數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和Web服務(wù)器。局放數(shù)據(jù)采集服務(wù)器作用于從主機(jī)設(shè)備中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的通信程序，用于下載、分析局放數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器則安裝了局放數(shù)據(jù)接收程序和查詢系統(tǒng)。系統(tǒng)通過Modbus協(xié)議，實(shí)時(shí)從局放控制儀設(shè)備中讀取局放數(shù)據(jù)。采數(shù)周期為每20 min左右一次，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地服務(wù)器，以便進(jìn)行Web查詢和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

運(yùn)維人員可通過Web服務(wù)器上的數(shù)據(jù)監(jiān)測查詢系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過曲線分析和了解各個(gè)機(jī)組最近24 h的局放情況。如果發(fā)現(xiàn)局放值偏高，則需要通過數(shù)據(jù)查詢功能來定位局放值最高的支路和槽位。

3.4 定向噪聲分離技術(shù)

定向噪聲分離技術(shù)應(yīng)用于汽輪發(fā)電機(jī)局部放電測量，特點(diǎn)是傳感器都安裝在母線上。每相安裝兩個(gè)傳感器：一個(gè)盡量靠近發(fā)電機(jī)，目的是獲得較強(qiáng)的局放信號(hào)（最小衰減）;另一個(gè)安裝距離前一個(gè)傳感器2.5 m以上（2.5～4.0 m最佳）。如圖4所示，局部放電信號(hào)經(jīng)母線先到達(dá)第一個(gè)傳感器C1，然后到達(dá)測量儀輸入端M。另一邊局放信號(hào)經(jīng)過一段延遲后經(jīng)第二個(gè)傳感器C2到達(dá)測量儀輸入端S。C1和C2到測量儀輸入端M和輸入端S的距離相等，這樣信號(hào)時(shí)間差就是母線上延遲段傳輸時(shí)間T。反之，從外部來的信號(hào)會(huì)先到達(dá)S，后到達(dá)M，時(shí)間關(guān)系不同。測量儀具有高精度的時(shí)間分辨率，最小可達(dá)6 ns。測量儀可根據(jù)信號(hào)到達(dá)儀器輸入端的先后關(guān)系判斷信號(hào)是來自發(fā)電機(jī)還是外部，如果時(shí)間差小于[T]，說明信號(hào)來自兩個(gè)傳感器之間的母線上，也就是延遲部分[5]。

4 結(jié)語

局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠長期運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子在運(yùn)行過程中的局部放電情況，不僅可以及時(shí)對其絕緣異常狀態(tài)和放電性故障做出預(yù)警，還可以測量出局部放電脈沖的數(shù)量、幅度、位置等信息。這些信息經(jīng)過分析處理后，能夠幫助工作人員對設(shè)備的絕緣狀況做出合理診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果安排相應(yīng)的檢修工作。因此，局部放大在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修的重要前提，是保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳卓，劉念，薄麗雅，等.大型發(fā)電機(jī)定子繞組局部放電在線監(jiān)測方法的研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005（6）：22-25.

[2]范春學(xué)，韓鳳琴，韋彩新，等.水輪發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測[J].水電能源科學(xué)，2003（3）：79-81.

[3]蘇鵬聲，汪小明，曹海翔，等.大型發(fā)電機(jī)定子繞組局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].電工電能新技術(shù)，2000（2）：51-54.

[4]楊春明.水輪發(fā)電機(jī)定子絕緣局部放電的在線監(jiān)測[J].云南水力發(fā)電，2002（1）：92-93.

[5]王文龍.局放檢測方法在發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用研究[J].河南科技，2021（2）：54-56.