局部放电监测系统在大型高压电动机上的应用

2015-04-28王晖

科技视界 2015年12期

王晖

（林德工程〈杭州〉有限公司工程中心，浙江杭州 310012）

大型高压电动机是工业生产中的关键设备，往往一台电机故障就可以影响整个装置的投用，造成巨大的经济损失。而电机故障中定子绝缘问题所占比列较高，因此对定子绝缘进行监测，及时了解绝缘情况，在绝缘劣化严重时提前采取措施就很有意义。常规的绝缘监测方法包括目视检查、绝缘电阻试验和耐压试验等，这些检验需要周期性的停机，影响生产的连续性；耐压试验属于破坏性试验，影响电机绝缘的寿命。而局部放电监测作为一种评价绝缘优劣的灵敏方法，其在线性、安全性和绝缘分析的准确性为人所知，因此局部放电监测系统的应用也必然越来越多[1]。

1 高压电动机定子绕组局部放电及绝缘损坏过程

局部放电即导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电，在绝缘系统中局部场强随着电压的升高而升高，当超过该部位的击穿场强时，就发生局部放电现象[2]。高压电动机定子绕组都有一些局部放电现象，但是受工业环境中电、热、机械应力及环境因素的影响，绕组的绝缘性能出现下降，放电现象也明显严重起来，因此局部放电通常是绝缘缺陷的征兆而不是直接的故障原因，这样通过测量、分析局部放电数据便可以了解绕组的绝缘情况。

2 局部放电的监测方法

2.1 中性点耦合监测法

对于星型联接并设置中性点接地线的定子绕组，由于中性点对地电位低，电机内任何部位的局部放电都会在中性点接地线上产生相应的射频电流，因此可通过在中性线上设置贯穿式射频电流互感器检测这部分信号。互感器将测得的信号送至射频监测器，由监测器记录并分析电流的时域或频域特性，以此来判断局部放电的强弱。较早的美国西屋公司RMF系统、美国AEP公司CSR-200系统都是采用这种监测方法，其优点是安装、维护简单，缺点是灵敏度较低、易受接地网中的噪音影响且难以区分运行中的噪音信号，因而使用范围受到限制。

2.2 电机引出线耦合监测法

此方法通常在电机引出线上并联安装一组耦合电容器，每相一个，通过电容器检测局部放电的高频信号，再送至监测器记录分析。较早采用的电容器一般为375～1000pF，虽然其响应频带好，但因容量较高而体积偏大，信号的信噪比也不够理想，之后改用80pF的电容器，其频带降为40～350MHz，这样更多的高频有效信号将被过滤出来，信噪比也随之提高。若外部噪音较高，还可在上级馈电设备引出线上安装另外一组耦合电容器，因电机内部信号与外部信号到达两组电容器的先后顺序不同，这样外部噪音信号便可以被区别出来并加以滤除。奥地利OMICRON公司的OMS-600系统、加拿大IRIS公司的TGA-B系统是这种方式的代表。相较于射频电流互感器，电容器有低阻高通的特性，因此信噪比可以明显提高，但是电容器与电机高压带电端直接连接且体积较大，安装维护工作相对复杂。

2.3 槽耦合器（SSC）监测法

对于内部噪音较大的电机，以上监测方式无法有效区分局放信号与内部噪音。加拿大IRIS公司通过研制，推出了安装于定子槽内的特制传感器-定子槽耦合器（SSC）。SSC由环氧树脂及玻璃合成层压板制成，每个厚约2mm，与定子槽等宽，长度最短可修剪至53cm，成薄片状。内嵌的SSC能够更加灵敏的获得电机内部的噪音信号与局放信号，且SSC在频率从10～1000MHz范围内都有相当好的响应，因此能够监测到更加真实的局放信号脉冲波形。与SSC配套的TGA-S局放仪能够对测定的脉冲进行逐个检查，并根据脉冲的特性区分出噪音信号及脉冲信号——局放脉冲是单极性的、无摆动的、上升时间快且频率很高的脉冲，噪音信号是摆动的且上升时间慢的脉冲。SSC监测法区分噪音的能力强，灵敏度也很高，但是要求埋置专用的耦合器，成本较高，所以有一定局限性。

2.4 电阻式测温元件监测法

以埋置在定子槽内的电阻式测温元件（RTD）作为局部放电传感器的监测方法。这种方法不需要安装额外的传感器，对电机现有回路的影响最小，附加成本也最低。其原理与SSC有相似之处，灵敏度与信噪比也很高，是一种很有发展前景的监测方式。下文介绍的美国Eaton公司的InsulGard系统使用了这种方法。

3 InsulGuard装置的应用

3.1 InsulGuard装置简介

InsulGuard装置是美国Eaton公司研制的世界上第一套能够对不同中压设备进行在线的、连续的、预警性的绝缘在线监测系统，可以监测所有4kV及以上电压等级的电力设备，如发电机、电动机、变压器、开关柜、电缆等，对实现电力系统的免维护和状态检修具有革命性的意义。

针对电动机应用，InsulGuard装置由以下部分组成：

（1）硬件部分包含的元器件：

RTD模块-局部放电信号中转器

耦合电容-局部放电信号传感器

负载电流互感器

温度传感器

湿度传感器

监测分析主机

所有的连接线缆

（2）软件部分包含的功能：

选择装置

图表分析和报告

数据通讯

系统设置

3.2 InsulGuard装置工作原理

InsulGuard装置采用的传感器就是上文介绍的耦合电容传感器和电阻测温元件传感器，由于局放信号在电机传播过程中会衰减，信号的频率越高噪音越小，但是衰减越大，这样就需要在衰减和噪音两方面综合考虑来选取最佳测量频率。不同的传感器有不同的频率响应范围和针对电机不同位置的特定灵敏度，因此组合的传感器就可以提供局放分析的足够信息。

3个辅助性传感器，温度、湿度、负载电流提供局部放电信号和电机运行环境之间的相互关联情况，是进一步辨认缺陷种类的重要信息。

监测分析主机通过传感器定时的测量局放信号，每一次测量都会在每个频道上获取相位分辨数据，即相位矩阵：21个幅值大小间隔（3.5dB/间隔）和 24 个相位窗口（15 度/窗口），并计算如下参数:PDI（局放强度），Qmax（局放幅值最大值），PPC（每一周期的脉冲数）及各参数的发展趋势。以上信息就是分析局部放电及绝缘状况的依据。

3.3 InsulGuard装置的安装和使用

耦合电容器一般安装于电机的主接线盒中，与出线电缆并联连接在出线铜排上，电容器之间、电容器与别的导体之间的间距应大于125mm，电容器上的接地金属片应可靠接地，电容器测得的局放信号通过同轴电缆连接至监测分析主机。

RTD模块的安装工作就是将RTD信号端子盒内的端子排替换成InsulGuard专用的电阻式测温器模块，再使用同轴电缆将转换后的信号引至监测分析主机。

负载电流互感器分两种，按需选择一种即可，直径较大的为一次互感器，可穿在主接线盒内电缆或铜排上；直径较小的为二次互感器，应穿在电机原有电流互感器的二次线上。温度、湿度传感器可使用专用双面胶带固定于主接线盒内壁。以上信号分别引至监测分析主机。

考虑到电机运行时的震动，监测分析主机不应直接安装在电机上，可选择安装在电机混泥土基础上或临近支架上。监测分析主机上电后应设置好相应参数：通讯地址、通道配置、报警值等，然后就可以定时采集局放数据，并利用以太网或Modbus-RTU网络将数据包送至后台计算机。通过计算机上的分析软件处理后，工程师便可看到直观的局放数据和局放趋势图，根据自己的经验即可做出判断；或者再经由Internet网络，将数据包送至Eaton公司服务器，通过与数据库中已有数据的比较，给出分析结果并反馈给客户，实现全自动的在线局部放电监测。