基于局部放电机理的大型发电机在线监测

京能秦皇岛热电有限公司 杨成余 魏广鸿

本文在综合国内外文献的基础上，分析了发电机定子线棒放电的四种类型，并比较了三种局部放电典型放电特性。结合600MW发电机应用的发电机局部放电监测系统，推荐局部放电监测电信号抗干扰方法，为准确在线监测提供参考。

引言：随着经济快速发展，人们生活越来越离不开电力，落后的高耗能机组不断淘汰，发电机组单机容量向600MW、1000MW等大容量过渡，其安全性越发显得重要。发电机的定子绕组绝缘在运行中要经受电场力作用、热应力、机械应力、化学作用和外部环境的影响，不可避免地受到损伤并在长期运行中逐渐劣化。据不完全统计，发电机机组的75%故障集中于定子绝缘绝缘故障。局部放电监测设备可以检测这种劣化情况，并已经在许多大型机组安装并使用，积累了丰富的经验数据，帮助故障诊断，提前给出警报，指导设备维护部门制定有效的检修计划，防止严重事故的发生，对电力系统的安全、稳定、可靠、经济运行具有重大的意义。

1.大型发电机定子局部放电监测现状

发电机定子局部放电在线监测,根据声、光、电等局部放电所产生的现象，相应地开发出多种的测量方式。电测量方法通过测量介质损耗的增大、脉冲电流、电磁波辐射等局部放电的电信号实现；非电量方法基于非电信号的变化来实现，例如光、热、超声波、气体压力的变化和由局部放电产生的化学变化。电脉冲法监测局部放电的灵敏度远高于其他监测方法，成为当前主流。电测量方法类局部放电在线监测在国内外有六种代表性方法: 定子线槽微带天线的槽耦合器法、发电机中性点射频监测和耦合法、发电机出线的电容耦合法、发电机出线侧方向传感器和中性点电流传感器相结合的检测方法、测温元件引线射频监测方法以及将射频天线安装在发电机外壳上的检测方法。

2.局部放电机理

绝缘系统在电场作用下，局部区域发生放电，并且在施加电压的导体之间没有穿透，即为局部放电现象。大型发电机定子有四种主要的放电类型：定子线圈股线断裂引起的电弧放电、内部放电、槽间放电和端部放电。其中绝缘内部放电、线槽间放电和线棒端部放电可以概括为局部放电。电弧放电非常强烈，不再是局部放电，放电机理也不同于局部放电。

2.1 内部放电

内部放电发生在发电机定子主绝缘层中间、绝缘体与条形线棒之间或绝缘层与防晕材料之间的气泡、气体间隙里。这些气隙和气泡或是由于在制造期间或在发电机运行期间产生的热和机械应力的组合引起的绝缘分层和破裂而产生的。当外施电压超过气体间隙或气泡所能承受的稳定电压时，气体间隙和气泡被击穿放电，称之为内部放电。在未达到气体间隙击穿电压时，气体间隙上的电压随施加的电压而变化，当达到气体间隙击穿电压时，气体间隙放电并形成大量的空间电荷，实际电压减小，放电暂停，然后气体间隙上的电压又随外部的施加电压变化而变化，直至达到击穿电压，气体间隙再次放电。通常绝缘介质的内部放电不会在施加电压过峰值的相位中发生，并且放电主要发生在所施加电压的幅值绝对值上升部分。

2.2 端部放电

定子线棒槽处的电场属于套管式结构，在众多发电机定子绝缘故障中，端部放占据较大比重。定子绕组端部水电接头连接处的绝缘需要纯手动处理，质量因人而异，控制困难。当过程控制不严格或者绝缘材料使用不当时，运行中水电接头的绝缘很容易分层；在热应力和铁芯振动作用下，定子槽内直线段线棒绝缘也会出现黄粉，磨损以至破裂。水电接头和定子线棒绝缘形成的气隙，会发生局部放电，绕组绝缘逐渐被侵蚀，绝缘强度降低，再加上水氢氢发电机的水冷定子绕组渗水影响，绝缘强度会进一步下降。另外，定子绕组端部通过压板结构或绑扎固定，绕组渐开线部分不同相之间距离较小，如果发电机内氢气的相对湿度过高，并且击穿电压大大度降低时，不同相之间的总介电强度将无法承受相间额定电压，由此将产生相间放电，进而发生严重的相间短路事故。发电机两端轴瓦密封不严，密封油漏入发电机内部，随着冷却气体，将堵塞定子绕组、转子绕组的通风孔，污染不同相绕组之间的固定材料，形成局部过热或沿面闪络，进而形成严重的相间短路事故。

2.3 槽部放电

定子绕组的主绝缘表面和铁芯槽壁之间的放电称之为槽部放电。当发电机投运时，电磁和机械原因引起定子铁芯振动，长时间运行可能导致定子槽楔和波纹板松动，磨损低阻层；绕组与铁芯之间的接触点过热引起的应力导致绕组防晕层损坏，这可能导致绕组的表面和铁芯沟槽内壁不能完全接触，形成气体间隙。由于铁芯通风槽的电场分布并不均匀，当气体间隙的局部电场强度达到击穿电场强度时，气体间隙中的气体发生局部电离，形成槽部放电。当铁芯凹槽中存在气隙时，凹槽壁与绕组之间接触面积变大，因而等效放电电容很大，放电容量很大，其可导致绝缘绝缘的快速损坏，危害发电机的安全运行。

2.4 电弧放电

定子绕组在发电机运转过程中，受到热、电、磁、机械力，这可能引起定子绕组单匝线棒的疲劳断裂。断裂线芯两端，由于间歇振动，形成间歇放电，并且在发电机定子电流过零时间歇重燃、熄灭，最终导致电弧放电。电弧放电产生的局部高温足以导致线棒层间绝缘烧坏，并发展成熔化绕组铜导体、烧毁对地绝缘，发生接地短路和相间短路事故。由于断线引起的电弧故障，具有极高的热量，足以熔化铜导体，烧坏对地绝缘，所以事后解剖分析事故原因，往往找不到事故原因的证据。这种电弧放电故障，只要未发生相间或对地短路，发电机差动保护、相间保护、过流保护或过电压保护就不会达到动作值，故障无法快速切除，导致故障时间长，破坏范围大。由于电弧放电中，没有固定的放电间隙，放电重复次数少，放电非常强，因此属于局部放电类别。

2.5 局部放电脉冲特性

随着对局部放电性质认识的深入和检测技术的增强，对局部放电的关注从传统变量，诸如原始的放电量、工频放电统计图等向放电波形本身、脉冲宽度、脉冲上升时间等变量转变。大量的研究结果表明，局部放电将产生较宽范围的脉冲信号频率，其中一些脉冲信号频谱含量超过1GHz。实验获得三种典型的局部放电波形，通过比对分析三种局部放电的频谱的分布和时域波形，可以得知：内部放电脉冲波形的上升沿最陡，脉冲宽度最短，频谱分布最宽，高频含量高；槽部放电的上升沿最缓，脉冲宽度相对较宽。频谱分布以低频为主，端部放电的波形及频谱分布在槽部放电和内部放电之间。

3.定子绕组局部放电在线监测在某大型水氢氢发电机的应用

本文介绍了600MW水氢氢发电机基于中性点耦合方法的发电机局部放电在线监测系统的实际应用。水氢氢发电机中性点系统经隔离刀闸、中性点接地变压器接地。基于中性点耦合方法的局部放电监测系统硬件包括以下几部分：电流传感器、耦合电容器、信号调节通道、同轴电缆、同步工频电压信号调节通道、数据采集卡、单片控制模块以及监控计算机。利用中性点耦合方式采集放电信号，经过放大、滤波、除噪，特征量的提取，实现局放模式识别与故障诊断。其硬件结构及连接见图1。

图1 局部放电监测系统图

结合水氢氢发电机中性点系统接地结构和在绕组中传播局放脉冲信号的特性，在发电机定子线棒中心线出线端安装宽频率的电流传感器，由监控系统提取初级信号，在相应的噪声消除处理后，获得局部放电信号。这种在线监测设置具有中心点对地电位低、宽频带传感器相对容易生产和安装的优点，但信号容易出现失真。所以必须采用更高精度的噪声消除或干扰抑制信号技术和PD信号识别技术。为了提高信号的精度，可考虑采用基于快速傅立叶变换的信号处理，在阈值直线法的基础上，采用阈值曲线数字滤波法去除周期性干扰。这种方法自适应能力较强，受现场的干扰影响较少，但是能量损失较大。

4.结论

发电机定子绕组线棒绝缘老化是定子绕组线棒绝缘失效的主要原因，而局部放电则是绝缘老化的重要现象之一。因此，在线监测发电机定子绕组的局部放电特性参数，提取有效的变量信号，实时了解绝缘老化，判断放电模式，诊断故障类型，大大提高了大型发电机的安全性，有效避免了机组的意外停机。但局部放电监测仍有许多问题亟待解决，如特征参数的选择、干扰信号的抑制、检测装置频带的选择等。所以，我们需要更加深入地研究发电机定子绕组局部放电监测，结合发电机的实际监测数据，探索最有效的测量方法和干扰抑制方法，更加真实反映绕组绝缘状况，推动发电机状态检修向纵深方向发展。