枕头坝水电站定子局部放电监测系统的创新应用

彭桂桦

摘 要：定子绕组绝缘故障是大型发电机组的主要故障之一。发电机因定子绝缘故障引发的事故时有发生，不仅严重影响了发电企业的安全生产，还会产出昂贵的维修费用，造成巨大的经济损失。在运行状态下对发电机定子绕组的绝缘状况进行在线监测，可以有效了解发电机绝缘的状态，避免恶性事故的发生，为发电机组的安全运行提供保障。

关键词：绝缘;发电机;定子绕组

中图分类号：TM31文献标识码：A文章编号：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 發电机定子局部放电的基本情况

大型发电机定子线棒在生产过程中因制造工艺，在绝缘层间或绝缘层与股线之间可能存在气隙或杂质。发电机定子线棒的长期运行过程中，在电、热和机械力的联合作用下，会直接或间接出现绝缘劣化问题，使得绝缘层间产生新的气隙。在运行电压的作用下，气隙中的场强很容易达到击穿场强，造成绝缘体内部放电。内部放电会产生大量能量很大的带电粒子，这些高能带电粒子以很高的速度碰撞气隙壁，能够打断绝缘体的化学键，造成绝缘材料表面被侵蚀。局部放电产生的局部过热，也会造成高温聚合物裂解而使绝缘损坏。

在运行电压的作用下，通常气隙首先被击穿，形成局部放电。内部局放的电、热、化学和机械力的联合作用，会进一步扩大气隙，造成绝缘有效厚度减少，进一步降低击穿电压，最终导致绝缘击穿[1]。

局部放电产生的条件之一是电压，其次是充满空气的气隙或者气泡。当气隙中的电场强度达到电击穿强度时，气体被电离，有电流通过造成局部导通。发电机定子线棒的局部放电主要发生在绝缘内部、绝缘与铜接触部分或者线棒表面[2]。

图1右半部分是线棒剖面示意图，左半部分是等效电路图。当气泡中电场强度达到击穿强度时，气泡中气体被电离，有电流通过，气泡两端电压下降。当定子线棒电压下降时，气泡中电场强度低于击穿强度，气泡中没有电流通过，两端电压和绝缘电压恢复一致。气泡两端电压周期如图2所示。

2 枕头坝水电站定子局放的现状与创新应用

枕头坝一级水电站位于大渡河中游的四川省乐山市金口河区，是大渡河干流规划22级方案中的第19级。水电站开发任务以发电为主，同时兼顾下游用水。电站厂房为河床式，位于河道左岸坝段。一级电站坝址控制流域面积为73 057 km2，多年平均流量为1 360 m3/s，正常蓄水位为624 m，最大坝高为86.5 m，水库总库容为0.469亿m3，正常蓄水位以下库容为0.435亿m3，调节库容为0.145亿m3，水库回水长度为16.71 km。电站安装4台18 MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量72 MW，可研多年平均发电量为32.90亿kW·h，为径流式电站，Ⅱ等大（2）型工程。

目前，枕头坝水电站的定子由机座、铁芯、绕组等结构组成。定子机座为正二十四边形结构，由轧制钢板焊接而成，并分成6瓣。定子铁芯采用高导磁、低损耗、无时效的优质冷轧硅钢片冲制而成。冲片严格去毛刺后，两面涂上固化时间短、收缩率小、硬度高的F级绝缘漆。定子绕组为双层杆式波绕组，3个支路星形连接，绕组绝缘材料为F级。

提高对定子绝缘能力的监测水平，提前查出潜在故障，可大大减少大型发电机恶性绝缘事故发生的概率。然而，机组在实际运行过程中无法监测定子的局部放电现象，只能依靠设备定期试验来确认绝缘情况。枕头坝水电站通过局部放电的在线检测来监测电机定子绝缘的状态，以时刻掌握定子绝缘状况，通过分析检测报告进行诊断，从而为定子检修工作提供依据，避免因突发故障造成事故停机的情况。

3 枕头坝水电站局放系统结构及关键技术

3.1 电容传感器

电容传感器相当于一个容量为80 pF的电容器。局部放电产生的高频信号很容易通过电容传感器，而50 Hz的交流电则很难通过。根据容抗计算公式，80 pF电容对于50 Hz的交流信号容抗约为40 MΩ，而对于高频局放信号（假设频率83 MHz）的容抗约为24 Ω。因此，可以看出80 pF电容器相当于高通低阻滤波器，极大地抑制了50 Hz的低频信号，增强了抗干扰能力。电容传感器频响与噪声曲线，如图3所示。调查显示，发电厂的电噪声频率大都在20 MHz以下，而局放信号的频率为50～250 MHz，电容传感器的工作频率为40～350 MHz，因此采用电容传感器监测局放信号可获得较高的信噪比[3]。

定子线圈具有一定的感抗。根据感抗计算公式，定子对于局放信号（假设频率为83 MHz）的感抗是50 Hz交流电的1 660 000倍，因此局放信号在定子线圈内传输距离不远，无法传输到中性点。另外，定子线圈高压部分会发生局部放电，而靠近中性点的低电压部分则不会发生局部放电，因此电容传感器一般安装在定子线棒的高压侧部分汇流环或者母线上（感抗小，信号衰减少），也就是局部放电容易发生的部位。根据现场实际情况，枕头坝水电站每台机组分别安装了6对耦合器。

3.2 测量仪

局部放电信号经传感器、信号电缆连接到测量仪的信号输入端。测量仪受上位机控制，在发电机定子带电压的情况下进行测量，统计单位时间内局部放电信号的脉冲数量、放电强度，并根据脉冲在交流周期内的相位判别是正局放还是负局放[4]。

测量仪通过RS485通信方式与上位机连接。上位机可设定报警值，当局部放电强度超过设定值时，仪器可发出报警信号，控制继电器动作。

3.3 上位机系统

系统共安装了局放数据采集服务器和Web服务器。局放数据采集服务器作用于从主机设备中实时采集数据的通信程序，用于下载、分析局放数据。Web服务器则安装了局放数据接收程序和查询系统。系统通过Modbus协议，实时从局放控制仪设备中读取局放数据。采数周期为每20 min左右一次，采集的数据存储到本地服务器，以便进行Web查询和实时监控。

运维人员可通过Web服务器上的数据监测查询系统进行实时监测，通过曲线分析和了解各个机组最近24 h的局放情况。如果发现局放值偏高，则需要通过数据查询功能来定位局放值最高的支路和槽位。

3.4 定向噪声分离技术

定向噪声分离技术应用于汽轮发电机局部放电测量，特点是传感器都安装在母线上。每相安装两个传感器：一个尽量靠近发电机，目的是获得较强的局放信号（最小衰减）;另一个安装距离前一个传感器2.5 m以上（2.5～4.0 m最佳）。如图4所示，局部放电信号经母线先到达第一个传感器C1，然后到达测量仪输入端M。另一边局放信号经过一段延迟后经第二个传感器C2到达测量仪输入端S。C1和C2到测量仪输入端M和输入端S的距离相等，这样信号时间差就是母线上延迟段传输时间T。反之，从外部来的信号会先到达S，后到达M，时间关系不同。测量仪具有高精度的时间分辨率，最小可达6 ns。测量仪可根据信号到达仪器输入端的先后关系判断信号是来自发电机还是外部，如果时间差小于[T]，说明信号来自两个传感器之间的母线上，也就是延迟部分[5]。

4 结语

局部放电在线监测系统能够长期运行，实时监测发电机定子在运行过程中的局部放电情况，不仅可以及时对其绝缘异常状态和放电性故障做出预警，还可以测量出局部放电脉冲的数量、幅度、位置等信息。这些信息经过分析处理后，能够帮助工作人员对设备的绝缘状况做出合理诊断，并根据诊断结果安排相应的检修工作。因此，局部放大在线監测系统的应用是实现设备状态检修的重要前提，是保证设备安全可靠运行的关键。

参考文献：

[1]陈卓，刘念，薄丽雅，等.大型发电机定子绕组局部放电在线监测方法的研究[J].电力自动化设备，2005（6）：22-25.

[2]范春学，韩凤琴，韦彩新，等.水轮发电机局部放电在线监测[J].水电能源科学，2003（3）：79-81.

[3]苏鹏声，汪小明，曹海翔，等.大型发电机定子绕组局部放电在线监测系统的研究[J].电工电能新技术，2000（2）：51-54.

[4]杨春明.水轮发电机定子绝缘局部放电的在线监测[J].云南水力发电，2002（1）：92-93.

[5]王文龙.局放检测方法在发电机中的应用研究[J].河南科技，2021（2）：54-56.