在线实测的水轮发电机局部放电谱图分析

付海涛，肖 荣，余维坤

（1.中国长江电力股份有限公司检修厂，湖北 宜昌 443002；2.中国长江电力股份有限公司向家坝电厂筹建处，四川 宜宾 644600）

1 引言

发电机定子线棒不同的绝缘缺陷在高压下会产生不同类型的放电，对应不同的放电谱图，而与测量频率无关[1-3]。不同类型的放电对发电机定子绕组绝缘的危害程度不一样，通过谱图分析可以确定检测到的放电类型，为绝缘劣化状况评估提供参考[4-5]。

本文在完成对某大型水轮发电机近5年在线监测的基础上，通过分析几起典型故障时局部放电数据的变化情况，来研究不同故障类型与放电特性之间的对应关系。文中数据全部来自某基于PDA技术的水轮发电机局部放电监测装置，其系统结构及抗干扰技术见参考文献[6]。

2 无故障运行时的放电特性

图1为发电机无故障正常运行时，监测到的局部放电趋势和典型谱图。趋势图中上、下两曲线分别表示放电幅值 Qm和标称放电量 NQN；4个谱图分别为50个工频周期的N-φ-Q三维图、Q-φ图、N-φ图和N-Q图。

图1 发电机正常运行时的放电数据

可见，此状态下局部放电的放电幅值在20mV以下，放电次数在10次以下，放电量NQN为50mV左右，均明显偏小；正、负放电幅值和放电次数大致相等，正、负放电相位分别集中在 50°～110°和 230°～290°范围内，相位上较为对称。该放电特性符合定子线棒内部放电的基本特征，并表明该相绝缘处于良好状态。

3 不同故障类型下的放电特性

3.1 定子线棒端部绝缘受损

[6]中，给出了2006年4月监测到的局部放电趋势（图5a）和停机检查前监测到的放电谱图（图5b），还展示了4月18日机组停机检修时发现的定子端部绝缘受损情况，本文不再赘述。

为了分析该种情况下的局部放电特性，现补充局部放电初期检测到的放电谱图，如图 2所示。

图2 定子线棒端部绝缘受损初期的局部放电谱图

从放电趋势图看，该局部放电监测装置较为及时、准确地捕捉到了这次绝缘缺陷信息，但完好的C相耦合到了强烈的放电信息，对故障相别判断产生不利影响。

从特征谱图上看，数据增大初期，正、负放电相位分别集中在 60°～130°和 230°～320°范围内，相位上较为对称；正半周的放电次数明显多于负半周，放电幅值与负半周比偏小。该放电特性符合定子线棒端部放电的基本特征，表明线棒端部有局部放电存在。

分析停机检查前的放电谱图，正、负放电相位分别集中在 0°～60°和 310°～360°范围内，130～250°范围内虽然放电次数不多，但幅值较大，电压过零点有明显的局部放电发生，表明相间存在一定程度的放电。

比较数据增大初期和停机检查前的放电谱图，发现正半周放电发展速度较快，电压过零点开始出现明显的放电现象。该现象基本与事实相符，即在单根线棒端部首先出现放电，然后发展到不同相线棒间出现放电。

3.2 测量传感器性能劣化

2006年6月初，放电趋势增加明显。8月初停电检查发现，A相电容器C2的引线和电容瓷瓶接头处松动，绝缘胶带包扎的均压球出现裂纹。测试所有传感器的耦合电容tanδ（标准为≤0.2%），结果表明3个远端传感器C2性能已劣化，测试数据见表1。

分析此次故障原因为：传感器与发电机母线用硬导线连接，长期以来母线的振动应力通过硬导线直接作用在传感器上，最终导致了部分传感器性能出现劣化。之后对传感器的结构进行了升级：①将与母线连接的硬线改为软线，以减缓引线安装、断引及母线振动对传感器的破坏；②采用光滑的均压罩代替胶带包裹的均压球进行均压。新、旧传感器外观对比见图3。

表1 2006年8月耦合电容tanδ值 %

图3 新旧传感器外观对比图

传感器性能劣化期间的放电数据如图4所示。从放电趋势图看，放电幅值Qm和标称放电量NQN均有2倍以上的增长，BYG-Ⅱ型局部放电监测装置同样较为及时、准确地捕捉到了本次绝缘缺陷信息。

从特征谱图上看，正、负放电相位分别集中在60°～120°和 205°～315°范围内，相位上较为对称；负放电幅值、次数均明显大于正放电，呈现严重的不对称性。

3.3 中性点串励变压器噪声增大

该机组每相绕组尾端串联有励磁用变压器，三相串励变压器的一次绕组尾端短接在一起接发电机中性电设备，二次绕组则串联在励磁回路中。2007年9月～12月发电机运行期间，A相串励变压器因螺钉松动导致电磁振动和“嗡嗡”声噪音明显增大。在此期间监测到的放电数据如图5所示。

图4 传感器性能劣化期间的放电数据

图5 中性点串联变压器噪声增大期间的放电数据

从放电趋势图看，放电幅值Qm增大明显，由平时不足20mV增大至90mV左右，而三相NQN变化不大，仍保持在500mV以下。可见，串励变压器的异常噪声会导致放电数据中的放电幅值Qm明显变化，而对标称放电量 NQN影响不大。该局部放电监测装置较为及时、准确地捕捉到了本次异常信息，但由于局部放电信号存在相间耦合现象，其他完好相同样耦合到了强烈的放电信息，这对故障相别判断产生不利影响。

从特征谱图上看，正、负放电相位分别集中在20°～100°和 190°～270°范围内，且负放电幅值、次数均大于正放电，呈现明显的不对称性。

串励变压器噪音明显增大，这对于局部放电的监测而言是一种干扰信号，但由于该信号来自发电机中性点，监测装置会误判断为发电机定子绕组的放电信号，导致系统无法滤除，故完整地记录了该异常信息。

3.4 尚无法验证的故障

2008年3～5月发电机运行期间，局部放电数据出现了明显的间歇性增大。5月份监测到的放电数据见图6。

图6 2008年5月期间的放电数据

查阅机组运行相关资料，发电机在此期间运行工况无异常，发电机中性点串励变压器无异常，励磁系统无异常，转子滑环无打火现象。停机检查，局部放电测量传感器外观无异常、试验合格，定子线棒上、下端部无放电痕迹，原受损线棒端部的包扎绝缘状况良好，定子绕组交、直流耐压试验均顺利通过。

对放电数据进行分析，发现放电幅值 Qm变化不大，而三相 NQN间歇性增大十分明显，最高达到5000mV以上，表明放电次数明显增多。对特征谱图进行统计分析，发现工频正半周的放电次数占明显优势；正、负放电相位分别集中在 50°～140°和 220°～330°范围内，相位上较为对称。

该放电特性符合层间（主绝缘与内部铜导体之间）放电的基本特征，但尚无条件进行验证。

4 结论

（1）基于PDA技术的水轮发电机局部放电在线监测，能及时、有效地捕捉到绝缘缺陷信息，为评估发电机绝缘状况提供了重要的依据。

（2）水轮发电机的局部放电信号存在相间耦合现象，这对故障相别判断产生不利影响。

（3）发电机及其系统不同类型的故障会产生不同类型的放电，且有不同的放电特性。各类型局部放电的放电特性，需进一步积累经验加以研究。

[参 考 文 献]

[1]Belec M, Hudon C, Guddemi C. Laboratory Study of Slot Discharge Characteristic PRPD Patterns[C]//IEEE Electrical Insulation Conference, 2001:547-550.

[2]C. J. Azuaje, W. J. Torres. Experiences in Identification of Partial Discharge Patterns in Large Hydrogenerators[C]// IEEE/PES Transmission and Distribution Conference, 2006: 1-6.

[3]Claude Hudon, Mario B´elec. Partial Discharge Signal Interpretation for Generator Diagnostics[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(2): 297-319.

[4]PDA-IVTM System Introduction[M]. Canada: Iris Power Engineering INC, 2000.

[5]Kai Wu, Kanegami M. Effect of Mechanical Vibration on the Behavior of Partial Discharges in Generator Windings[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 13(2):345-352.

[6]付海涛, 余维坤, 张松涛. 基于 PDA技术的水轮发电机局部放电在线监测[J]. 大电机技术, 2010,(2): 25-29.