发电机定子局部放电在线监测系统在五强溪电厂的应用

苏 鑫

（五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南 怀化 418000）

1 发电机定子局部放电在线监测系统结构原理

五强溪电厂装备有5台水轮发电机，发电功率皆为240 MW，结构特点为无轴型结构转子，转子中心凭借发电机的主轴进行支架间连接。转子支架结构为圆盘形，中心体与扇形外环进行焊接，在工作中由定子借助转子为发电机提供励磁磁场，以电磁感应来完成发电。定子绕组连接方式为三相双层四支路星形[1]。监测系统硬件结构包括电源模块、显示模块以及功能强大的数据存储和处理系统。软件结构中包括数据采集模块、数据库模块、数据分析模块及数据显示模块[2]。四大模块之间相互连接可实现定子局部放电历史信息及实时数据的调取及分析。发电机回路中设有耦合电容器，电容器可通过耦合作用来处理高频局部放电信息。监测系统各软件单元配合发电机各参数性能来判定定子局部放电是否对发电机绝缘性能产生不可逆损害[3]。监测系统会设定一个报警值，在各硬件设施的配合下对局放强度进行分析。若每半年局放强度值成倍数型且幅度高于报警值，则说明定子绝缘性能遭到了较严重的损坏，而预警时间随电压等级的增加而延长[4]。发电机局部放电趋势如图1所示。

图1 发电机局部放电趋势图

2 发电机定子局部放电监测系统的应用步骤

2.1 现场测试

现场测试即在系统投入实际应用前，综合现场情况对系统进行参数设置。例如，在现场中必定会存在干扰系统分析的信号，而干扰发电机定子局部放电监测系统的信号便来自于现场不可控信号[5]。在现场测试中，应以时域、幅度及相位为评判要点对干扰信号进行记录，并提前撰写危险预案。同时，在定子监测系统中会涉及低频信号的采集，现场信号的信噪比有利于低频信号的优化分析。因此，现场测试包括停机测试、负载测试。停机测试即在断开电网的前提下使发电机处于停止运行状态，若在20 ms内测得信号背景噪声中无脉冲干扰，则可运行监测系统。负载测试即保持发电机在额定负荷范围内运行，若在20 ms内其信号频谱图无多余谐波，则可试运行监测系统[6]。

2.2 分析放电谱图

分析放电谱图在于放电类型和故障位置的辅助分析。放电谱图的分析主要是为后面放电趋势的分析做准备[7]。在监测系统中，放电类型的评判对故障缘由的分析十分重要，槽间放电、端部放电及内部放电对应的故障类型都存在差异。同理，故障位置对于提高检测效率也起着至关重要的作用。谱图分析包括对信号时域、相位及幅度的分析。结合放电脉冲这3个特性的分析，便可较好实现在线监测系统的故障分析功能。

2.3 分析放电趋势

在发电机中，定子局部放电具有不可控性和随机性[8]。若仅凭单次测量数据来判定定子绝缘性能，则是不具可信度的。五强溪电厂中设有5台发电机组，因此监测系统需测量5台发电机组定子局部放电来评判定子绝缘性能[9]。以Qm来代表放电幅度，以NQN代表特定局部放电过程中有效相位窗口中各不同幅值脉冲总个数。Qm和NQN总趋势分析皆为监测系统数据分析重要途径，其幅值则可分析放电强弱，而根据放电强弱便可分析绝缘性能。当定子绝缘性能降低时，NQN值与Qm值增大，即局部放电现象越明显。图2为Qm和NQN变化与绝缘性能关系图[10]。

图2 Qm和NQN变化与绝缘性能关系图

3 发电机定子局部放电监测系统在五强溪电厂中的应用

3.1 局放现象与定子绝缘故障分析

在应用监测系统监测局放时，局放检测结果的分析对于定子绝缘故障的分析至关重要。局放现象与定子绝缘故障对应关系如表1所示。

3.2 监测系统的具体应用

3.2.1 发电机电晕监测

发电机电晕故障可归为定子绕组绝缘层的电场不均匀分布，如局部场强过高。发电机电晕在情况严重时，其绝缘性能会降低，致使发电机无法正常运行[11]。在发电机定子线棒结构中会增加防电晕结构，针对局部放电类型进行设计，分为直线端和端部两种方式。直线端方法是在防晕带实施涂漆操作，端部防晕采用高阻防晕，即在线棒超出槽口部位进行弯曲，以高电阻加固电流隔离操作。但在发电机实际运行过程中，电晕情况依然存在。这说明防电晕设计无法根治局部放电对发电机的损害。监测系统可通过对局部放电信号的检测并综合多台电机放电次数及放电幅值进行定子绝缘性能的评判，若有异常，或绝缘性能弱于其余机组，监测人员能及时分派工作人员进行检修，必要时可进行定子线棒的更换[12]。

3.2.2 定子线棒松动情况监测

发电机在高速运转中，定子线棒因其绕组方式会发生松动，由于不同材料捕获电子能力不一，且不同结构同材料的捕获电子能力也存在差异，因此在定子线棒松动时，也会有定子局部放电情况发生[13]。监测系统可通过比较正负电荷放电情况来判定定子绝缘性能。若放电趋势呈现正放电，则代表线棒表面与铁芯存在电压差，即线棒发生松动。线棒发生松动，那么发电机的正常工作必定受到影响。定子在发电机的主要功能是激励磁场的供给，若其结构发生改变，则磁场效应会遭到损害，进而影响发电机性能，并缩减发电机使用周期。监测人员通过检测系统能实时监控定子运行状态，及时止损[14]。

表1 局放现象与定子绝缘故障关系对应表

3.2.3 定子脏污检测

在正常情况下，定子局部放电与定子温度也存在一定关系。若定子表面附有金属颗粒或是碳粉等具有导电性能或影响绝缘材料电阻率的材料，则绝缘材料电阻率会随温度的升高而降低。因此，监测系统可通过温度传感器实现定子性能的检测[15]。一般绝缘系统中的气隙会随着温度增加而缩小，那么其局部放电现象会随之减弱。但如果其局部放电现象随着温度升高而呈现攀升状态，那么监测人员便可考虑定子是否发生脏污[16]。

3.2.4 螺旋杆局部放电监测

如果在发电机运行过程中，监测到定子C相放电异常，在排查传感器及监测系统无异常的前提下，先进行停机监测，即排查干扰信号的影响。在重启时如果定子C相仍放电异常，则可考虑螺杆感应发生局部放电，从而致使磁场电压升高。在实际工作中，定子可看作多个分布电容的复杂组合。基于此，定子中的悬浮螺杆、绝缘板及金属槽盒在导体的连接下与地面形成了串联回路。在此结构中，回路间电流脉冲信号相互影响产生旁路现象[17]。如果金属槽盒的距离和悬浮螺杆距离过近，则金属槽盒电容回路的放电脉冲信号便可旁路到悬浮螺杆回路。这极有可能导致C相放电异常。如果监测到螺旋杆局部放电异常，可考虑定子结构是否发生变化，金属槽盒和螺旋杆之间的间距是否过小，若过小则应增加两者间隙[18]。

4 结 论

电子技术的不断发展将会促进人工智能技术的发展，随之而来的是管理系统的改革。分析目前监测系统需求多元化发展现状可知，局部放电在线监测系统的采样率将会逐渐提高，以便细化发电机故障分析。定子局部放电对发电机性能有着巨大危害，需加强监测。五强溪电厂作为我国重点建设单位，需充分发挥科技力量，促进监测系统不断完善，对于定子局部放电现象，从监测阶段发展至更精确的识别诊断阶段，以提高我国发电质量，缓解我国供电压力。