发电机绝缘在线监测技术在海洋平台上的应用

段海洋，王爱民

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

发电机作为海上采油平台的供电设备，是维持油田正常生产的重要设备，一旦发生故障将会带来重大的经济损失。美国电科院和中国清华大学的统计结果显示，旋转电机故障主要发生的部位为定子绕组、转子及铁芯。其中定子绕组和转子故障占所有发电机故障的 56%。发电机定子绕组故障所导致的损失比转子及铁芯故障导致的损失大很多，这些故障往往导致发电机不正常工作而停机，严重的甚至会烧毁发电机，进而给平台带来安全和经济上的巨大损失。

目前对于发电机组的维修主要是预防性的，将发电机的转子抽出后对定子和转子进行检查清洗等维护保养，预防性维修有利于提前消除一部分可能存在的故障隐患，从而保证机组的稳定运行。预防性抽芯维保的缺点是当设备不存在问题时，这种定期维修不但会造成人力、财力的损耗，而且不必要的拆装对原本良好的设备也会造成损害。

经多方了解，最终锁定了通过对定子局放和转子匝间短路监测的发电机绝缘在线监测技术，它能够实时监测发电机转子和定子的运行状态，能够对发生事故的先兆进行实时的捕捉，还能用以支持海上平台发电机组的预知性维修。检修思路由抽着看向精准判断进行转变，不但可以减少预防性抽芯检查的工作量，并且能够减少发电机组发生突发性事故造成的经济损失。

1 技术简介

1.1 系统框架

发电机绝缘在线监测系统包括定子局放检测和转子匝间短路检测两部分，定子局放放电监测系统由耦合器、专用信号电缆、局放仪、上位机和分析软件IAM(Iris Application Manager)组成，转子匝间短路监测系统由磁通传感器、专用信号电缆、磁通监测主机、上位机及分析软件等组成。发电机绝缘在线监测系统组成如图1所示。

图1 发电机绝缘在线监测系统组成Fig.1 Composition of on-line monitoring system for generator insulation

上位机和局放监测仪之间通过以太网进行通信，可方便通过局放上位机系统预留的通信接口实现与计算机监控系统的连接。其系统主要特点为：可提供报警继电器信号和发电机的状况趋势；通过趋势局放图不仅能帮助发现问题，而且能评价发电机的维修效果[1]。

1.2 定子局放检测

局部放电是发生在高压绝缘空隙中的小电火花，可以通过测量导体中的电流脉冲来监测。当电压应力超过了在这些空隙中气体的电击穿强度时，局部放电就会发生，局部放电脉冲的频率为 50～250MHz之间。局部放电发生的原因是高压绝缘内部或附近气隙的击穿电压(3kV/mm)要比完好的绝缘击穿电压(300kV/mm)低很多。因此，局部放电是定子绕组绝缘故障的先兆，电压越高，放电强度越大；空隙越大，放电幅度越高。通过局放检测即可判断定子绝缘好坏。局放耦合器实质上是 80pF的环氧云母电容器，需要永久性地安装在发电机定子绕组的高压输出端上，并通过聚乙烯绝缘射频同轴电缆将局放信号传送到局放监测仪。

1.3 转子绝缘检测

传感器为 TF-Probe全磁通探头，这种新型探头由许多层印刷电路板组成，印刷电路板的材料是柔性的。这种柔性探头按照在定子齿部上安装进行设计，安装好的探头截面高度很低，足以适用气隙很小的电动机。由于转子在机组运转时是高速旋转的，采用通过安装在定子铁芯上的磁通探头来测量气隙中磁通密度的方式，并根据输出电压来判断转子的绝缘情况。磁通探头的输出电压值和转子槽内的有效匝数有关，输出电压值低说明转子单槽内的有效匝数减少，表示有匝间短路发生[2]。

2 绝缘在线监测原理

2.1 局放信号

局放信号是超窄脉宽的脉冲放电信号，脉冲上升需要 1～5ns，根据 f＝1/T＝1/(4×t)，f为频率，t为上升时间，得出局放f介于50～250MHz之间，监测频率局放信号如图2所示。高幅度噪声脉冲的频率通常＜20MHz，在高频谱范围内监测局放信号可以获得较高的信噪比(信噪比＝局放信号/噪声信号)。

图2 监测频率局放信号Fig.2 Monitoring frequency partial discharge signal

获取局放信号的关键在于将高频信号中的噪音干扰分离出来，以得到干净的高频局放信号[3]。

2.2 定向噪声分离技术

定向噪声分离技术可以有效分离出高频信号中的噪声，得到高频局放信号。信号传输图如图3所示，得到局放信号如图4所示。

图3 信号传输图Fig.3 Signal transmission diagram

图4 高频局放信号Fig.4 High frequency partial discharge signal

通过前后 2个传感器的信号叠加可以把噪声滤除得到干净的局放信号。

2.3 转子磁通测量原理

安装在定子气隙上的磁通探头在转子通过探头时对径向的磁通密度非常灵敏，转子单槽内的磁通密度与同一槽内的有效匝数是有关系的，主磁通密度会在匝间短路发生的这一点扭曲每一单槽内的磁通密度，进而导致特定槽的漏磁通降低。转子磁通信号图如图5所示。

图5 转子磁通信号图Fig.5 Rotor flux signal diagram

通过对额定负载下的数据进行趋势观察，将2个不同极但槽编号相对应的磁通数据进行比对，磁通对比图如图6所示，可以很直观地发现有匝间短路的转子绕组所在的槽。

图6 磁通对比图Fig.6 Magnetic flux comparison diagram

3 应用情况

3.1 机组绝缘异常的测试数据

通过对局放峰值和磁通密度幅值进行分析可以有效得出发电机的绝缘状况，使海上平台能够预知发电机的绝缘故障，有利于实施“状态检修”计划。例如：对某油田透平B机发电机进行数据测试，发现转子绝缘数据稍有异常，存在不明显的短路故障点。此种状况下短期内机组的性能并不受影响，但需继续保持对该发电机的密切关注。

3.1.1 转子绝缘测试

本次测试在不同的负载下共采集数据 72组，其中异常数据22组，主要集中在磁极1和磁极3，异常数据说明磁极1和磁极3的磁通密度不平衡，但异常数据并不连续，并非典型的匝间短路现象。造成这种情况的原因可能是磁极 1和磁极 3中存在不明显短路故障点。此种状况下短期内机组的性能并不受影响，但需继续保持对该发电机的密切关注。发电机 B磁通密度汇总图如图7所示。

图7 某发电机B磁通密度汇总图Fig.7 Summary of flux density of a generator

3.1.2 定子局放测试

测试发现机组的局放峰值 Qm小于 10，通过与IRIS全球统计的百万台发电机组局放数据库进行比对，发现其局放等级处于最良好状况一类。在局放测试统计表中，通过在不同时间段和不同带载下的数据测试分析，局放幅值Qm基本一致，差异不大，外部因素对发电机局放的影响基本可以忽略，说明机组绝缘状态非常好。

3.2 使用效果

发电机绝缘在线监测系统投用后，使用效果良好，主要体现以下3点。

3.2.1 从预防性维修到预知维修

发电机绝缘在线监测技术的应用可实时或定时在线监测、诊断潜伏性故障或缺陷，及时发现绝缘相关故障问题，为预知性维修提供可靠依据。

3.2.2 从定期检查到实时检测

以往对发电机进行绝缘检测是在大修后通过对发电机进行局部预防性试验来实现，试验项目和所需设备繁多，花费工时较长，而且当发电机的某一元件绝缘有缺陷时，此种试验往往无法反映真实的情况。发电机绝缘在线监测技术的应用使发电机在正常带载情况下即可持续性地获取绝缘监测数据，并且不影响发电机的稳定运行。

3.2.3 降低数据分析难度

以往对发电机进行定期试验后会产生大量数据，需要专业人员花费大量的时间进行分析。发电机绝缘在线监测系统会产生监测数据，非专业人员经过短至半天的培训即可根据这些数据客观地进行发电机绝缘状况分析。

4 总 结

通过在发电机安装定子绕组局放耦合器，转子匝间短路监测磁通探头，使用监测主机进行数据存储分析，实现了对发电机定子绝缘、转子绝缘的持续性在线监测。预判发电机运行状态，指导机组运维保养，增加维修验收的手段，避免电网因为发电机故障停机造成经济损失，同时也是发电机组大数据的补充，为推动从预防性维修到预知性维修的转变打下了坚实基础。

发电机定子绕组及转子绝缘在线监测技术的应用有效弥补了机组定子/转子绕组的绝缘监控方面的缺口，通过检测数据为寻找发电机出现故障或异常震动、温度、声音的原因提供了可靠依据。探头及耦合器的安装伴随着抽芯的机组同步进行，探头及耦合器安装完毕的单元每年进行一次离线监测，对于参数异常的机组加密测试，可出具监测报告，评估发电机绝缘状况趋势，预防性指导后续工作。

本文倡导预知性检修理念，发电机在线监测技术后期可以嵌入油田电网能量管理系统，完善了海上平台电气设备智能电网监测系统，以利提高电气设备顶层设计的管理水平。