剖析發(fā)電機(jī)組絕緣體內(nèi)的〖局部放電〗

【概述】發(fā)電機(jī)組的絕緣系統(tǒng)是保障用戶一項措施，漏電、絕緣體被破壞等危險因素部分是由客戶的錯誤操作或是外部環(huán)境的影響，不為大家所知的發(fā)電機(jī)組絕緣體內(nèi)局部放電也會導(dǎo)致。江蘇海興動力系統(tǒng)地為大家講解其中奧妙。

一、什么是發(fā)電機(jī)組局部放電？主要形式有哪些？
 在電場的作用下，絕緣系統(tǒng)中絕緣體局部區(qū)域的電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng)，在部分區(qū)域發(fā)生放電，這種現(xiàn)象稱為局部放電(Partial Discharge)。局部放電只發(fā)生在絕緣局部，而沒有貫穿整個絕緣。
 發(fā)電機(jī)組中的局部放電主要有繞組主絕緣內(nèi)部放電，端部電暈放電及槽放電(含槽部電暈)三種。此外，發(fā)電機(jī)組中還有一種危害性放電，是由定子線圈股線或接頭斷裂引起的電弧放電，這種放電的機(jī)理與局部放電不同。

二、發(fā)電機(jī)組絕緣內(nèi)的局部放電產(chǎn)生的原因是什么？有什么危害？
 大型發(fā)電機(jī)組定子線棒在生產(chǎn)過程中，由于工藝上的原因，在絕緣層問或絕緣層與股線之間可能存在氣隙或雜質(zhì);運(yùn)行過程中在電，熱和機(jī)械力的聯(lián)合作用下，也會直接或間接地導(dǎo)致絕緣劣化，使得絕緣層間等產(chǎn)生新的氣隙。由于氣隙和固體絕緣的介電系數(shù)不同，這種由氣隙(雜質(zhì))和絕緣組成的夾層介質(zhì)的電場分布是不均勻的.在電場的作用下，當(dāng)工作電壓達(dá)到氣隙的起始放電電壓時，便產(chǎn)生局部放電.局部放電起始電壓與絕緣材料的介電常數(shù)和氣隙的厚度密切相關(guān)。
 氣隙內(nèi)氣體的局部放電屬于流注狀高氣壓輝光放電，大量的帶電粒子(電子和離子)高速碰撞主絕緣，從而破壞絕緣的分子結(jié)構(gòu)。在主絕緣發(fā)生局部放電的氣隙內(nèi)，局部溫度可達(dá)到1000℃，使絕緣內(nèi)的膠粘劑和股線絕緣劣化，造成股線松散，股問短路，使主絕緣局部過熱而熱裂解，損傷主絕緣。
 局部放電的進(jìn)一步發(fā)展是使絕緣內(nèi)部產(chǎn)生樹枝狀放電，引起主絕緣進(jìn)一步劣化，形成放電通道而使絕緣破壞。

三、發(fā)電機(jī)組局部放電在線監(jiān)測電測法有哪些主要方法？
 發(fā)電機(jī)組局部放電在線監(jiān)測，目前以電測法的脈沖電流法(ERA)為主流方法.根據(jù)檢測裝置響應(yīng)帶寬，發(fā)電機(jī)絕緣的局部放電裝置可分為窄帶檢測裝置和寬帶檢測裝置，目前的檢測設(shè)備普遍都采用寬帶裝置。
 發(fā)電機(jī)組在線局部放電監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何取得故障信號，也即根據(jù)傳感器而對應(yīng)的檢測技術(shù).根據(jù)發(fā)電機(jī)的局部放電在線檢測傳感器的型式和布置，主要有以下幾種監(jiān)測方法：

(1)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)耦合射頻監(jiān)測法
 其理論原理是：當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)任何部位產(chǎn)生局部放電時，都會產(chǎn)生頻率很寬的電磁波，而發(fā)電機(jī)內(nèi)任何地方產(chǎn)生的相應(yīng)的射頻(Radio Frequency)電流會流過中性點(diǎn)接地線，因而局部放電的傳感器可以選擇在中性點(diǎn)接地線上，從而提取局部放電的電磁信號.發(fā)電機(jī)主絕緣上的局部放電可以看作是一個點(diǎn)信號源，由局部放電所引起的電磁擾動在空間內(nèi)產(chǎn)生的電磁波，由于發(fā)電機(jī)不同槽間電磁耦合比較弱，所以可以用傳輸線理論來分析脈沖在繞組中的傳播，即繞組中的放電脈沖以的速度沿繞組傳播.根據(jù)這種理論，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處安裝寬頻電流互感器，就可以監(jiān)測到局部放電高頻放電波形，以監(jiān)測發(fā)電機(jī)內(nèi)部放電量及放電量變化。
 射頻監(jiān)測法利用寬頻帶的高頻電流傳感器從發(fā)電機(jī)定子繞組中性線上拾取高頻放電信號，以反映定子線圈內(nèi)部放電現(xiàn)象.這種監(jiān)測法的優(yōu)點(diǎn)是中性線對地電位低，高頻CT傳感器制作與安裝相對容易;缺點(diǎn)是由于信號衰減厲害，對信號處理技術(shù)要求較高.另外，不同大小的發(fā)電機(jī)，其槽間的電磁耦合差異較大，并不都是可以忽略的，故傳輸線理論分析有很大的誤差，尤其對槽數(shù)多的大型水輪發(fā)電機(jī)。

(2)便攜式電容耦合監(jiān)測法
 20世紀(jì)70年代加拿大研制的一種局部放電在線監(jiān)測裝置.監(jiān)測放電信號時，將3個電容(如每個375pF，25kV)搭接在發(fā)電機(jī)三相出線上，信號通過帶通濾波器(如30kHz至1MHz)引入示波器，并顯示出放電信號的時域波形.這種方法在加拿大的一些電廠目前仍在應(yīng)用.它的缺點(diǎn)是要依靠有經(jīng)驗的操作人員來區(qū)分外部干擾信號和內(nèi)部放電信號。

(3)發(fā)電機(jī)組出口母線上耦合電容器法
 傳感器采用固定安裝形式，在發(fā)電機(jī)出口母線上的每相安裝一個電容耦合器和在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)安裝一個電容耦合器或高頻電流傳感器.其原理是安裝于母線出口的電容耦合器用于測取來自發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部的局部放電脈沖信號，安裝在中性點(diǎn)上的電容耦合器用于監(jiān)測現(xiàn)場的空間噪聲，相應(yīng)測試儀器為4通道的監(jiān)測儀器.這種方法對應(yīng)的測試儀，采用硬件和軟件等方法對現(xiàn)場主要影響局部放電測量的噪訊進(jìn)行消 除.如來自勵磁的電刷產(chǎn)生的噪聲是通過系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行消 除;來自空間的噪訊通過天線接收，采用對比的方法進(jìn)行消 除.也有的未采用中性點(diǎn)部位的傳感器，而采用軟件法消 除噪聲.其中一個缺點(diǎn)是耦合電容位于發(fā)電機(jī)組高壓側(cè)，其本身的可靠性影響到機(jī)組的可靠性.這是目前應(yīng)用比較多的一種方法，水輪發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組均能使用，在歐洲應(yīng)用較多。

(4)發(fā)電機(jī)組出口母線上成對耦合電容器法
 這種方法的局部放電信號是通過安裝在發(fā)電機(jī)定子繞組上各相匯流環(huán)或發(fā)電機(jī)出口母線上的高壓耦合電容器獲取的，每相各有一對耦合電容器，每對耦合器的安裝位置有一定的空間距離，以便消 除來自電機(jī)外部的干擾。
 由于每相安裝有一定空間距離的雙傳感器，利用放電脈沖信號和外界干擾信號到達(dá)兩個傳感器的時延的不同，來消 除隨機(jī)脈沖型干擾信號，利用繞組內(nèi)放電信號和外部噪聲信號在繞組中傳播時具有不同特點(diǎn)來抑制噪聲，提取放電信號。同時，利用數(shù)字濾波，幅值鑒別，動態(tài)閥值等軟件處理方法濾除其他干擾。傳感器耦合到的6路信號進(jìn)入信號調(diào)理單元后，經(jīng)由多路開關(guān)選通其中一相對應(yīng)的兩路信號進(jìn)行放大處理，然后進(jìn)入采集卡，再由采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號實施監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。
 這種監(jiān)測法適用于水輪發(fā)電機(jī)組，因水輪發(fā)電機(jī)組相對體積大，便于耦合器安裝。此法是以成對耦合器上的兩并聯(lián)支路對稱來消 除干擾的，實際上使兩支路參數(shù)對稱是很難的，因此應(yīng)盡可能減少這種不對稱或采用線進(jìn)行補(bǔ)償，以提高抑制干擾的能力。另一缺點(diǎn)同上，即耦合電容的可靠性影響到機(jī)組的可靠性。北美的公司較多的采用了這種監(jiān)測法。

(5)發(fā)電機(jī)組定子槽耦合器法
 這種方法是直接在定子槽內(nèi)安裝耦合傳感器SSC(Stator SlotCoupler)，這種定子槽耦合器是一種用于檢測局放信號的"天線"，它裝在靠近出口端的定子槽的槽楔下面。每個SSC約50cm長，1、7mm厚，與定子槽等寬。定子槽耦合器在頻率從10～1000MHz范圍內(nèi)有相當(dāng)好的頻率響應(yīng)，因此它能檢測到沿定子槽的高頻信號比較真實的脈沖波形。
 定子槽耦合器是為了能在大型汽輪發(fā)電機(jī)檢測到局部放電脈沖而提出的，它的重要特點(diǎn)是對局部放電和電噪聲能產(chǎn)生不同的脈沖響應(yīng)。理論研究與實際測量表明，定子繞組產(chǎn)生的局部放電脈沖約以1～5ns寬的脈沖能被SSC檢測出來，而所有的各種內(nèi)部與外部噪聲則以大于20ns寬的脈沖形式被檢測出來，這是因為噪聲經(jīng)繞組傳播時，定子繞組起了自然濾波的作用。脈沖寬度的這種明顯差別使得它能很容易把定子局部放電和其他干擾噪聲區(qū)別開來。
 這種方法適用于大型汽輪發(fā)電機(jī)使用，其優(yōu)點(diǎn)是局部放電信號和噪聲信號的區(qū)別能力強(qiáng)，靈敏度在這幾種方法中也高;但此法要求在發(fā)電機(jī)繞組的槽楔下面埋設(shè)SCC，故在耦合器的制作與埋置方面成本很高，在多支路多槽數(shù)的水輪發(fā)電機(jī)的應(yīng)用中受到限制。

(6)以埋置在定子槽里的電阻式測溫元件導(dǎo)線作傳感器的監(jiān)測法
 這種方法是把埋置在定子槽里的某些電阻式測溫元件(RTD)導(dǎo)線作為局部放電傳感器，而不需另裝其他傳感器。這種方法理論上與SSC法有相似之處，且利用預(yù)先埋置在定子某些槽里的電阻式測溫元件(RTD)導(dǎo)線作為放電傳感器測量局部放電脈沖，對發(fā)電機(jī)回路不會帶來任何影響，附加成本低。這種局放傳感器頻率特性也較寬(約3～30MHz)，便于將局放脈沖與噪聲脈沖區(qū)別開來。這種方法目前還處在探索實驗階段，應(yīng)該說這是一個很有發(fā)展前景的監(jiān)測方式。

 我國目前還沒有頒布發(fā)電機(jī)組局放在線檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE在其2000年頒布的關(guān)于電機(jī)局部放電監(jiān)測的試用標(biāo)準(zhǔn)(IEEE Trial—Use Guide t0 the Measurement of Partial Discharges in RotatingMachinery)中主要推薦了采用電容耦合法與定子槽耦合法進(jìn)行發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測。