大型发电机故障放电在线监测的重要性

5.8　大型发电机故障放电在线监测的重要性

随着电力系统电压等级的提高，对设备绝缘及运行可靠性提出了更高的要求。而绝缘中的某些薄弱部位在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿，造成电力设备出现严重故障或停机，威胁电网的安全运行，导致巨大经济损失。电力行业迫切要求对不同的电力设备制定出有效的测试及判断准则，并提出预防事故的措施。而发电机故障放电与其状态密切相关，通过监测放电的发生、发展，可及时发现事故的隐患，防止重大事故的发生。检测故障放电具有较高的灵敏度，可及时发现电机绝缘的故障。因此，研究大型发电机故障放电的在线监测具有十分重大意义。

5.8.1　放电实验平台的建立

研究大型发电机故障放电特性，必须建立模拟故障放电模型，以模拟电机内各种形式的放电，再通过实验得到故障放电的各种特性。下面设计了用以模拟电机中4类典型的故障放电模式。

图5－4　绝缘内部放电实验模型

1－线棒导线；2－主绝缘；3－防晕层；4－内部气隙

1）内部放电

图5－4为绝缘内部放电实验模型。模型线棒由电机厂协助制造，按真实线棒尺寸成比例缩小，绝缘内预制有气泡。所用绝缘材料及其制造工艺与真实线棒的材料和制造工艺相同，采用环氧粉云母绝缘及主绝缘与防晕层一次模压工艺。实验时，试验线棒外表面用铝箔包绕作为一个电极，为了消除电极边缘可能产生的电晕，在线棒两端涂抹防晕漆，以保证实验中只出现内部放电。

2）槽放电

图5－5为槽放电的实验模型。试验线棒还是同样规格，用铜皮弯曲成槽状作为定子槽，将试验线棒放置在槽中，定子槽表面预置一些麻坑，模拟线棒槽部低阻层因与定子铁芯接触不紧密而产生的间隙。实验时，外施电压的高压端接在线棒导线上，接地端接在模拟定子槽的铜皮上。

图5－5　槽放电实验模型

1－线棒导线；2－主绝缘；3－低阻漆；4－定子铁芯；5－间隙；6－低阻漆与槽壁之间的电接触点

3）端部放电

图5－6为端部表面放电实验模型，在线棒外表面采用铝箔包绕作为高压电极，外部高压直接施加在此电极上。图5－6（a）为防晕层局部破坏时的表面放电模型。在模型线棒表面，将防晕层人为地局部破坏，在外施电压下，由于防晕层破坏，电场集中于局部，将在线棒表面产生表面放电。图5－6（b）为端部油污染的表面模型。在线棒表面电极附近人为地用污染油涂抹。

图5－6　端部表面放电实验模型

（a）防晕层破坏的放电模型；（b）表面有油污的放电模型1—线棒导线；2—主绝缘；3—防晕层；4—污染油

4）电弧放电

图5－7为电弧放电实验模型。断股电弧放电产生的机理是股线断口两端因振动而若即若离时，由于大电流的频繁通断在断口处造成电弧放电。

在实验中，采用电子控制开关不断地开启和关闭20A的电流源，在实验模型中产生类似的电弧放电。

图5－7　电弧放电实验模型

1－线棒导线；2－主绝缘；3－防晕层；4－电子开关；5－电流源；6－检测点

5.8.2　实验装置

实验线路如图5－8所示。

图5－8　实验室模拟实验线路图

FSA－频谱分析；PHA－脉冲高度分析；PRA－相位分析

实验装置的技术要求：

（1）整个实验系统自身无放电，屏蔽及接地良好。

（2）实验仪器精度高，重复性好，并可提供脉冲高度、相位和频谱分析的各种信息。

通过高压试验变压器对试样施加工频电压而产生放电，放电信号分两路分别输入至两个独立的检测系统：一路放电信号通过检测阻抗输入至美国Biddle公司的Expert局部放电检测仪，得到放电时的时域特性图，同时采用Marconi公司的TF2370（110MHz）频谱分析仪进行频谱分析；另一路放电信号通过宽频耦合器输入至故障放电在线监测仪进行脉冲高度、相位及频谱分析。

用于采集放电脉冲波形的实验线路如图5－8所示，其中检测阻抗采用了无感电阻，局部放电检测仪采用了Tektronix公司的TDS540高速数字存储示波器，其最高采样率可达500Msps，数据长度为15kB，它与计算机之间采用了IEEE　488接口连接。对于宽频故障放电耦合器，由于测量单个放电脉冲时其内部采用了锌铅氧化物磁芯，频响范围可达300MHz。

图5－9　宽频带的数字化故障放电在线监测系统整体框图

1－传感器系统；2－检测系统；3－GPDA计算机系统

5.8.3　数字化故障放电在线监测系统的总体设计

发电机绝缘的在线监测装置常根据响应带宽将其区分为窄带装置和宽带装置两种。窄带装置带宽通常为几十千赫兹，具有选择性好、抗干扰性能高的特点，但这类装置的中心频率难以设定，不能满足各种现场条件下的抗干扰要求，且由于通频带过窄，造成信号的频率成分和能量的过分丧失，能够获得的信息少，无法采用现代数字信号处理技术，目前，此类方法已无大的发展前途。宽带装置得到的频率成分比较丰富，能量损失小，能够获得的信息量大，结合现代数字信号处理技术，可以测得局部放电的各种特征量，还可对信号进行时域和频域的联合分析，给出φ^－q－n（φ：放电对应的工频相位，q：放电量，n：放电次数）特征谱图，对放电的类型可以自动进行识别，它还能提供局部放电的累计值统计曲线，对发电机定子绕组进行绝缘老化跟踪。宽带装置的缺点是容易引入外界的干扰，但如果利用现代数字滤波和模式识别技术，就可以对干扰进行有效排除。因此，宽带装置具有良好的发展前景。

综合上述考虑，设计了一个宽频带的数字化故障放电在线监测系统。图5－9为系统的整体框图。