在線實(shí)測的水輪發(fā)電機(jī)局部放電譜圖分析

付海濤，肖 榮，余維坤

（1.中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北 宜昌 443002；2.中國長江電力股份有限公司向家壩電廠籌建處，四川 宜賓 644600）

1 引言

發(fā)電機(jī)定子線棒不同的絕緣缺陷在高壓下會(huì)產(chǎn)生不同類型的放電，對應(yīng)不同的放電譜圖，而與測量頻率無關(guān)[1-3]。不同類型的放電對發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣的危害程度不一樣，通過譜圖分析可以確定檢測到的放電類型，為絕緣劣化狀況評估提供參考[4-5]。

本文在完成對某大型水輪發(fā)電機(jī)近5年在線監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過分析幾起典型故障時(shí)局部放電數(shù)據(jù)的變化情況，來研究不同故障類型與放電特性之間的對應(yīng)關(guān)系。文中數(shù)據(jù)全部來自某基于PDA技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及抗干擾技術(shù)見參考文獻(xiàn)[6]。

2 無故障運(yùn)行時(shí)的放電特性

圖1為發(fā)電機(jī)無故障正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測到的局部放電趨勢和典型譜圖。趨勢圖中上、下兩曲線分別表示放電幅值 Qm和標(biāo)稱放電量 NQN；4個(gè)譜圖分別為50個(gè)工頻周期的N-φ-Q三維圖、Q-φ圖、N-φ圖和N-Q圖。

圖1 發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的放電數(shù)據(jù)

可見，此狀態(tài)下局部放電的放電幅值在20mV以下，放電次數(shù)在10次以下，放電量NQN為50mV左右，均明顯偏??；正、負(fù)放電幅值和放電次數(shù)大致相等，正、負(fù)放電相位分別集中在 50°～110°和 230°～290°范圍內(nèi)，相位上較為對稱。該放電特性符合定子線棒內(nèi)部放電的基本特征，并表明該相絕緣處于良好狀態(tài)。

3 不同故障類型下的放電特性

3.1 定子線棒端部絕緣受損

[6]中，給出了2006年4月監(jiān)測到的局部放電趨勢（圖5a）和停機(jī)檢查前監(jiān)測到的放電譜圖（圖5b），還展示了4月18日機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)的定子端部絕緣受損情況，本文不再贅述。

為了分析該種情況下的局部放電特性，現(xiàn)補(bǔ)充局部放電初期檢測到的放電譜圖，如圖 2所示。

圖2 定子線棒端部絕緣受損初期的局部放電譜圖

從放電趨勢圖看，該局部放電監(jiān)測裝置較為及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到了這次絕緣缺陷信息，但完好的C相耦合到了強(qiáng)烈的放電信息，對故障相別判斷產(chǎn)生不利影響。

從特征譜圖上看，數(shù)據(jù)增大初期，正、負(fù)放電相位分別集中在 60°～130°和 230°～320°范圍內(nèi)，相位上較為對稱；正半周的放電次數(shù)明顯多于負(fù)半周，放電幅值與負(fù)半周比偏小。該放電特性符合定子線棒端部放電的基本特征，表明線棒端部有局部放電存在。

分析停機(jī)檢查前的放電譜圖，正、負(fù)放電相位分別集中在 0°～60°和 310°～360°范圍內(nèi)，130～250°范圍內(nèi)雖然放電次數(shù)不多，但幅值較大，電壓過零點(diǎn)有明顯的局部放電發(fā)生，表明相間存在一定程度的放電。

比較數(shù)據(jù)增大初期和停機(jī)檢查前的放電譜圖，發(fā)現(xiàn)正半周放電發(fā)展速度較快，電壓過零點(diǎn)開始出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象。該現(xiàn)象基本與事實(shí)相符，即在單根線棒端部首先出現(xiàn)放電，然后發(fā)展到不同相線棒間出現(xiàn)放電。

3.2 測量傳感器性能劣化

2006年6月初，放電趨勢增加明顯。8月初停電檢查發(fā)現(xiàn)，A相電容器C2的引線和電容瓷瓶接頭處松動(dòng)，絕緣膠帶包扎的均壓球出現(xiàn)裂紋。測試所有傳感器的耦合電容tanδ（標(biāo)準(zhǔn)為≤0.2%），結(jié)果表明3個(gè)遠(yuǎn)端傳感器C2性能已劣化，測試數(shù)據(jù)見表1。

分析此次故障原因?yàn)椋簜鞲衅髋c發(fā)電機(jī)母線用硬導(dǎo)線連接，長期以來母線的振動(dòng)應(yīng)力通過硬導(dǎo)線直接作用在傳感器上，最終導(dǎo)致了部分傳感器性能出現(xiàn)劣化。之后對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了升級：①將與母線連接的硬線改為軟線，以減緩引線安裝、斷引及母線振動(dòng)對傳感器的破壞；②采用光滑的均壓罩代替膠帶包裹的均壓球進(jìn)行均壓。新、舊傳感器外觀對比見圖3。

表1 2006年8月耦合電容tanδ值 %

圖3 新舊傳感器外觀對比圖

傳感器性能劣化期間的放電數(shù)據(jù)如圖4所示。從放電趨勢圖看，放電幅值Qm和標(biāo)稱放電量NQN均有2倍以上的增長，BYG-Ⅱ型局部放電監(jiān)測裝置同樣較為及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到了本次絕緣缺陷信息。

從特征譜圖上看，正、負(fù)放電相位分別集中在60°～120°和 205°～315°范圍內(nèi)，相位上較為對稱；負(fù)放電幅值、次數(shù)均明顯大于正放電，呈現(xiàn)嚴(yán)重的不對稱性。

3.3 中性點(diǎn)串勵(lì)變壓器噪聲增大

該機(jī)組每相繞組尾端串聯(lián)有勵(lì)磁用變壓器，三相串勵(lì)變壓器的一次繞組尾端短接在一起接發(fā)電機(jī)中性電設(shè)備，二次繞組則串聯(lián)在勵(lì)磁回路中。2007年9月～12月發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，A相串勵(lì)變壓器因螺釘松動(dòng)導(dǎo)致電磁振動(dòng)和“嗡嗡”聲噪音明顯增大。在此期間監(jiān)測到的放電數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 傳感器性能劣化期間的放電數(shù)據(jù)

圖5 中性點(diǎn)串聯(lián)變壓器噪聲增大期間的放電數(shù)據(jù)

從放電趨勢圖看，放電幅值Qm增大明顯，由平時(shí)不足20mV增大至90mV左右，而三相NQN變化不大，仍保持在500mV以下?？梢?，串勵(lì)變壓器的異常噪聲會(huì)導(dǎo)致放電數(shù)據(jù)中的放電幅值Qm明顯變化，而對標(biāo)稱放電量 NQN影響不大。該局部放電監(jiān)測裝置較為及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到了本次異常信息，但由于局部放電信號存在相間耦合現(xiàn)象，其他完好相同樣耦合到了強(qiáng)烈的放電信息，這對故障相別判斷產(chǎn)生不利影響。

從特征譜圖上看，正、負(fù)放電相位分別集中在20°～100°和 190°～270°范圍內(nèi)，且負(fù)放電幅值、次數(shù)均大于正放電，呈現(xiàn)明顯的不對稱性。

串勵(lì)變壓器噪音明顯增大，這對于局部放電的監(jiān)測而言是一種干擾信號，但由于該信號來自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，監(jiān)測裝置會(huì)誤判斷為發(fā)電機(jī)定子繞組的放電信號，導(dǎo)致系統(tǒng)無法濾除，故完整地記錄了該異常信息。

3.4 尚無法驗(yàn)證的故障

2008年3～5月發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間，局部放電數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的間歇性增大。5月份監(jiān)測到的放電數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 2008年5月期間的放電數(shù)據(jù)

查閱機(jī)組運(yùn)行相關(guān)資料，發(fā)電機(jī)在此期間運(yùn)行工況無異常，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)串勵(lì)變壓器無異常，勵(lì)磁系統(tǒng)無異常，轉(zhuǎn)子滑環(huán)無打火現(xiàn)象。停機(jī)檢查，局部放電測量傳感器外觀無異常、試驗(yàn)合格，定子線棒上、下端部無放電痕跡，原受損線棒端部的包扎絕緣狀況良好，定子繞組交、直流耐壓試驗(yàn)均順利通過。

對放電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)放電幅值 Qm變化不大，而三相 NQN間歇性增大十分明顯，最高達(dá)到5000mV以上，表明放電次數(shù)明顯增多。對特征譜圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)工頻正半周的放電次數(shù)占明顯優(yōu)勢；正、負(fù)放電相位分別集中在 50°～140°和 220°～330°范圍內(nèi)，相位上較為對稱。

該放電特性符合層間（主絕緣與內(nèi)部銅導(dǎo)體之間）放電的基本特征，但尚無條件進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）基于PDA技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測，能及時(shí)、有效地捕捉到絕緣缺陷信息，為評估發(fā)電機(jī)絕緣狀況提供了重要的依據(jù)。

（2）水輪發(fā)電機(jī)的局部放電信號存在相間耦合現(xiàn)象，這對故障相別判斷產(chǎn)生不利影響。

（3）發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)不同類型的故障會(huì)產(chǎn)生不同類型的放電，且有不同的放電特性。各類型局部放電的放電特性，需進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)加以研究。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[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.

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

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[6]付海濤, 余維坤, 張松濤. 基于 PDA技術(shù)的水輪發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2010,(2): 25-29.