10 kV三相異步電動機局部放電指紋庫建立方法

李傳揚，宋建成，吝伶艷，蘇文

（太原理工大學(xué)煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，太原030024）

10 kV三相異步電動機局部放電指紋庫建立方法

李傳揚，宋建成，吝伶艷，蘇文

（太原理工大學(xué)煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，太原030024）

該文針對10 kV三相異步電動機定子繞組局部放電指紋識別這一難題，結(jié)合現(xiàn)場故障調(diào)研與統(tǒng)計分析，通過對電機定子線圈進(jìn)行單因子老化，利用自制寬度可調(diào)定子鐵芯槽模型做地電極的故障模擬測試系統(tǒng)，闡述了槽放電、電暈放電和相間放電3種故障線圈局部放電指紋特征的提取方法，并在電磁屏蔽室提取出3種局部放電指紋特征。該成果已應(yīng)用于某礦10 kV電動機局部放電在線監(jiān)測及故障診斷中，具有重要意義。

10 kV三相異步電動機；故障診斷；指紋分布；在線監(jiān)測。

10 kV三相異步電動機定子由導(dǎo)電的銅線，導(dǎo)磁的硅鋼鐵芯，以及絕緣系統(tǒng)組成。絕緣系統(tǒng)作為高壓電機組成中最脆弱的部分，其運行的可靠性決定了電機運行的安全性與穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計，在高壓電機故障中，由絕緣老化引起的故障約占總故障的37%[1]。因此，對運行設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，勢在必行[2-4]，而對其能夠反映絕緣整體狀況的局部放電的監(jiān)測，則顯得尤為關(guān)鍵。

發(fā)生于10 kV三相異步電動機繞組內(nèi)部或表面的局部放電，能夠加速有機絕緣老化，迫使絕緣擊穿，最終導(dǎo)致電動機出現(xiàn)單相接地或相間短路故障并被迫停機，這不僅損壞電動機本身，而且會影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)，甚至危及人身安全，造成巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。

然而，發(fā)生于高壓電機定子繞組不同部位的局部放電，包含不同的局部放電特征。由于其放電指紋分布特征各異，往往導(dǎo)致在線監(jiān)測系統(tǒng)失靈，表現(xiàn)為對已經(jīng)發(fā)生的危險放電無預(yù)警，或者對正常水平的放電現(xiàn)象提出誤報警。因此，明確各種放電發(fā)生機理及其故障表象，掌握準(zhǔn)確的指紋信息，不僅能夠避免在線監(jiān)測誤判斷，而且對于維修過程中的故障排查及處理有很大的幫助。

針對大型高壓電機定子繞組局部放電放電指紋的研究，國外有學(xué)者在實驗室建立了水輪發(fā)電機定子線棒故障模型，提取出槽放電、電暈放電等大量局部放電指紋信息[5-8]；國內(nèi)大部分研究局限于探究定子繞組老化時間與局部放電活性的關(guān)系[9-10]，而且，針對繞組特定部位局部放電指紋分布，大部分研究往往通過制造放電模型來提取，該方法在一定程度上未模擬真實放電存在的絕緣配合物化環(huán)境，試驗方法及對象選取上亟待完善。

本文通過定制10 kV三相異步電動機定子線圈，對其進(jìn)行單因子老化，制作了槽放電、電暈放電和相間放電3種故障線圈模型，闡述了槽放電、電暈放電和相間放電3種局部放電指紋特征的提取方法；利用自制定子鐵芯槽模型做地電極系統(tǒng)，在電磁屏蔽室提取出3種局部放電指紋特征，建立了局部放電指紋庫，旨在為10 kV三相異步電動機在線監(jiān)測與故障診斷提供必要參考信息。

1 放電指紋及其建立方法

1.1 放電指紋庫

對高壓電機進(jìn)行局部放電檢測，所得到的信息可以是檢測量的數(shù)值、時域特性、頻域特性或統(tǒng)計特性。通過對放電信號進(jìn)行分析處理，統(tǒng)計特定相位下具有特定放電強度放電的次數(shù)，得到局部放電二維散點分布圖，反映了設(shè)備的狀態(tài)信息，被稱為放電指紋[11]。放電指紋的建立方法為：首先，提取采集數(shù)據(jù)樣本中的有效放電峰值-相位對，并將發(fā)生于特定相位的放電通過點來表示；然后，將每個采樣周期的幅值-相位對統(tǒng)計于一個工頻周期內(nèi)，使其隨采集次數(shù)的增加而不斷增多，以反映局部放電統(tǒng)計特性。

在無干擾環(huán)境下，提取發(fā)生于高壓電機定子繞組中的各種故障局部放電指紋，利用模式識別手段將其融合到高壓電機在線監(jiān)測系統(tǒng)中，通過對高壓電機局部放電信息與指紋庫指紋進(jìn)行對比，即可獲得目前發(fā)生的放電類型及程度。本文介紹了發(fā)生于10 kV三相異步電動機定子繞組中的3種局部放電指紋庫的建立方法，包括槽放電指紋、電暈放電指紋及相間放電指紋，旨在為高壓電機局部放電在線監(jiān)測與模式識別提供參考依據(jù)。

1.2 故障線圈制作

試驗線圈采用山西昌生電磁線有限公司專業(yè)人員手工繞制的10 kV定子繞組線圈，其絕緣水平為F級，單邊主絕緣厚2.04mm，外側(cè)平包半組帶一層，并于出槽口1.5 cm處與高阻帶呈反垂形搭接，能夠在一定程度上反映出國內(nèi)10 kV，F(xiàn)級絕緣定子線圈絕緣特性，具有一定代表性。試驗線圈如圖1所示。

圖1 試驗線圈Fig.1 Test coils

槽放電是由于線圈相對定子鐵芯運動，低阻帶被磨損，線圈與鐵芯槽壁之間產(chǎn)生空氣間隙，間隙氣體被擊穿而產(chǎn)生的放電，其故障表象如圖2所示。通過對線圈直線部分的半組帶進(jìn)行磨損，即可誘發(fā)槽放電的發(fā)生。本文對完好線圈中部長3 cm的部位進(jìn)行磨損老化，磨損深度控制在0.5mm，制成槽放電線圈指紋提取樣本。

圖2 槽放電老化痕跡Fig.2 Mark of slotdischarge

端部電暈放電是由低阻帶與高阻帶連接部位被破壞導(dǎo)致的，其故障表象如圖3所示。正常情況下，高阻帶與低阻帶間有2 cm左右的物理搭接，以確保高阻帶能夠通過低阻帶，在鐵芯處實現(xiàn)電氣接地[12]，否則，運行中線圈內(nèi)銅線的電勢將通過電容鏈效應(yīng)，使端部高阻帶表面電位升高并接近內(nèi)部銅線電位，這將使電位較低的低阻帶間形成較高的電勢差，產(chǎn)生強場強，導(dǎo)致氣體擊穿，電暈放電。本文通過剝除低阻帶與高阻帶搭接部位，來誘發(fā)電暈放電的發(fā)生。

圖3 槽口電暈放電痕跡Fig.3 Mark of corona discharge

相間放電過程的外在表象為電弧跨接于相鄰兩相繞組，或是同一槽內(nèi)的上下兩層繞組之間，放電發(fā)生的過程十分復(fù)雜，其故障表象如圖4所示。大量實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，發(fā)生相間放電的線圈，其低阻帶與高阻帶搭接部位往往存在破損，導(dǎo)致線圈端部電位升高，當(dāng)相鄰線圈的電勢差大于二者空氣間隙的起始放電電壓，空氣將被擊穿，發(fā)生放電現(xiàn)象。本文通過對施壓線圈搭接部位進(jìn)行破壞，同時將另一根線圈接地，適當(dāng)調(diào)節(jié)二者之間的距離，以誘發(fā)相間放電發(fā)生。

圖4 相間放電痕跡Fig.4 Mark ofbar-to-bar discharge

1.3 試驗環(huán)境

局部放電信號為微弱的電流信號，現(xiàn)場監(jiān)測過程中，往往被復(fù)雜的背景干擾所淹沒。為提取局部放電指紋，本實驗在電磁屏蔽室中進(jìn)行，背景噪聲低于2 pC。供電電源后接帶通濾波器，用來濾除工業(yè)電源中可能存在的過電壓脈沖，并由無局放升壓變壓器升壓，旨在消除來自電源端的噪聲污染。局部放電指紋提取試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 試驗系統(tǒng)示意Fig.5 Diagram of testsystem

1.4 試驗方法

為模擬真機線圈所在物理環(huán)境，本文自制定子鐵芯槽部模型作為線圈試驗的地電極系統(tǒng)，實物如圖6所示。將故障線圈嵌入鐵芯槽模型并施加電壓。起初，因放電使絕緣表面物質(zhì)氧化而導(dǎo)致放電信號不穩(wěn)，這將對指紋提取產(chǎn)生影響。因此，先施壓1 h，待放電穩(wěn)定后，再通過哈弗萊DDX9101局部放電分析儀，對局部放電信號進(jìn)行與工頻電壓的同步采集。采集時間控制在2min，采樣帶寬為50 kHz~800 kHz，并通過哈弗萊發(fā)生器的1000 pC檔位在每次采集前對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，旨在得到放電指紋統(tǒng)計特征，建立放電指紋庫。

圖6 線圈嵌入鐵芯槽Fig.6 Core slotmockup embedded w ith coils

2 指紋提取及分析

圖7 3.5 kV下槽放電指紋分布Fig.7 Slotdischarge fingerprintw ith 3.5 kV

圖8 5.7 kV下槽放電指紋Fig.8 Slotdischarge fingerprintw ith 5.7 kV

圖7 和圖8所示為在3.5 kV和5.7 kV下（6 kV與10 kV電壓等級高壓電機的相對地電壓），槽放電指紋分布圖。由圖可見，槽放電的放電量約為6 000 pC，其顯著特征為：工頻負(fù)半周期的放電，具有陡峭的上升沿，這是因其放電發(fā)生地點為絕緣與鐵芯之間，絕緣側(cè)對放電電荷具有累積效應(yīng)，而位于鐵芯壁上的電荷則易發(fā)生迅速的遷移，使得放電在工頻電壓負(fù)半周一開始就發(fā)生強烈放電，激發(fā)出高幅值放電脈沖；發(fā)生于工頻電壓負(fù)半周的正放電最大放電量約為負(fù)放電最大量的2~3倍；同時，當(dāng)電壓升高后，放電起始相位出現(xiàn)左移，該現(xiàn)象是因槽內(nèi)磨損處氣隙電場強度達(dá)到放電起始場強時，會在氣隙內(nèi)部產(chǎn)生放電，位于磨損處的場強，是由外施電壓和磨損處氣隙壁前一次放電殘留電荷所產(chǎn)生電場疊加而成。所以，即使電壓在過零點處，氣隙中還是存在電場的，而且隨著電壓的升高，該電場足以激發(fā)電荷產(chǎn)生放電。

圖9和圖10為3.5 kV和5.7 kV下，電暈放電指紋分布圖。電暈放電為發(fā)生于絕緣表面低阻帶與高阻帶之間的氣體電離現(xiàn)象，放電過程產(chǎn)生電子蹦，強烈時會引發(fā)流注，但是，由于覆蓋于繞組導(dǎo)體表面絕緣的阻擋作用，其放電能量被有效限制，因此無法發(fā)展為電弧，只能表現(xiàn)為若干放電細(xì)絲跨接于低阻帶與高阻帶之間；反映到指紋分布上，為負(fù)半周期具有較大放電量，放電指紋輪廓平滑呈橢圓形，這點可作為區(qū)分與槽放電的依據(jù)；另外，隨電壓升高，放電量不斷上升，放電次數(shù)也大大增加，半周指紋大致呈對稱分布。

圖9 3.5 kV下電暈放電指紋Fig.9 Corona discharge fingerprintw ith 3.5 kV

圖10 5.7 kV下電暈放電指紋Fig.10 Corona discharge fingerprintw ith 5.7 kV

本文通過升高電壓至9.8 kV，才出現(xiàn)明顯的相間放電指紋特征，相間放電指紋從分布相位及放電量上皆不同于槽放電與電暈放電。特征為：工頻正半周首先出現(xiàn)放電現(xiàn)象，表現(xiàn)為放電相位寬度較窄，且放電量非常高。因受采集系統(tǒng)限制，僅能顯示低于40 000 pC的放電信號。在更高電壓下，負(fù)半周也開始出現(xiàn)放電現(xiàn)象，同正半周大致呈對稱分布。圖11和圖12為10.5 kV和12 kV下相間放電指紋分布圖。由于高壓電機在現(xiàn)場運行環(huán)境十分惡劣，極有可能在較低電壓下即出現(xiàn)相間放電。

圖11 10.5 kV下相間放電指紋Fig.11 Bar-to-bar discharge fingerprintw ith 10.5 kV

圖12 12 kV下相間放電指紋Fig.12 Bar-to-bar discharge fingerprintw ith 12 kV

3 結(jié)語

本文介紹了發(fā)生于10 kV三相異步電動機定子繞組中槽放電、電暈放電，以及相間放電指紋的建立方法。通過定制10 kV三相異步電動機定子線圈，對其進(jìn)行單因子老化，在電磁屏蔽室進(jìn)行了放電指紋的提取。結(jié)果表明：槽放電與電暈放電整體特征相似，均表現(xiàn)為工頻電壓負(fù)半周的正放電占優(yōu)勢；然而，槽放電指紋表現(xiàn)出的位于工頻電壓負(fù)半周放電指紋陡峭的上升沿，可作為其區(qū)別于電暈放電的有效標(biāo)準(zhǔn)；相間放電可通過位于工頻相位30°的窄相位段高幅值放電來進(jìn)行識別。本文研究內(nèi)容能夠為高壓電機定子繞組局部放電指紋識別及故障維修提供依據(jù)。

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Method for Establishing PartialDischarge Fingerprint Databaseof10 kV Three Phase AsynchronousMotor

LIChuanyang，SONG Jiancheng，LIN Lingyan，SUWen
（ShanxiKey Laboratory ofCoalMining Equipmentand Safety Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To solve the problem that it is difficult to recognize the partialdischarge（PD）pattern occurred in 10 kV three-phase asynchronousmotors，themethod of establishing three types of the partial discharge，including slot discharge，corona discharge at junction section of the semi-conductive tapesand the corona release tapes，and bar-to-bar discharge are given in this paper，via the practical investigation and statisticalanalysis.In addition，the discharge patterns（which include slot，bar-to-bar，and corona discharge）havebeen extracted and analyzed by theadoption ofmock up core slotand signalaging experiment coils.The PD patterns in this research have been applied to the onlinemonitoring system ofa10 kVmotor in the coalmineand have practicalsignificance.

10 kV three-phaseasynchronousmotor；faultdiagnosis；fingerprintdistribution；on-linemonitoring

TM855

A

1003-8930（2015）04-0044-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.008

李傳揚（1987—），男，碩士研究生，主要從事高壓電機主絕緣在線監(jiān)測與故障診斷方面的研究。Email：lichuanyangsuper @sina.com

2013-07-20；

2013-10-31

高等學(xué)校博士學(xué)科點博導(dǎo)類專項科研基金項目（20111402110010）；國家國際科技合作專項項目（0S2013ZR0493）。

宋建成（1957—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電氣工程學(xué)科礦用智能電器、電力設(shè)備壽命評估、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控等領(lǐng)域的科學(xué)研究。Email：sjc6018@163.com

吝伶艷（1969—），女，博士，副教授，主要從事智能電器技術(shù)及電機CAD的研究。Email：llyhky@163.com