發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置在核電廠的應(yīng)用

徐西家，徐瑩琳，林羅波

( 華能山東石島灣核電廠，山東 榮成　264312 )

?

發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置在核電廠的應(yīng)用

徐西家，徐瑩琳，林羅波

( 華能山東石島灣核電廠，山東 榮成264312 )

摘要：隨著電力工業(yè)的發(fā)展，各式各樣的在線監(jiān)測(cè)裝置在發(fā)電機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，監(jiān)測(cè)方式也從巡回測(cè)量到連續(xù)監(jiān)測(cè)。發(fā)電機(jī)作為核電廠重要的設(shè)備，其安全、可靠運(yùn)行尤為重要，發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置除發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)外，一般還配置絕緣過熱在線監(jiān)測(cè)裝置。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；在線監(jiān)測(cè)；局部放電；絕緣過熱

1 發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置的重要意義

隨著發(fā)電廠機(jī)組容量和額定電壓的提高，發(fā)電機(jī)一旦發(fā)生故障，將引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定。特別是在聚焦了眾多目光的核電廠，故障造成的社會(huì)影響和輿論壓力將會(huì)超越事故本身，甚至對(duì)整個(gè)國內(nèi)核電事業(yè)的發(fā)展帶來一定的沖擊。為了保證發(fā)電機(jī)安全、可靠的運(yùn)行，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是非常重要的一個(gè)方向，通過在線監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的絕緣缺陷，為故障檢修及周期維護(hù)提供有效數(shù)據(jù)，避免引起突發(fā)停機(jī)事故帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

發(fā)電機(jī)故障一個(gè)主要的原因就是絕緣故障。對(duì)于發(fā)電機(jī)，影響其絕緣壽命的主要因素，除了制造過程中產(chǎn)生的絕緣缺陷、機(jī)械應(yīng)力、短時(shí)過電壓作用外，還有在運(yùn)行過程中絕緣局部過熱和局部放電。局部過熱和放電越嚴(yán)重，破壞性也越大，會(huì)使發(fā)電機(jī)定子線圈的介電性能下降，導(dǎo)致絕緣老化。所以，對(duì)于發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)主要是進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，其中發(fā)電機(jī)絕緣局部放電在線監(jiān)測(cè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，也是眾多在線監(jiān)測(cè)中靈敏度較高的一種。對(duì)于安全系數(shù)要求更高的核電廠，除了發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)外，一般還配有絕緣過熱在線監(jiān)測(cè)。

2 發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)的原理

與常規(guī)離線測(cè)試方法不同，發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)是在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣等參數(shù)進(jìn)行在線連續(xù)測(cè)量，比離線監(jiān)測(cè)更能測(cè)取到反映發(fā)電機(jī)真實(shí)運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)。發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)主要是指絕緣在線監(jiān)測(cè)，發(fā)電機(jī)的絕緣在線監(jiān)測(cè)方法根據(jù)所取信號(hào)的種類不同分為：電測(cè)法和非電測(cè)法。

電測(cè)法主要是對(duì)絕緣中局部放電量的監(jiān)測(cè)，又分為：中性點(diǎn)耦合法、無線電干擾電壓法、PDA檢測(cè)法、電容耦合法等，監(jiān)測(cè)靈敏度較高。非電測(cè)法主要是通過特征氣體、聲學(xué)、光學(xué)等非電量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，不受電氣量的干擾，但缺點(diǎn)也較為明顯：不能定量,準(zhǔn)確性也有待進(jìn)一步提高。

現(xiàn)階段國內(nèi)外主流發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)方法主要為脈沖電流法在線測(cè)量發(fā)電機(jī)局部放電，其次有些核電廠還會(huì)采用介質(zhì)電離法測(cè)量發(fā)電機(jī)絕緣過熱。

2.1 脈沖電流法局部放電在線監(jiān)測(cè)

發(fā)電機(jī)絕緣材料在制造過程中產(chǎn)生的一些微小缺陷，會(huì)在絕緣中留下微小氣泡或氣隙，在長期運(yùn)行過程中，由于受電、熱、機(jī)械應(yīng)力等作用，也會(huì)產(chǎn)生一些氣泡。在電壓作用下，氣泡容易擊穿，形成絕緣內(nèi)部放電，局部放電發(fā)展下去容易導(dǎo)致整個(gè)絕緣介質(zhì)的擊穿。

發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)是以發(fā)電機(jī)絕緣在形成故障過程中所產(chǎn)生的局部放電和局部放電所具有的特征為判斷依據(jù)，進(jìn)行定量測(cè)量、定性分析。測(cè)試原理為脈沖電流法：發(fā)電機(jī)發(fā)生絕緣放電時(shí)產(chǎn)生高頻脈沖放電信號(hào)，電流信號(hào)由中性點(diǎn)流向接地點(diǎn)，通過在中性點(diǎn)和接地變壓器中間裝設(shè)的高頻電流互感器耦合至監(jiān)測(cè)回路。此脈沖經(jīng)傳輸電纜耦合至主機(jī)的前置放大器部分，在微電腦電路的控制下，進(jìn)行放大及各種信號(hào)的處理，當(dāng)局部放電量超過報(bào)警設(shè)定值，報(bào)警裝置將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置工作電氣原理見圖1，控制處理單元原理見圖2。

圖1　局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置工作電氣原理圖

圖2　局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置控制處理單元原理圖

2.2 介質(zhì)電離法絕緣過熱在線監(jiān)測(cè)

早在上世紀(jì)60年代，國外就開始應(yīng)用介質(zhì)電離的方法來監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的絕緣。這種方法主要是將發(fā)電機(jī)冷卻氣體引入到測(cè)定器內(nèi)，利用發(fā)電機(jī)局部過熱時(shí)過熱的絕緣材料熱分解產(chǎn)生的熱解離子濃度的監(jiān)測(cè)來監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)絕緣狀態(tài)。

在發(fā)電機(jī)風(fēng)扇壓力作用下使機(jī)內(nèi)的冷卻氣體流經(jīng)裝置內(nèi)部。冷卻氣體介質(zhì)在受到離子室內(nèi)α射線的轟擊使冷卻氣體介質(zhì)電離產(chǎn)生正、負(fù)離子對(duì),又在直流電場(chǎng)作用下形成極為微弱的電離電流10~12A。如果發(fā)電機(jī)運(yùn)行中其部件絕緣有局部過熱時(shí)過熱的絕緣材料熱分解后產(chǎn)生冷凝核,冷凝核隨氣流進(jìn)入裝置內(nèi)。 由于冷凝核遠(yuǎn)比氣體介質(zhì)分子的體積大而重,負(fù)離子附著在冷凝核上,負(fù)離子運(yùn)行速度受阻從而使電離電流大幅度下降。

電離電流下降率與發(fā)電機(jī)絕緣過熱程度有關(guān)。經(jīng)試驗(yàn)確定當(dāng)電流下降到某一整定值時(shí)代表著絕緣早期故障隱患的發(fā)生和存在，裝置及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。運(yùn)行人員可根據(jù)報(bào)警信號(hào)頻度結(jié)合其它檢測(cè)儀表指示綜合判斷故障隱患的發(fā)生和發(fā)展，有計(jì)劃地提早采取相應(yīng)措施避免因絕緣過熱故障的擴(kuò)大而導(dǎo)致后期燒毀發(fā)電機(jī)的重大事故，以此提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全性。發(fā)電機(jī)絕緣過熱監(jiān)測(cè)裝置的電氣框圖見圖3所示。

圖3　發(fā)電機(jī)絕緣過熱監(jiān)測(cè)裝置的電氣框圖

3 發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置的研究方向

近年來，隨著數(shù)字化局部放電測(cè)量系統(tǒng)的不斷發(fā)展，發(fā)電機(jī)局部放電絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用也日益成熟，但是對(duì)于局部放電定位的研究還處于初級(jí)階段?，F(xiàn)階段發(fā)電機(jī)局部放電定位采取的方法為在發(fā)電機(jī)定子線圈處安裝多個(gè)傳感器，但傳感器的安裝較為復(fù)雜，且一旦傳感器的耦合電容擊穿，將會(huì)引起定子線圈短路，風(fēng)險(xiǎn)較大，所以一般不被電廠采用。局部放電定位的研究取決于傳感器的發(fā)展以及對(duì)局部放電分析技術(shù)的進(jìn)步。

發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)的另一個(gè)研究方向是發(fā)電機(jī)局部放電故障診斷的分析。非電量監(jiān)測(cè)法靈敏度不高，且很難或者不能對(duì)放電強(qiáng)度、放電性質(zhì)進(jìn)行判斷，常作為電測(cè)法的輔助監(jiān)測(cè)手段。就目前工程應(yīng)用實(shí)際而言，發(fā)電機(jī)局部放電主要運(yùn)用電測(cè)法。但作為大數(shù)據(jù)時(shí)代的當(dāng)下，電測(cè)法數(shù)據(jù)的分析加上非電測(cè)法輔助證明，將作為分析發(fā)電機(jī)局部放電故障診斷的一個(gè)方向，在傳統(tǒng)局放故障診斷的基礎(chǔ)上得出一個(gè)更接近事實(shí)的綜合分析結(jié)果，對(duì)于發(fā)電機(jī)絕緣的故障診斷和壽命評(píng)估提供依據(jù)。

4 發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置的選擇及建議

由于發(fā)電機(jī)在發(fā)電企業(yè)中的重要作用，對(duì)于發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置的選擇也顯得尤為重要。根據(jù)對(duì)以上兩種在線監(jiān)測(cè)原理的分析，特提出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 局部放電絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置比較成熟，實(shí)際應(yīng)用效果也較好，推薦在200MW及以上發(fā)電機(jī)組上使用，離子式絕緣過熱在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用較少，部分核電機(jī)組可根據(jù)需要配置；

(2) 新型傳感器的開發(fā)與使用一直是各制造商和研究單位研究的熱門，一批頻帶寬、靈敏度高、性能好的傳感器逐漸應(yīng)用于各發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置，但對(duì)于核電機(jī)組應(yīng)選擇典型機(jī)型，核電企業(yè)重在安全、可靠，而不是追求創(chuàng)新；

(3) 要從設(shè)計(jì)、招標(biāo)開始，明確發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置的配置目的和原則，選擇適用自己廠的機(jī)型和監(jiān)測(cè)原理；

(4) 發(fā)電廠生產(chǎn)人員應(yīng)聯(lián)合裝置制造廠成立發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置專項(xiàng)工作小組，定期跟蹤分析數(shù)據(jù)，制定相應(yīng)的指導(dǎo)性文件，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提高應(yīng)用水平。

結(jié)束語

發(fā)電機(jī)容量的大小、冷卻方式的不同、運(yùn)行時(shí)間的長短、在線監(jiān)測(cè)裝置的性能和原理等都會(huì)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的分析結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，如何合理配置發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置是一項(xiàng)比較復(fù)雜的策略性選擇。尤其是在一切都講究“安全第一”的核電廠，發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用更要慎之。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭維芹.發(fā)電機(jī)局部放電射頻在線監(jiān)測(cè)[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(3).

[2]曹毅.大型發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)的應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué)，2001.

[3]王呂長，李福祺，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京：清華大學(xué)出版社，1966.

[4]李樹軍.局部放電信號(hào)的提取與傳輸[J].高壓電器，2000(1).

(責(zé)任編輯：孫強(qiáng))

Application of Generator on Line Monitoring Device in Nuclear Power Plant

XU Xijia，XU Yinglin，LIN Luobo

( Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Company, Rongcheng, Shandong 264312，China )

Abstract：With the development of electric power industry, various kinds of on-line monitoring devices have been widely used in the generator. Generator as a nuclear power plant equipment,the safe, reliable running is particularly important, generator insulation on-line monitoring device in addition to the generator local discharge on-line monitoring, the general configuration of insulation overheat online monitoring device.

Key words：generator；on-line monitoring；partial discharge；insulation overheating

中圖分類號(hào)：TM611.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4385(2016)01-0124-05

作者簡介：徐西家(1988-)，男，山東濟(jì)寧人，主要從事核電廠電氣系統(tǒng)研究。

收稿日期：2015-12-15