抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選型及應(yīng)用總結(jié)

吳建輝，潘 凌，孫曉霞，凌海濤

（1.北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司，北京市 100041；2.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；3.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

0 引言

目前我國已是世界上抽水蓄能裝機(jī)容量最大的國家。抽水蓄能電站作為電網(wǎng)綜合輔助管理工具，以水能轉(zhuǎn)換為載體，通過提供系統(tǒng)儲(chǔ)能服務(wù)和多工況調(diào)度運(yùn)行，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)等任務(wù)，已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)重要的穩(wěn)壓器、調(diào)節(jié)器和存儲(chǔ)器。隨著風(fēng)電、光伏等新能源快速發(fā)展，可再生能源的存儲(chǔ)需求急劇增加，抽水蓄能電站的綜合優(yōu)勢(shì)更加突顯。

隨著近年抽水蓄能電站在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用越來越大，設(shè)備利用小時(shí)數(shù)急劇上升。但由于抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)和常規(guī)水電機(jī)組不同，受啟停頻繁、工況變化迅速、轉(zhuǎn)速高等因素影響，定子絕緣更容易遭受破壞，因此及時(shí)掌握定子在線絕緣狀況變得更加突出。

定子絕緣失效前會(huì)有多種物理現(xiàn)象呈現(xiàn)[1]，例如，電信號(hào)（電弧、電暈、閃絡(luò)）、聲音、光、熱、氣體（臭氧）等。在線監(jiān)測(cè)是為了在機(jī)組運(yùn)行時(shí)捕捉到這些物理現(xiàn)象，從而推斷定子絕緣狀況。目前局部放電在線監(jiān)測(cè)都是通過電氣測(cè)量方法得到的結(jié)果。

1 定子局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)概況

目前國外在發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方面已經(jīng)有大量研究，也有眾多在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用。IEEE和IEC近些年也都相繼制定了旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子局部放電監(jiān)測(cè)方面的相關(guān)導(dǎo)則，從局部放電的相關(guān)理論、技術(shù)、安裝方法和數(shù)據(jù)分析等方面做了詳細(xì)的闡述。

國內(nèi)也有部分高校和科研單位在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，但在相關(guān)技術(shù)上沒有新的突破。國際標(biāo)準(zhǔn)GB 7354仍以舊的IEC 60270為主體，并沒有國家層面的局部放電在線技術(shù)導(dǎo)則發(fā)布。在抽水蓄能機(jī)組和水電機(jī)組上，在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品及應(yīng)用較好的仍以國外技術(shù)居多。

1.1 局部放電定義

局部放電的簡(jiǎn)稱是局放，英文名稱partial discharge（PD），其定義為：導(dǎo)體間絕緣僅被部分橋接的電氣放電（見GB 7354）。由于電弧放電和火花具有高能量和高溫特點(diǎn)，代表絕緣正在迅速惡化或者事故前較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，因此目前IEC和IEEE都將這兩種放電單獨(dú)定義，以區(qū)別于常見的局部放電。

1.2 局部放電分類

典型的局部放電按定子絕緣發(fā)生的部位可分為絕緣內(nèi)部、槽內(nèi)放電（定子槽內(nèi)線棒表面）和槽外放電（定子槽外線棒表面）[2]。

這些典型的局部放電都具有能量低、放電為脈沖電流（非持續(xù)電流）的特征。目前大多數(shù)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都以監(jiān)測(cè)這些放電為目的，通過這些特征的放電可以發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)早期問題，在絕緣惡化前做出相關(guān)措施，避免擊穿造成短路事故。而火花放電或者電弧放電往往意味著絕緣已經(jīng)嚴(yán)重惡化，瀕臨擊穿狀態(tài)。

1.3 監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.3.1 傳感器

傳感器總體分電容式、電感式、天線式三大類。電容式傳感器屬接觸式，根據(jù)技術(shù)的不同安裝在高壓側(cè)和中性點(diǎn)處。高壓側(cè)通常選用的電容值越小越好[3]，這樣可以獲得較高的信號(hào)頻率；而中性點(diǎn)處由于信號(hào)經(jīng)定子線圈和鐵芯的阻尼作用，無法獲得較高的信號(hào)頻率，因此通常采用的電容值較大，以獲得中低頻部分信號(hào)。電感式傳感器屬于非接觸式，通常安裝在中性點(diǎn)，主要由羅柯夫斯基（Rokowski）線圈構(gòu)成，這種傳感器由于是電感式的，因此截獲的信號(hào)頻率最低，通常在20kHz～2MHz范圍內(nèi)，中心頻率低于1MHz。

1.3.2 頻率

局部放電產(chǎn)生的放電電流是一個(gè)上升時(shí)間只有幾納秒的脈沖信號(hào)，其能量主要集中在高頻部分，但由于定子繞組對(duì)于高頻電路來說是一個(gè)復(fù)雜的模型，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)衰減畸變、反射和交叉耦合[4-5]。

各種局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻率差異很大，主要跟傳感器的選擇、安裝的部位、采用的技術(shù)有關(guān)。

電容式傳感器直接接在電氣回路上，其回路模型等效于RC電路，通常都采用50Ω阻抗的同軸信號(hào)電纜（可傳輸上GHz信號(hào)），因此系統(tǒng)的截止頻率（3dB時(shí)）其實(shí)由電容值的大小決定，例如80pF電容器對(duì)應(yīng)RC電路截止頻率是40MHz，1000pF電容對(duì)應(yīng)的截止頻率是3MHz，而10nF電容對(duì)應(yīng)的截止頻率就低至300kHz。

天線式傳感器有代表性的是定子槽耦合器SSC（Stator Slot Coupler）和測(cè)溫電阻傳感器[6]，特點(diǎn)是信號(hào)傳輸頻率高，帶通較寬，非接觸式測(cè)量信號(hào)。但由于采用非接觸方式，因此只能捕捉到放電產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)，根據(jù)輻射隨距離衰減較快的特性，需要將傳感器布置在離放電點(diǎn)較近的位置，且信號(hào)引線不能過長(zhǎng)，以保證獲得較高的信號(hào)幅值。缺點(diǎn)是只有傳感器數(shù)量足夠多才能捕捉到較全面的定子絕緣放電信號(hào)，這樣勢(shì)必造成成本的急劇上升。

1.3.3 抗干擾技術(shù)

局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前大多以測(cè)脈沖放電信號(hào)為主，但很多實(shí)際應(yīng)用效果往往不理想，一個(gè)很重要的因素是現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾影響太大，很難獲得真正的局部放電信號(hào)[7]。

干擾在時(shí)域上可分為連續(xù)的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪聲三類。本文主要介紹脈沖型干擾特點(diǎn)和抗干擾措施。脈沖型干擾包括：發(fā)電機(jī)外部的電暈放電；高壓開關(guān)、可控硅整流設(shè)備閉合和開、斷引起的干擾；試驗(yàn)線路或者臨近處的接地不良引起的干擾；浮動(dòng)電位物體放電引起的干擾；設(shè)備的本機(jī)噪聲和其他的隨機(jī)干擾。這類干擾在時(shí)域上都是持續(xù)時(shí)間很短的尖脈沖信號(hào)，具有與局部放電相似的時(shí)域和頻域特征。這些干擾進(jìn)入發(fā)電機(jī)的路徑主要有：勵(lì)磁系統(tǒng)、母線或者中性點(diǎn)引線、電磁輻射。

抑制干擾利用這些干擾在頻域和時(shí)域上與局部放電脈沖信號(hào)的雙重差異進(jìn)行抑制。在頻域上選擇合適的頻率范圍將非局部放電信號(hào)進(jìn)行過濾，再通過時(shí)域特點(diǎn)將定子外部的類似局部放電脈沖信號(hào)進(jìn)行過濾。

2 抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子局部放電選型方案

2.1 傳感器選擇

局部放電在線監(jiān)測(cè)應(yīng)以著重解決發(fā)現(xiàn)絕緣早期的問題為目的，因此傳感器選擇應(yīng)以獲得原始脈沖放電信號(hào)和減少失真為原則。根據(jù)頻率特點(diǎn)，應(yīng)盡量選擇工作頻率較高的傳感器，盡管定子槽傳感器SSC工作頻率較高，但考慮獲得較高的信號(hào)幅值和相對(duì)較高的工作頻率，宜選擇80pF小電容傳感器。不排除未來電容式傳感器設(shè)計(jì)上電容再變小的可能，但目前80pF電容值最小，且工作頻率高。

傳感器的絕緣性能設(shè)計(jì)應(yīng)高于定子線棒絕緣，否則安裝傳感器將帶來風(fēng)險(xiǎn)。傳感器的材料應(yīng)選擇電氣性能優(yōu)良的絕緣材料，且運(yùn)行時(shí)自身不能發(fā)熱。

2.2 傳感器的安裝位置

為了獲得較大的局部放電信號(hào)幅值，傳感器應(yīng)盡量安裝在放電發(fā)生部位附近。但由于定子尺寸較大，無法預(yù)知什么部位會(huì)發(fā)生放電。根據(jù)概率分布，高壓部位發(fā)生放電的概率必然大于低壓部位和中性點(diǎn)附近，因此傳感器適宜安裝在電壓最高的區(qū)域。另外，由于原始脈沖放電信號(hào)中高頻信號(hào)成分較多，高壓側(cè)的信號(hào)經(jīng)定子繞組傳輸?shù)街行渣c(diǎn)后高頻部分會(huì)被衰減（距離較遠(yuǎn)）和抑制（定子的電感特性），因此傳感器適宜裝在高壓出線側(cè)，不適合安裝在中性點(diǎn)。條件允許的情況下應(yīng)在每個(gè)并聯(lián)分支都安裝傳感器，這樣可精確掌握到每分支的絕緣狀況。目前80pF電容傳感器的使用材料和定子線棒絕緣材料一致，且其云母層比線棒中的云母累積厚度高幾十倍，因此使用比較安全。

2.3 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇

在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇要綜合考慮頻率、傳感器的選擇、安裝位置、抗干擾技術(shù)等因素。在頻率選擇上，應(yīng)選擇工作頻率高的為宜。目前工作頻率最高的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備是40～350MHz范圍。高頻監(jiān)測(cè)所對(duì)應(yīng)的傳感器以電容方式為宜，且電容越小對(duì)原始局放信號(hào)失真越小，目前電容值最小的是80pF。安裝位置應(yīng)盡量靠近放電發(fā)生點(diǎn)，從概率分布角度考慮，應(yīng)選擇離高壓側(cè)線棒最近的匯流上，且每分支都有最佳?？垢蓴_技術(shù)也是很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具有硬件上的自動(dòng)抗干擾技術(shù)，能自動(dòng)區(qū)分脈沖放電發(fā)生在定子還是發(fā)電機(jī)外部。

目前IRIS公司的HydroTrac（含新一代的HydroTracⅡ）系統(tǒng)在國內(nèi)抽水蓄能電站和水電機(jī)組上廣泛應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)最先進(jìn)，且取得了一定效果。

3 在抽水蓄能機(jī)組上的應(yīng)用案例

3.1 線棒松動(dòng)

某電站安裝了HydroTrac系統(tǒng)，其中3號(hào)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行測(cè)試中發(fā)現(xiàn)A相U12分支正放電隨負(fù)荷呈平方規(guī)律上升，而負(fù)放電基本保持不變，A相U11分支正、負(fù)放電均無隨負(fù)荷迅速增長(zhǎng)的規(guī)律，具體數(shù)值見表1。從三個(gè)負(fù)荷（50%、75%和100%）下對(duì)應(yīng)的放電二維圖（放電幅值和次數(shù)）也可看出，正放電隨負(fù)荷變化明顯（向坐標(biāo)軸右上角偏移），見圖1～圖3。該機(jī)組在停機(jī)后檢修期間排查發(fā)現(xiàn)部分線棒有松動(dòng)，與在線監(jiān)測(cè)分析結(jié)果一致。經(jīng)處理后U12分支此規(guī)律消失。

表1 A相放電隨負(fù)荷變化情況Tab.1 PD of phase A with different load

圖1 50%負(fù)荷下放電二維圖Fig.1 50% load PHA plot

圖2 75%負(fù)荷下放電二維圖Fig.2 75% load PHA plot

圖3 100%負(fù)荷下放電二維圖Fig.3 100% load PHA plot

淺析：由于不同材料在電場(chǎng)作用力下丟失和捕獲電子能力不同，因此在局部放電中往往會(huì)表現(xiàn)出正、負(fù)放電差異較大的現(xiàn)象。根據(jù)這些可判斷放電發(fā)生的部位，從而推斷定子絕緣的相關(guān)缺陷。正放電突出代表了絕緣表面的放電，常見的是槽內(nèi)線棒表面和鐵芯間的放電。這種放電是因線棒表面和鐵芯間有間隙，有電壓差，形成放電。上下層線棒在運(yùn)行時(shí)受切向和徑向作用力，研究表明上下層線棒間的相互作用力最大，大約是切向作用力的十幾倍。線棒在磁場(chǎng)中的作用力和線棒電流呈正比（電壓固定時(shí)），而負(fù)荷跟電流的平方呈正比，因此正放電隨負(fù)荷呈平方關(guān)系上升時(shí)意味著線棒松動(dòng)。

3.2 定子臟污影響

某電站加裝了局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置（基建時(shí)已安裝傳感器）后發(fā)現(xiàn)剛開機(jī)時(shí)局部放電較小，低于50mV，一小時(shí)內(nèi)局部放電呈爬升規(guī)律，然后逐漸趨于穩(wěn)定，超過900mV。初步判斷和定子溫升有關(guān)系，于是分別對(duì)4臺(tái)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有機(jī)組都有相同規(guī)律，即局部放電與定子溫度呈正比關(guān)系，溫度上升，局部放電上升。從圖4和圖5可以看出兩者變化規(guī)律完全一致。

圖4 某定子局放開機(jī)后趨勢(shì)圖Fig.4 1 hour PD trend after startup

圖5 某定子開機(jī)后線棒溫度趨勢(shì)圖Fig.5 1 hour temperature trend after startup

淺析：正常情況下局部放電隨定子溫度上升呈下降趨勢(shì)，其機(jī)理是由于分布在絕緣系統(tǒng)中小的氣隙會(huì)隨溫度上升而較小，而這些氣隙間的脈沖放電會(huì)減弱或者消失。然而，并非所有的放電都具有這樣的物理特性。當(dāng)出槽口外線棒高阻漆段表面有臟污時(shí)，這些臟污通常是油污混合碳粉或者金屬顆粒，這些材料附著在絕緣表面，會(huì)引起表面電阻率變化，呈現(xiàn)溫度上升電阻率變小的趨勢(shì)。因此這種機(jī)理的放電會(huì)隨溫度上升而增加。

3.3 螺桿感應(yīng)放電

某廠新定子投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)C相放電高達(dá)2500mV以上，而同類型早一年投產(chǎn)的另一個(gè)新定子放電只有50mV以內(nèi)。該新定子C相放電水平竟高于更換前的舊定子放電水平，放電相位圖如圖6所示，放電發(fā)生在一三象限，且呈帶狀分布。經(jīng)多次排查傳感器、信號(hào)線、監(jiān)測(cè)裝置等均無變化，停機(jī)時(shí)做離線局放試驗(yàn)仍發(fā)現(xiàn)C相放電異常偏大。經(jīng)多次試驗(yàn)和排查最終發(fā)現(xiàn)一懸浮螺桿感應(yīng)交變磁場(chǎng)電壓后電位高達(dá)500V，其對(duì)下方二次線金屬槽盒間距過?。ù蠹s0.2mm），造成放電。增加兩者間隙后，放電消失，整體放電水平接近同類型另外一臺(tái)新定子。

圖6 某定子C相放電相位圖Fig.6 Phase C PPA plot

淺析：盡管懸浮螺桿沒有接在導(dǎo)體回路內(nèi)，但定子模型可看作由多個(gè)復(fù)雜的分布電容構(gòu)成。導(dǎo)體、絕緣板、懸浮螺桿、金屬槽盒和地之間形成多個(gè)串聯(lián)電容回路，該回路放電脈沖信號(hào)可旁路到就近C相80pF電容器所在的回路，從而被系統(tǒng)捕獲。此類放電明顯區(qū)別于絕緣系統(tǒng)中以45°相位和225°相位為中心的特征放電。

4 關(guān)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常見的一些問題

4.1 與離線測(cè)試的區(qū)別

局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受工作頻率、工作環(huán)境、干擾等因素影響，其測(cè)試結(jié)果不適宜用pC表示或者標(biāo)定，而離線局部放電測(cè)試結(jié)果可用pC表示和標(biāo)定；在線局部放電監(jiān)測(cè)的結(jié)果可作為絕緣評(píng)估的手段，由于和離線測(cè)試的測(cè)量原理和方法不同，兩者結(jié)果可互相參考和補(bǔ)充，但不宜做唯一的依據(jù)[8]。例如，在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)相間缺陷較為容易，而離線測(cè)試就相對(duì)困難。

在線局部放電監(jiān)測(cè)的目的是發(fā)現(xiàn)絕緣潛在的隱患或者惡化趨勢(shì)，而離線局放測(cè)試往往是定量判斷絕緣的好壞程度，兩者目的不沖突，也不能互相替代。

4.2 認(rèn)識(shí)不足

對(duì)于在線局部放電監(jiān)測(cè)往往有兩種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。一種是過于神化該系統(tǒng)的作用，認(rèn)為只要是“放電”，系統(tǒng)就應(yīng)該有所反映或者記錄，忽略了每種產(chǎn)品都有其工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮，沒有一個(gè)產(chǎn)品是萬能的。另一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)是無用論，往往因?yàn)槟骋粋€(gè)問題在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有反映出或者捕捉到，從而就否定其可用性。這兩種思想在行業(yè)內(nèi)目前普遍存在。

4.3 缺乏專業(yè)分析

在線局部放電監(jiān)測(cè)由于產(chǎn)品眾多、技術(shù)多樣化、沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于電廠相關(guān)技術(shù)人員來講，很難全面掌握該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)，也給分析帶來困難。在實(shí)際工作中，經(jīng)常碰到電廠技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)分析一頭霧水，無從下手，一方面反映了對(duì)設(shè)備工作原理的掌握不夠，另一方面也反映了缺乏專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)和使用經(jīng)驗(yàn)。因此，充分利用好局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)離不開專業(yè)技術(shù)人員的配合。

5 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)朝著寬頻帶，高采樣率，智能診斷，智能識(shí)別故障等方向發(fā)展。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將綜合目前已獲得的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)模型自動(dòng)分析判斷，自動(dòng)得出結(jié)論，將會(huì)給電廠管理和維護(hù)帶來很大的方便。