局放檢測方法在發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用研究

王文龍

摘 要：本文簡單介紹了局部放電的形成原因和檢測手段，分析了各種檢測方法的原理、特點和適用范圍。其間以某發(fā)電廠發(fā)電機(jī)局部放電在線監(jiān)測裝置為例，介紹了其檢測原理、降噪技術(shù)、影響因素以及故障處理的原則。

關(guān)鍵詞：局部放電;局放檢測;發(fā)電機(jī);在線監(jiān)測

中圖分類號：TM303.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0054-03

Study on Application of Partial Discharge Detection Method in Generator

WANG Wenlong

（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd.， Powerbeijing Group，Beijing 100041）

Abstract： This paper briefly introduced the causes and detection methods of partial discharge， and analyzed the principles， characteristics and scope of application of various detection methods. In the meantime， taking the partial discharge online monitoring device of a generator in a power plant as an example， the detection principle， noise reduction technology， influencing factors and principles of fault handling were introduced.

Keywords： partial discharge;partial discharge detection;generator;online monitoring

局放是指局部放電，它是一種絕緣介質(zhì)的部分區(qū)域被擊穿后發(fā)生的放電現(xiàn)象，發(fā)生的范圍小，不會直接導(dǎo)致絕緣失效，一般的耐壓試驗可能無法檢出。但積年累月，放電范圍會逐漸擴(kuò)大，腐蝕正常絕緣，最終導(dǎo)致絕緣失效。電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)所承受的電場強度不均，絕緣介質(zhì)本身可能會產(chǎn)生空穴、氣泡以及不同的絕緣介質(zhì)復(fù)合都可能會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)部分區(qū)域電場強度超過其所能承受的上限，進(jìn)而發(fā)生局部擊穿，引發(fā)放電現(xiàn)象。局放是絕緣失效的征兆，檢測局放有助于預(yù)防絕緣劣化，做到預(yù)知維修。

局放發(fā)生時會產(chǎn)生電磁波、電脈沖、超聲波和光等物理現(xiàn)象，絕緣介質(zhì)受熱也可能會分解產(chǎn)生一些新的物質(zhì)，利用各種傳感器對這些物理量或新生成的物質(zhì)進(jìn)行采集和測量，就是局放的檢測手段。再對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，利用各種智能算法提取特征后定性或定量地得出局放的劇烈程度、局放的類型和局放發(fā)生的位置等信息，人們通過這些信息就可以合理評估局放的危害程度。

1 局放的檢測方法

根據(jù)檢測的物理量不同，局放檢測有電檢測法、特高頻檢測法、超聲波檢測法、光檢測法和化學(xué)檢測法等。

1.1 電檢測法

電檢測法主要用于檢測局放發(fā)生時產(chǎn)生的電流脈沖和電磁波。當(dāng)局放發(fā)生時，無論是放電產(chǎn)生的電流脈沖還是輻射出的電磁波，頻率都很高。由于中性點的電位很低，電力設(shè)備內(nèi)部的電弧放電都將在中性點接地線內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電流，人們可以利用裝設(shè)在電力設(shè)備中性點處的高響應(yīng)頻率的電流互感器采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)過放大、檢波、峰值保持等處理，得到電流脈沖的幅值、頻率等，根據(jù)這些信息對局放的危險程度進(jìn)行評估。這種方法就是脈沖電流法。脈沖電流法的優(yōu)點是安裝方便，可以在線安裝傳感器，是唯一有標(biāo)準(zhǔn)可依、可以標(biāo)定的方法[1]，但對于GIS設(shè)備和大型電力變壓器來說，局放信號傳輸?shù)街行渣c時已經(jīng)有很大的衰減，所能檢測到的頻率低，容易與噪聲混淆，信噪比低，信息量也不夠豐富，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性不高，要靠經(jīng)驗來判斷。

1.2 特高頻檢測法

局放發(fā)生時會向周圍輻射出電磁波，人們可以利用各種高頻傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行后期處理，這種方法就是特高頻檢測法。GIS設(shè)備內(nèi)電磁波傳播特性已研究得較為透徹，其同軸結(jié)構(gòu)相當(dāng)于引導(dǎo)電磁波的波導(dǎo)管，信號在設(shè)備內(nèi)部的衰減小，傳播時間長，有利于局放檢測[2]。由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁波在設(shè)備內(nèi)部傳播特性不明朗，可能會衰減反射，所以如果變壓器采用高頻檢測法，一般需要在變壓器內(nèi)部裝接收電磁波的天線，這樣便能使所接收的電磁波更接近局放初始時產(chǎn)生的電磁波。特高頻檢測法可以檢測到ns級頻寬的電磁波[3]，所測得的波形畸變小，頻率遠(yuǎn)高于噪聲，有著信噪比高的優(yōu)點，適合進(jìn)行在線監(jiān)測，對突發(fā)故障響應(yīng)也比較及時。缺點是目前沒有針對特高頻檢測法的標(biāo)準(zhǔn)，無法用放電量大小來標(biāo)定局放強度。

1.3 超聲波檢測法

在局放發(fā)生時，放電源瞬間釋放熱量，可使周圍的介質(zhì)體積變化而產(chǎn)生超聲波。這種波以放電源為球心，向四周傳播。人們可以利用超聲波傳感器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行后期處理，這種方法就是超聲波檢測法。超聲波傳感器不一定要安裝在設(shè)備內(nèi)部，可以在線安裝。根據(jù)電力設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)、環(huán)境條件等的不同，檢測到超聲波的頻率也不同。超聲波檢測法可以檢測電力設(shè)備內(nèi)金屬顆粒自由移動時產(chǎn)生的機(jī)械波，與電檢測法結(jié)合，可以更好地評估其運動軌跡及危險性。超聲波抗電磁干擾能力強，人們可以對變壓器內(nèi)部局放進(jìn)行定位，在變壓器內(nèi)部或外部安裝多個超聲波傳感器，利用這些傳感器的空間位置和收到信號的時間差，列出方程組，然后利用各種定位算法求解出信號源的空間位置。超聲波在環(huán)氧材料中衰減嚴(yán)重，對于環(huán)氧材料絕緣子氣泡內(nèi)發(fā)生的局放，反應(yīng)不靈敏或者根本檢測不到[2]，超聲波檢測法也不適合進(jìn)行定量分析，經(jīng)常與電檢測法結(jié)合使用。

1.4 其他方法

除了以上三種方法外，還有光檢測法、化學(xué)檢測法等。在局放發(fā)生時，檢測所發(fā)出的光信號的方法就是光檢測法。光檢測法受設(shè)備透光性能影響，在不透光時，即使發(fā)生局放，也檢測不到信號，且傳感器必須植入設(shè)備內(nèi)部，因此該方法基本上沒有直接應(yīng)用。但是，光信號抗電磁干擾能力強，傳播時延低，能快速響應(yīng)，如果可以解決傳感器植入的問題，那么它也是一種很有潛力的檢測方法?；瘜W(xué)檢測法通過檢測局放發(fā)生后新生成的產(chǎn)物的組成和含量來評估局放危險程度，一般用于檢測氣體、液體絕緣介質(zhì)。變壓器油的色譜分析技術(shù)就是對油中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢測的一種化學(xué)檢測法，根據(jù)所檢測出的氣體特征進(jìn)行變壓器內(nèi)部故障類型判斷時，有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)可依。但化學(xué)檢測法一般只能定性檢測局放是否發(fā)生，無法定量分析局放發(fā)生的強度、位置，對局放檢測的靈敏度不高，突發(fā)故障反應(yīng)慢，但其一直是電檢測法的有力補充。

2 局放在線監(jiān)測在發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

下面以某電廠所采用的局放檢測裝置為例，簡要介紹其原理和使用過程中發(fā)生的問題。

某電廠發(fā)電機(jī)所使用的局放在線監(jiān)測系統(tǒng)為由拿大IRIS公司生產(chǎn)，其主要由傳感器、信號電纜、監(jiān)測儀器和上位計算機(jī)等構(gòu)成。由于局放號是高頻信號，定子線圈有一定的感抗，且頻率越高，感抗越高，假設(shè)局放信號的頻率為83 MHz，根據(jù)感抗公式，定子線圈對于局放信號的感抗是50 Hz交流電的160多萬倍，所以局放信號在定子線圈內(nèi)傳輸?shù)木嚯x不遠(yuǎn)。同時，距離中性點越近，定子線圈承受的電壓越低，越不容易發(fā)生局部放電，因此傳感器比較合理的安裝位置是定子線圈的高壓側(cè)靠近局放發(fā)生的部位。本局放在線監(jiān)測裝置所使用的傳感器為80pF電容器，簡稱EMC。

根據(jù)容抗公式，頻率越高，容抗越小，假設(shè)局放信號的頻率為83 MHz，傳感器對于局放信號的容抗為50 Hz交流電的一百六十萬分之一，極大地阻礙了低頻信號。有研究表明，工業(yè)現(xiàn)場電噪聲的頻率一般不超過20 MHz，而局放信號到達(dá)傳感器處的頻率一般為40～250 MHz。80pF電容器對高頻導(dǎo)通、對低頻阻礙的作用正好可以使其過濾掉現(xiàn)場的低頻噪聲，所以采用EMC作為傳感器在理論上應(yīng)該能達(dá)到很高的信噪比。另外，局放在線監(jiān)測裝置還具備噪聲定向分離技術(shù)，大概做法是除了在發(fā)電機(jī)出線安裝一個傳感器外，在沿著出線2.5～4.0 m后再安裝一個傳感器，用兩根等長的電纜將兩個傳感器接收到的信號傳送到監(jiān)測儀器，根據(jù)信號到達(dá)兩個傳感器的幅值大小和時間先后判斷信號源是來自發(fā)電機(jī)側(cè)、斷路器側(cè)還是來自兩個傳感器之間。

在使用局放在線監(jiān)測裝置的過程中，該電廠監(jiān)測到一些異常數(shù)據(jù)，具體為發(fā)電機(jī)A相的局放數(shù)值Qm達(dá)到4 000 mV左右，無增大趨勢。Qm是機(jī)器內(nèi)部統(tǒng)計每秒放電次數(shù)10次以上的放電量最大值，可以理解為放電能量的大小，有正放電量最大值和負(fù)放電量最大值，在相對的正半周內(nèi)氣隙發(fā)生的放電稱為負(fù)放電，負(fù)半周內(nèi)發(fā)生的放電稱為正放電。發(fā)電機(jī)定子電壓、負(fù)荷、定子溫度、氫壓和環(huán)境濕度對局放都有影響，根據(jù)放電量的極性和影響因素，人們可以對發(fā)電機(jī)內(nèi)部局放類型進(jìn)行初步判斷。一些導(dǎo)致局放發(fā)生的故障和局放隨影響因素變化的特性如表1所示。

當(dāng)線棒松動時，隨著負(fù)荷的增大，線棒中的電流增加，線棒在發(fā)電機(jī)磁場中受到的力就增大，正局放就會遠(yuǎn)大于負(fù)局放且隨著負(fù)荷的增大而增大。主絕緣內(nèi)部或者靠近銅導(dǎo)體的空隙導(dǎo)致的局放受溫度影響較大，因為發(fā)電機(jī)啟動初期，溫度較低，當(dāng)運行一段時間后，這些部位溫度升高，體積膨脹導(dǎo)致空隙變小或者消失，局放也就會變小或者消失。局放和氣隙形狀及氣體也有關(guān)系，因此氫壓的變化對局放也會產(chǎn)生影響。若局放和氫壓成反比，則說明局放發(fā)生在氫氣環(huán)境中;若局放和氫壓成正比或者無明顯關(guān)系，則說明局放發(fā)生在氫氣環(huán)境之外。除此以外，濕度對于局放的影響較復(fù)雜，一般只有空冷發(fā)電機(jī)受影響，濕度越大，空氣越容易被擊穿，局放越容易發(fā)生，但濕度增大也會增加絕緣表面的導(dǎo)電率，減少局放的發(fā)生。

除了根據(jù)放電量數(shù)據(jù)本身判斷發(fā)電機(jī)內(nèi)部是否有問題外，局放的趨勢分析也是一個重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果局放強度Qm每半年高于1倍的速率增長且大于報警值，就說明定子絕緣有較嚴(yán)重的問題。局放對絕緣故障起預(yù)警作用，在絕緣故障之前局放會有明顯的變化，而且電壓等級越高，預(yù)警時間就越長，根據(jù)電壓等級的不同，可以預(yù)警1～4年的時間。發(fā)電機(jī)的局放趨勢如圖1所示。

3 結(jié)語

局放檢測方法主要根據(jù)所檢測物理量的不同來分類。脈沖電流法檢測頻率低，干擾多，但有國際標(biāo)準(zhǔn)。特高頻檢測法檢測頻帶高，信噪比高，對突發(fā)事故響應(yīng)好。超聲波檢測法適合定位，抗電磁干擾能力強，但對某些故障類型檢測不到。光檢測法抗電磁干擾，響應(yīng)快，但仍處于研究階段?；瘜W(xué)檢測法則一直是各種檢測方法的強力補充。根據(jù)電力設(shè)備的不同，選擇經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確度高、適合設(shè)備的檢測方法和檢測裝置，做到絕緣故障的提前預(yù)警，這是電力設(shè)備管理人員應(yīng)當(dāng)考慮的問題。

發(fā)電機(jī)局放監(jiān)測裝置采用EMC作為傳感器，可以達(dá)到較高的信噪比，配合定向噪聲分離技術(shù)，使檢測結(jié)果更具有說服力。當(dāng)局放數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可控制影響因素變化觀察局放變化，根據(jù)局放趨勢初步判斷故障類型和機(jī)組是否可以繼續(xù)運行等，還可以提前安排檢修期工作內(nèi)容，做到預(yù)知維修。

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