基于光纖傳輸超聲測(cè)量的電機(jī)定子線棒局放檢測(cè)方法研究

摘要：大型發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是電力工業(yè)生產(chǎn)的主要旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其可靠性對(duì)相關(guān)企業(yè)能否正常生產(chǎn)和運(yùn)行有決定性作用。電機(jī)定子繞組主絕緣受電、熱、化學(xué)、機(jī)械等不利因素影響，絕緣性能逐漸變差，會(huì)對(duì)大型發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅，因此有必要對(duì)表征電機(jī)定子線棒絕緣水平的局放情況進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)提出了一種基于光纖傳輸超聲測(cè)量的電機(jī)定子線棒局放檢測(cè)新方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定子繞組局放故障的精準(zhǔn)定位。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；定子繞組；局放；超聲檢測(cè)；定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TM311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）12-0067-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.019

0? ? 引言

大型發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是電力工業(yè)生產(chǎn)的主要旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其可靠性對(duì)相關(guān)企業(yè)能否正常生產(chǎn)和運(yùn)行有決定性作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約41%的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)故障是主絕緣（定子絕緣）老化引起的，高壓電機(jī)或大容量發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性在很大程度上取決于定子繞組的絕緣狀況[1]。在部分惡劣環(huán)境下，單根定子線棒故障可能迅速發(fā)展為相間短路、三相短路等故障。一旦電機(jī)因故障停運(yùn)，將會(huì)影響企業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行并給企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著電機(jī)容量的不斷增加，電機(jī)在安全性和運(yùn)行壽命方面的要求也大幅提升。而單機(jī)容量的大幅提升必然帶來(lái)定子電壓的提升，這樣定子繞組出現(xiàn)各種絕緣缺陷的概率越來(lái)越大，造成的后果也愈發(fā)嚴(yán)重。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)定子繞組主絕緣材料會(huì)受到電磁力、熱應(yīng)力、熱老化、化學(xué)老化或環(huán)境等因素影響，使得絕緣性能逐漸變差。對(duì)于電機(jī)的定子繞組，絕緣發(fā)生劣化的主要特征之一就是繞組內(nèi)部或表面的局放水平大幅增加[2]。

因此，對(duì)電機(jī)定子繞組主絕緣定期進(jìn)行局放檢測(cè)并監(jiān)視不同部位局放水平的變化趨勢(shì)，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷、避免故障持續(xù)惡化和實(shí)現(xiàn)絕緣缺陷的早期預(yù)警具有重大意義。

現(xiàn)階段，許多專(zhuān)家和學(xué)者都針對(duì)發(fā)電機(jī)定子線棒局放檢測(cè)和定位方法進(jìn)行了深入研究。李傳揚(yáng)[1]通過(guò)搭建寬度可調(diào)節(jié)的定子鐵芯槽部模型作為局放信號(hào)提取接地極，基于已建立的各類(lèi)放電模型，錄取了發(fā)電機(jī)定子線棒內(nèi)部、槽部、電暈及相間四種局放信號(hào)的指紋，并對(duì)不同類(lèi)型放電指紋的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，為在線監(jiān)測(cè)高壓電機(jī)主絕緣局放信號(hào)對(duì)比提供了依據(jù)；Li Shunyuan等人[2]提出了通過(guò)分析放電圖譜、極性效應(yīng)、脈沖相位和放電發(fā)展趨勢(shì)等局放信號(hào)特征模式來(lái)識(shí)別發(fā)電機(jī)定子絕緣故障類(lèi)型的方法；王新等人[3]實(shí)際加工制作了3種典型的定子缺陷模型，利用脈沖電流法對(duì)熱老化前后定子絕緣缺陷局放特性差異進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明對(duì)于內(nèi)部缺陷線棒，局放起始電壓相較于熱老化前出現(xiàn)了升高，槽部和端部缺陷線棒的局放起始電壓在熱老化后出現(xiàn)了下降；汪泉弟等人[4]在分析局放超聲波信號(hào)在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)傳播特性的基礎(chǔ)上，建立了電機(jī)局放定位方程組，通過(guò)求解方程組來(lái)找到局部放電點(diǎn)的位置；王遠(yuǎn)[5]以超聲波傳感器作為現(xiàn)場(chǎng)敏感元件，搭建了超聲檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)，通過(guò)實(shí)際開(kāi)展模擬故障測(cè)試證明了利用超聲波檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子繞組局放的可行性。

本文提出了一種基于光纖傳輸超聲測(cè)量的電機(jī)定子線棒局放離線檢測(cè)方法。試驗(yàn)時(shí)，在定子線棒上施加正常運(yùn)行電壓，通過(guò)逐槽掃描定子各線棒超聲波信號(hào)幅值的變化，對(duì)電機(jī)定子線棒的絕緣水平進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，通過(guò)本方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定子繞組局放故障的精準(zhǔn)定位，對(duì)于及時(shí)查明故障位置，縮短故障消缺時(shí)間具有重要意義。

1? ? 電機(jī)定子線棒的結(jié)構(gòu)和局放類(lèi)型

1.1? ? 電機(jī)定子線棒的結(jié)構(gòu)和絕緣設(shè)計(jì)

電機(jī)定子一般是由鐵芯、繞組和外部機(jī)座等三部分構(gòu)成。按照定子線棒形狀的不同，可將定子線棒分為槽內(nèi)直線段、端部曲線段以及電路連接頭三部分。每根定子線棒是由定子銅導(dǎo)線、環(huán)氧粉云母絕緣帶和端部階梯段防暈設(shè)計(jì)組成。定子繞組的兩端均向定子鐵芯外部?jī)A斜，角度在15°～30°。定子線棒內(nèi)部多由空心裸銅線和實(shí)心扁銅線組成，考慮到集膚效應(yīng)和環(huán)流損耗的影響，銅線在定子槽內(nèi)進(jìn)行540°換位并彼此絕緣。為改善感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，定子繞組較多采用三相雙層短節(jié)距結(jié)構(gòu)[6]，即YY結(jié)構(gòu)。電機(jī)定子線棒槽內(nèi)結(jié)構(gòu)情況如圖1所示。

定子線棒主絕緣制造工藝包括多膠模壓型和少膠浸漬型兩種。多膠模壓型技術(shù)較為成熟，制造工期短且簡(jiǎn)單，一般是使用膠含量為35%左右的云母帶在定子線棒上連續(xù)包繞，達(dá)到規(guī)定尺寸后，進(jìn)行干燥處理，最后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)熱模壓固化成型。少膠浸漬型是以環(huán)氧玻璃粉云母少膠帶進(jìn)行包繞，完成后在真空壓力下浸漬無(wú)溶劑環(huán)氧漆，保證線棒內(nèi)部無(wú)氣泡，整體的機(jī)械強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)能力及線棒質(zhì)量一致性均較好，但生產(chǎn)制造工期較長(zhǎng)，不利于快速批量化生產(chǎn)[7]。

1.2? ? 電機(jī)定子線棒的放電特征

在電機(jī)定子絕緣結(jié)構(gòu)中，多種不同材料共同構(gòu)成了定子線棒的絕緣系統(tǒng)。由于不同材料的介電特性不同，受不同位置電場(chǎng)強(qiáng)度變化影響，各個(gè)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)也不一樣[8]。當(dāng)絕緣材料中某個(gè)部位的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了材料本身的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部放電。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，定子內(nèi)最容易發(fā)生局放的位置是氣泡。因氣泡內(nèi)氣體的介電常數(shù)一般均小于絕緣材料的介電常數(shù)，受電場(chǎng)梯度分布影響，氣泡內(nèi)承受的場(chǎng)強(qiáng)更大，因此氣泡最容易出現(xiàn)放電。

根據(jù)位置的不同，定子線棒局放一般可分為內(nèi)部放電、端部放電、槽間放電和端部斷股放電四種。端部斷股放電本身是電弧放電，放電的現(xiàn)象比較強(qiáng)烈，因此不作為局放討論。下面針對(duì)定子線棒其他三種放電的機(jī)理進(jìn)行分析。

（1）內(nèi)部放電是指定子主絕緣內(nèi)部、絕緣和線棒導(dǎo)體之間、防暈層和絕緣之間等位置發(fā)生的放電現(xiàn)象。大容量汽輪發(fā)電機(jī)和高壓電動(dòng)機(jī)在制造廠一般均是絕緣帶層層疊繞而成，因此，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)極易在主絕緣內(nèi)部存在部分氣隙。除此之外，在發(fā)電機(jī)服役期間受機(jī)械力、溫度、冷熱循環(huán)等因素綜合影響，部分間隙可能在縱向得到擴(kuò)展，容易出現(xiàn)絕緣分層或脫殼現(xiàn)象。一旦發(fā)生內(nèi)部放電，局放帶來(lái)的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等會(huì)使絕緣材料的特性進(jìn)一步惡化，形成放電與劣化的循環(huán)，最終使得主絕緣發(fā)生擊穿。內(nèi)部放電出現(xiàn)時(shí)，絕緣介質(zhì)的內(nèi)部放電會(huì)隨著外施電壓幅值絕對(duì)值的增加而逐漸加重，因此其放電的主要特征是正負(fù)半周相位對(duì)稱(chēng)且脈沖幅值和次數(shù)也基本相同。

（2）端部放電是指在電機(jī)定子線棒驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端端部發(fā)生的放電現(xiàn)象。電機(jī)端部無(wú)定子槽楔進(jìn)行壓緊，僅靠端部墊塊、綁繩、拉緊環(huán)或錐環(huán)等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定。受定子端部電動(dòng)力、振動(dòng)、臟污、異物等多種因素影響，端部的半導(dǎo)體防暈層和線棒端部的主絕緣極易發(fā)生損壞，在運(yùn)行電壓下，電暈持續(xù)發(fā)展惡化，最終將導(dǎo)致線棒主絕緣損壞并發(fā)生單相接地或相間短路故障。現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，端部放電的嚴(yán)重與否多通過(guò)查看端部有無(wú)黃粉、白點(diǎn)等異常放電跡象進(jìn)行判斷。

（3）槽間放電是指定子線棒防暈層與鐵芯之間發(fā)生的放電現(xiàn)象。電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子線棒被槽楔、墊條和波紋板等組件牢固地固定在鐵芯槽內(nèi)，僅能沿電機(jī)軸向進(jìn)行伸縮。當(dāng)槽楔、墊條發(fā)生松動(dòng)后，定子線棒會(huì)隨著鐵芯振動(dòng)沿徑向發(fā)生位移，導(dǎo)致線棒外部防暈層發(fā)生破損，即線棒表面和鐵芯槽壁或槽底之間發(fā)生有害放電，由于懸浮電位的影響，槽間放電可能呈現(xiàn)很高的幅值。

2? ? 基于光纖傳輸超聲測(cè)量的電機(jī)定子線棒局放檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

絕緣材料內(nèi)部氣隙或材料擊穿時(shí)，擊穿電流將突然增大，受熱效應(yīng)影響，擊穿位置介質(zhì)的體積快速膨脹后又冷卻收縮，引起了介質(zhì)疏密的變化，就形成了聲波。由于局放的持續(xù)時(shí)間很短，所發(fā)射的聲波頻譜很寬，可達(dá)到數(shù)兆赫茲。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光纖技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在局放的超聲波檢測(cè)上，當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生局放時(shí)，使用光纖探頭在電機(jī)內(nèi)部采集超聲信號(hào)，從而避免超聲波信號(hào)由于傳播途徑復(fù)雜導(dǎo)致信號(hào)衰減嚴(yán)重的缺陷，大大提高了檢測(cè)靈敏度[9]。本文提出了一種基于光纖傳輸超聲測(cè)量的電機(jī)定子線棒局放離線檢測(cè)方法，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，柔性復(fù)合探頭將采集到的電機(jī)定子線棒超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸至測(cè)試主機(jī)。主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具備通過(guò)信號(hào)測(cè)量帶寬、設(shè)置觸發(fā)閾值、觸發(fā)方式變更等方式來(lái)降低外界干擾信號(hào)的能力。為及時(shí)查明局放缺陷類(lèi)型，主機(jī)具備Q-？準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)圖、N-？準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)圖、PRPD圖、PRPS圖、頻率相關(guān)圖、時(shí)頻圖等圖譜顯示功能。

絕緣桿采用可伸縮設(shè)計(jì)，最大長(zhǎng)度超過(guò)5 m，通過(guò)交替在汽勵(lì)兩側(cè)分別進(jìn)行測(cè)試，可滿足1 000 MW及以下大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒局放的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作；絕緣桿絕緣強(qiáng)度超過(guò)100 kV，可有效保證檢測(cè)人員測(cè)試時(shí)的安全。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試時(shí)，主要過(guò)程如下：

（1）查閱發(fā)電機(jī)圖紙并按照順序?qū)Χㄗ泳€棒進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)定子線棒的實(shí)際長(zhǎng)度，按照間隔0.3～0.5 m在定子槽內(nèi)直線段選取測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)位置應(yīng)盡量固定，便于后續(xù)比對(duì)分析測(cè)試結(jié)果。必要時(shí)，可記錄定子線棒直線段全長(zhǎng)的局部數(shù)據(jù)。

（2）利用串聯(lián)諧振設(shè)備將發(fā)電機(jī)A相電壓升高至額定相電壓，其余兩相繞組接地。

（3）按照?qǐng)D2所示完成設(shè)備接線和組裝工作。試驗(yàn)人員應(yīng)提前查看端部狀況，選取合適測(cè)量位置后，抬起延長(zhǎng)桿，將延長(zhǎng)桿頂端的傳感器放置在定子槽楔上方，逐槽進(jìn)行掃描并記錄測(cè)試點(diǎn)處的超聲波幅值，完成測(cè)量后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ?。必要時(shí)，對(duì)于幅值異常增長(zhǎng)點(diǎn)開(kāi)展復(fù)測(cè)。

（4）完成A相測(cè)量后，參照A相試驗(yàn)流程，對(duì)B、C兩相進(jìn)行測(cè)量。

3? ? 實(shí)際測(cè)試情況

為驗(yàn)證本方法用于定子線棒局放故障定位的準(zhǔn)確性，使用本裝置對(duì)定子線棒內(nèi)部放電、端部放電和槽間放電等不同放電類(lèi)型進(jìn)行了模擬故障波形采集與分析。為驗(yàn)證超聲傳感器檢測(cè)局放的可靠性，在每組試驗(yàn)中除測(cè)量故障點(diǎn)的超聲波形外，還分別采集了距故障點(diǎn)10、20、40 cm處相應(yīng)位置的超聲波形進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。以?xún)?nèi)部放電故障為例，故障點(diǎn)處和距故障點(diǎn)10、20、40 cm處的超聲檢測(cè)波形如圖3至圖6所示。

由表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)定子線棒發(fā)生放電時(shí)，在故障點(diǎn)附近超聲檢測(cè)波形的幅值有明顯增加，為背景值的50～200倍；當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離故障點(diǎn)時(shí)，超聲檢測(cè)波形的幅值迅速下降，當(dāng)距離故障點(diǎn)超過(guò)20 cm時(shí)，超聲波形的幅值下降至背景幅值，驗(yàn)證了采用超聲測(cè)量光纖傳輸巡檢的方法可及時(shí)發(fā)現(xiàn)定子線棒放電缺陷并準(zhǔn)確定位缺陷點(diǎn)的位置，定位精度極高。

4? ? 結(jié)論及建議

針對(duì)電機(jī)定子線棒局放的檢測(cè)定位技術(shù)，本文在充分分析定子線棒典型結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)局放發(fā)生位置的不同將電機(jī)定子線棒局放類(lèi)型分為3種類(lèi)型。同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和離線檢測(cè)存在的缺陷和不足，提出了基于超聲測(cè)量光纖傳輸?shù)碾姍C(jī)定子局放故障檢測(cè)和精準(zhǔn)定位方法，在此基礎(chǔ)上研制了相關(guān)設(shè)備，并經(jīng)實(shí)際定子線棒模擬故障測(cè)試驗(yàn)證了裝置具備局放缺陷檢測(cè)和精準(zhǔn)定位能力。在后續(xù)行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用時(shí)，建議開(kāi)展以下幾項(xiàng)工作：

（1）為保留定子線棒超聲檢測(cè)的初始數(shù)據(jù)，宜在電機(jī)第一次大修時(shí)進(jìn)行一次全面檢測(cè)并記錄每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的幅值，后續(xù)電機(jī)大修、懷疑存在絕緣缺陷、開(kāi)展老化狀況評(píng)估時(shí)，再次開(kāi)展超聲檢測(cè)并與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)絕緣狀態(tài)的定量比較和評(píng)估。

（2）定子繞組全部更換或部分更換后應(yīng)開(kāi)展本試驗(yàn)，作為初始數(shù)據(jù)留存。

（3）無(wú)初始數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)，可以在相同環(huán)境下，利用電機(jī)同個(gè)定子線棒不同部位的放電強(qiáng)度、不同定子線棒相同部位的放電強(qiáng)度、同個(gè)線棒相同部位不同測(cè)試時(shí)間的放電強(qiáng)度等進(jìn)行橫向或縱向比對(duì)，當(dāng)超聲波形幅值有明顯增加時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。

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收稿日期：2023-02-28

作者簡(jiǎn)介：楊玉磊（1990—），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備的試驗(yàn)檢測(cè)、故障診斷和技術(shù)監(jiān)督等工作。