水輪發(fā)電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的應用研究

摘" 要：該文主要探究局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件組成及其在某水輪發(fā)電機運行監(jiān)測中的應用。該系統(tǒng)利用前端的耦合傳感器采集局部放電信號，經(jīng)過信號調(diào)理單元的降噪、濾波等處理后發(fā)送到下位機進行分析，分析結果在上位機上直觀呈現(xiàn)，讓管理人員遠程監(jiān)控水輪發(fā)電機的運行。從應用效果來看，該系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)電機的最大放電幅值和標稱放電量存在異常，初步判斷存在局部放電。停機拆檢后發(fā)現(xiàn)250槽和251槽下層線棒的連接軟管存在絕緣磨損情況，更換后監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示最大放電幅值和標稱放電量回歸正常，問題得到解決。

關鍵詞：水輪發(fā)電機；局部放電監(jiān)測；耦合電容器；傳感器；應用

中圖分類號：TM312" " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編號：2095-2945（2024）32-0165-04

Abstract： This paper mainly explores the software and hardware components of the partial discharge monitoring system and its application in the operation monitoring of a hydro-generator. The system uses a front-end coupled sensor to collect partial discharge signals， which is processed by the signal conditioning unit for noise reduction and filtering and sent to the lower computer for analysis. The analysis results are visually presented on the upper computer， allowing managers to remotely monitor the operation of the hydro-generator. From the perspective of application effect， the system detected abnormalities in the maximum discharge amplitude and nominal discharge amount of the generator， and initially determined that there was partial discharge. After shutdown and inspection， it was found that the connecting hoses of the lower wire bars of grooves 250 and 251 were insulated and worn. After replacement， the monitoring data showed that the maximum discharge amplitude and nominal discharge volume returned to normal， and the problem was solved.

Keywords： hydrogenerator; partial discharge monitoring; coupling capacitor; sensor; application

水輪發(fā)電機作為水電站的關鍵設備，保證其健康和穩(wěn)定運行至關重要。局部放電是水輪發(fā)電機在運行一定年限后較為常見的故障，嚴重時可造成發(fā)電機停運。在傳統(tǒng)的人工定期檢修模式下，很難第一時間發(fā)現(xiàn)局部放電，使水輪發(fā)電機存在質(zhì)量隱患。融合了傳感器技術、大數(shù)據(jù)分析技術的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，可以實施采集發(fā)電機的放電信號，一旦出現(xiàn)局部放電可以在監(jiān)控室的主機上進行同步呈現(xiàn)，讓管理人員及時掌握局部放電的位置并展開維修，保證了水輪發(fā)電機的正常運行。

1" 水輪發(fā)電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的組成架構

1.1" 系統(tǒng)的硬件設備

適用于水輪發(fā)電機的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分包括耦合傳感器、采集卡、上位機和下位機等，硬件組成如圖1所示。發(fā)電機母線的A、B、C三相分別連接2臺傳感器，一臺獲取外界干擾信號，另一臺獲取放電脈沖信號，計算接收信號的時間差消除隨機脈沖干擾。利用信號調(diào)理模塊對前端傳感器采集信號進行濾波、降噪、放大等一系列處理后送入采集卡。在采集卡內(nèi)完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，在工控機（下位機）完成分析后上傳到監(jiān)控室（上位機）進行直觀顯示，方便操作員對水輪發(fā)電機的運行工況進行遠程監(jiān)視。上位機與下位機之間采用CAN總線通信模式。

水輪發(fā)電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)主要硬件的選型如下：

1）傳感器。采用電阻值為120 Ω的阻容式傳感器，內(nèi)置240 pF的高壓陶瓷耦合電容，用于采集電路中的高頻局部放電信號。三相母線的每一相均安裝2臺傳感器，一臺位于發(fā)電機風洞出線端，另一臺位于母線排上，2臺設備的直線距離在8～10 m。三相母線共計布置6臺傳感器。

2）采集單元。選用NI5112高速數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣頻率可達100 ms/s，除了采集來自調(diào)理電路的電壓信號外，還能利用內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

3）信號調(diào)理單元。由濾波電路、放大電路以及轉(zhuǎn)換開關組成，主要用于處理由傳感器采集并傳送的初始電壓信號。其中，高頻轉(zhuǎn)換開關的切換電流0.8 A，開關電壓33 V；高通濾波器的截止頻率為10 MHz，可濾除大部分低頻干擾[1]。

1.2" 系統(tǒng)的軟件程序

水輪發(fā)電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分使用圖形化編程語言LabView進行開發(fā)，主要包括控制硬件的驅(qū)動程序和進行數(shù)據(jù)分析的應用程序2部分。軟件程序支持以下功能：一是接收前端傳感器和采集卡提供的數(shù)據(jù)，并對其進行分類存儲；二是根據(jù)設備管理需要從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應數(shù)據(jù)并展開分析，分析結果以圖表形式在客戶端顯示；三是提供數(shù)據(jù)查詢與智能預警等功能。系統(tǒng)主程序運行流程如下，運行局部放電監(jiān)測系統(tǒng)后自動跳轉(zhuǎn)至登錄界面，驗證用戶輸入的賬號和密碼，確認正確后進入系統(tǒng)主界面。在主界面選擇“運行”選項，彈出對話框后輸入運行指令“ping202.117.30.33”，確定后系統(tǒng)主界面如果出現(xiàn)“timelt;10 ms”信息，說明上位機與下位機準備就位；如果出現(xiàn)“time out”信息，說明網(wǎng)絡連接未成功，需要手動檢查并解決網(wǎng)絡問題[2]。

局部放電監(jiān)測系統(tǒng)登錄成功并進入主界面后，自動運行下位機程序，以控制面板的形式呈現(xiàn)。頂部狀態(tài)欄顯示下位機運行時間，左側任務欄展示A相、B相、C相3個采集相序，底部的“start/stop”可以在接收數(shù)據(jù)和終止接收2種狀態(tài)下切換。上位機程序支持手動設置采集參數(shù)，并結合顯示器展示水輪發(fā)電機的三維圖、N-q圖以及Qm值等。在上位機的程序主界面，除了提供局部放電的實時信息外，還支持儀器狀態(tài)設置、數(shù)據(jù)分析等多種功能，選擇相應的按鈕即可進行操作。

2" 水輪發(fā)電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的應用

為驗證該系統(tǒng)在局部放電監(jiān)測中的應用效果，選取某水電站的B500TF179型水輪發(fā)電機作為試驗對象，將傳感器布置在發(fā)電機高壓出線端用于采集放電信號。使用數(shù)字濾波器濾除低頻分量和背景噪聲，保證局部放電監(jiān)測結果的精確性。該系統(tǒng)在正式投入應用前進行了耦合電容器試驗，判斷耦合電容器本身有無局部放電情況，以及系統(tǒng)的靈敏度是否符合要求。

2.1" 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的性能試驗

2.1.1" 局部放電試驗

耦合電容器是局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的核心設備之一，由于耦合電容器在正常運行時也會存在局部放電情況，如果局部放電量太大會對最終的監(jiān)測結果產(chǎn)生干擾。在耦合電容器的局部放電試驗中，將電壓設定為13.5 kV（額定電壓），測量此時局部放電的起始電壓與局部放電量。試驗裝置的組成如圖2所示。

該試驗中使用了自動化和檢測精度較高的TE571數(shù)字式局部放電檢測儀，并參照GB/T 7354—2003《局部放電測量》（以下簡稱《標準》）進行測量，為了消除誤差影響進行了6次重復試驗，試驗結果見表1。

由上表數(shù)據(jù)可知，耦合電容器在額定電壓下的局部放電初始電壓在27.9～34.8 kV之間。按照《標準》中“被測試品的局部放電起始電壓在2倍額定電壓以上”的標準，本次試驗中局部放電初始電壓均高于27.0 kV，因此在額定電壓下耦合電容器的局部放電量可以忽略，不會對水輪發(fā)電機局部放電監(jiān)測結果產(chǎn)生干擾[3]。

2.1.2" 監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度試驗

為了測試該系統(tǒng)在局部放電監(jiān)測中的靈敏度，設計如下試驗：根據(jù)水輪發(fā)電機的結構與參數(shù)設計了發(fā)電機的內(nèi)部放電模型，結構組成如圖3所示，使用該模型探究水輪發(fā)電機出現(xiàn)局部放電時放電電流的幅值與波形。

局部放電監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示，圖中Ck表示高壓陶瓷耦合電容，電容值為180 pF；Zm表示檢測阻抗，阻值為120 Ω；C表示同軸電纜，阻抗為60 Ω。同時，為了保證寬帶示波器能夠穩(wěn)定觸發(fā)，在電路中加入了一個工頻濾波器（P）。耦合電容與工頻濾波器之間的接線長度控制在1 m以內(nèi)，最大程度上減少高頻分量的衰減，對提高局部放電監(jiān)測結果的精度有一定幫助。整套試驗裝置放在一個由金屬板焊接而成的全屏蔽室內(nèi)，消除外界干擾[4]。

試驗結果表明，該模型內(nèi)部放電產(chǎn)生了若干個上升時間為ns（納秒）級的脈沖電流，頻率分量在20～50 MHz之間，并且正負極放電基本對稱，實測放電量為103 pC（皮庫）。由此可得，本文使用的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)頻帶上線為100 MHz，靈敏度可選最小測量放電量為103 pC，靈敏度較高。

2.2" 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的應用實例

2.2.1" 監(jiān)測系統(tǒng)趨勢分析

將局部放電監(jiān)測系統(tǒng)應用于某水電站的水輪發(fā)電機，于2023年4月1日投入使用，首日監(jiān)測到A、B、C三相的最大放電幅值分別為18.4、17.8、19.1 mV，NQN（標稱放電量）值為53 mV。從4月3日以后監(jiān)測數(shù)據(jù)有增加趨勢，在4月7日最后一次監(jiān)測中最大放電幅值達到了30 mV以上，NQN值升高至2 500 mV以上，說明水輪發(fā)電機存在局部放電情況。

2.2.2" 現(xiàn)場缺陷分析

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測初步分析水輪發(fā)電機存在較為嚴重的局部放電故障，于是安排維修人員在4月12日對水輪發(fā)電機進行了拆機檢修，發(fā)現(xiàn)連接250槽和251槽下層線棒的金屬管出現(xiàn)了絕緣損壞，是造成本次局部放電的主要原因。經(jīng)過現(xiàn)場檢查確定故障位置和故障成因后，于4月15日對該機組進行了停機維修。拆除250槽和251槽的下層線棒后，觀察發(fā)現(xiàn)線棒背面以及端部的絕緣層均出現(xiàn)了不同程度的磨損，最大磨痕深度達到了3 mm；磨痕周圍有放電灼燒造成的黑色痕跡[5]。選擇2根相同型號的全新線棒重新安裝到250槽和251槽，重裝后讓水輪發(fā)電機正常運行。

2.2.3" 處理后局部放電情況

水輪發(fā)電機在4月17日投入運行，穩(wěn)定運行3 d后使用局部放電監(jiān)測系統(tǒng)對發(fā)電機運行情況進行動態(tài)監(jiān)測，分別在4月20日、22日、24日和26日采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并展開分析。對比處理前后局部放電情況，結果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，在故障維修后水輪發(fā)電機A、B、C三相的Qm值穩(wěn)定在18 mV左右，NQN穩(wěn)定在50～60 mV之間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，局部放電問題得到解決。

3" 結束語

水電站在信息時代引進和使用局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集水輪發(fā)電機運行期間的放電信號并展開分析，一旦發(fā)生局部放電情況，該系統(tǒng)可以及時檢出并進行提示，方便管理人員發(fā)現(xiàn)問題并進行維修。局部放電監(jiān)測系統(tǒng)具有響應速度快、監(jiān)測結果準確、監(jiān)測結果直觀呈現(xiàn)等優(yōu)勢，在水電站的水輪發(fā)電機運行管理中發(fā)揮了重要作用。

參考文獻：

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