水輪發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘" 要：該文主要探究局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件組成及其在某水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)利用前端的耦合傳感器采集局部放電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元的降噪、濾波等處理后發(fā)送到下位機(jī)進(jìn)行分析，分析結(jié)果在上位機(jī)上直觀呈現(xiàn)，讓管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。從應(yīng)用效果來(lái)看，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)的最大放電幅值和標(biāo)稱(chēng)放電量存在異常，初步判斷存在局部放電。停機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)顯示最大放電幅值和標(biāo)稱(chēng)放電量回歸正常，問(wèn)題得到解決。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；局部放電監(jiān)測(cè)；耦合電容器；傳感器；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TM312" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " "文章編號(hào)：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(jī)作為水電站的關(guān)鍵設(shè)備，保證其健康和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。局部放電是水輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行一定年限后較為常見(jiàn)的故障，嚴(yán)重時(shí)可造成發(fā)電機(jī)停運(yùn)。在傳統(tǒng)的人工定期檢修模式下，很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)局部放電，使水輪發(fā)電機(jī)存在質(zhì)量隱患。融合了傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)施采集發(fā)電機(jī)的放電信號(hào)，一旦出現(xiàn)局部放電可以在監(jiān)控室的主機(jī)上進(jìn)行同步呈現(xiàn)，讓管理人員及時(shí)掌握局部放電的位置并展開(kāi)維修，保證了水輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

1" 水輪發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成架構(gòu)

1.1" 系統(tǒng)的硬件設(shè)備

適用于水輪發(fā)電機(jī)的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分包括耦合傳感器、采集卡、上位機(jī)和下位機(jī)等，硬件組成如圖1所示。發(fā)電機(jī)母線的A、B、C三相分別連接2臺(tái)傳感器，一臺(tái)獲取外界干擾信號(hào)，另一臺(tái)獲取放電脈沖信號(hào)，計(jì)算接收信號(hào)的時(shí)間差消除隨機(jī)脈沖干擾。利用信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)前端傳感器采集信號(hào)進(jìn)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(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在工控機(jī)（下位機(jī)）完成分析后上傳到監(jiān)控室（上位機(jī)）進(jìn)行直觀顯示，方便操作員對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用CAN總線通信模式。

水輪發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)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(hào)。三相母線的每一相均安裝2臺(tái)傳感器，一臺(tái)位于發(fā)電機(jī)風(fēng)洞出線端，另一臺(tái)位于母線排上，2臺(tái)設(shè)備的直線距離在8～10 m。三相母線共計(jì)布置6臺(tái)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(dá)100 ms/s，除了采集來(lái)自調(diào)理電路的電壓信號(hào)外，還能利用內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3）信號(hào)調(diào)理單元。由濾波電路、放大電路以及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成，主要用于處理由傳感器采集并傳送的初始電壓信號(hào)。其中，高頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的切換電流0.8 A，開(kāi)關(guān)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(jī)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分使用圖形化編程語(yǔ)言LabView進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要包括控制硬件的驅(qū)動(dòng)程序和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的應(yīng)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(duì)其進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)；二是根據(jù)設(shè)備管理需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)并展開(kāi)分析，分析結(jié)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(yù)警等功能。系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程如下，運(yùn)行局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至登錄界面，驗(yàn)證用戶輸入的賬號(hào)和密碼，確認(rèn)正確后進(jìn)入系統(tǒng)主界面。在主界面選擇“運(yùn)行”選項(xiàng)，彈出對(duì)話框后輸入運(yùn)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(shuō)明上位機(jī)與下位機(jī)準(zhǔn)備就位；如果出現(xiàn)“time out”信息，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)連接未成功，需要手動(dòng)檢查并解決網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題[2]。

局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)登錄成功并進(jìn)入主界面后，自動(dòng)運(yùn)行下位機(jī)程序，以控制面板的形式呈現(xiàn)。頂部狀態(tài)欄顯示下位機(jī)運(yùn)行時(shí)間，左側(cè)任務(wù)欄展示A相、B相、C相3個(gè)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(jī)程序支持手動(dòng)設(shè)置采集參數(shù)，并結(jié)合顯示器展示水輪發(fā)電機(jī)的三維圖、N-q圖以及Qm值等。在上位機(jī)的程序主界面，除了提供局部放電的實(shí)時(shí)信息外，還支持儀器狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析等多種功能，選擇相應(yīng)的按鈕即可進(jìn)行操作。

2" 水輪發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

為驗(yàn)證該系統(tǒng)在局部放電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果，選取某水電站的B500TF179型水輪發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，將傳感器布置在發(fā)電機(jī)高壓出線端用于采集放電信號(hào)。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(cè)結(jié)果的精確性。該系統(tǒng)在正式投入應(yīng)用前進(jìn)行了耦合電容器試驗(yàn)，判斷耦合電容器本身有無(wú)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(cè)系統(tǒng)的性能試驗(yàn)

2.1.1" 局部放電試驗(yàn)

耦合電容器是局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，由于耦合電容器在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)存在局部放電情況，如果局部放電量太大會(huì)對(duì)最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。在耦合電容器的局部放電試驗(yàn)中，將電壓設(shè)定為13.5 kV（額定電壓），測(cè)量此時(shí)局部放電的起始電壓與局部放電量。試驗(yàn)裝置的組成如圖2所示。

該試驗(yàn)中使用了自動(dòng)化和檢測(cè)精度較高的TE571數(shù)字式局部放電檢測(cè)儀，并參照GB/T 7354—2003《局部放電測(cè)量》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》）進(jìn)行測(cè)量，為了消除誤差影響進(jìn)行了6次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)》中“被測(cè)試品的局部放電起始電壓在2倍額定電壓以上”的標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)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(huì)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)局部放電監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾[3]。

2.1.2" 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度試驗(yàn)

為了測(cè)試該系統(tǒng)在局部放電監(jiān)測(cè)中的靈敏度，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)的內(nèi)部放電模型，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，使用該模型探究水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)局部放電時(shí)放電電流的幅值與波形。

局部放電監(jiān)測(cè)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(cè)阻抗，阻值為120 Ω；C表示同軸電纜，阻抗為60 Ω。同時(shí)，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(gè)工頻濾波器（P）。耦合電容與工頻濾波器之間的接線長(zhǎng)度控制在1 m以內(nèi)，最大程度上減少高頻分量的衰減，對(duì)提高局部放電監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度有一定幫助。整套試驗(yàn)裝置放在一個(gè)由金屬板焊接而成的全屏蔽室內(nèi)，消除外界干擾[4]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型內(nèi)部放電產(chǎn)生了若干個(gè)上升時(shí)間為ns（納秒）級(jí)的脈沖電流，頻率分量在20～50 MHz之間，并且正負(fù)極放電基本對(duì)稱(chēng)，實(shí)測(cè)放電量為103 pC（皮庫(kù)）。由此可得，本文使用的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻帶上線為100 MHz，靈敏度可選最小測(cè)量放電量為103 pC，靈敏度較高。

2.2" 局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

2.2.1" 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)趨勢(shì)分析

將局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于某水電站的水輪發(fā)電機(jī)，于2023年4月1日投入使用，首日監(jiān)測(cè)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(biāo)稱(chēng)放電量）值為53 mV。從4月3日以后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有增加趨勢(shì)，在4月7日最后一次監(jiān)測(cè)中最大放電幅值達(dá)到了30 mV以上，NQN值升高至2 500 mV以上，說(shuō)明水輪發(fā)電機(jī)存在局部放電情況。

2.2.2" 現(xiàn)場(chǎng)缺陷分析

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)初步分析水輪發(fā)電機(jī)存在較為嚴(yán)重的局部放電故障，于是安排維修人員在4月12日對(duì)水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了拆機(jī)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查確定故障位置和故障成因后，于4月15日對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了停機(jī)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(dá)到了3 mm；磨痕周?chē)蟹烹娮茻斐傻暮谏圹E[5]。選擇2根相同型號(hào)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(jī)正常運(yùn)行。

2.2.3" 處理后局部放電情況

水輪發(fā)電機(jī)在4月17日投入運(yùn)行，穩(wěn)定運(yùn)行3 d后使用局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分別在4月20日、22日、24日和26日采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并展開(kāi)分析。對(duì)比處理前后局部放電情況，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，在故障維修后水輪發(fā)電機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定，局部放電問(wèn)題得到解決。

3" 結(jié)束語(yǔ)

水電站在信息時(shí)代引進(jìn)和使用局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間的放電信號(hào)并展開(kāi)分析，一旦發(fā)生局部放電情況，該系統(tǒng)可以及時(shí)檢出并進(jìn)行提示，方便管理人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行維修。局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、監(jiān)測(cè)結(jié)果直觀呈現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，在水電站的水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行管理中發(fā)揮了重要作用。

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