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大型旋转电机局部放电检测和定位的新方法

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《东方电机))2008年第1期 65 大型旋转电机局部放电检测 和定位的新方法 皮如贵孙捷编译 摘要论文叙述了局部放电检测和定位的新方法在大型旋转电机上的应用。 此方法应用了一种称为“内部测量”的技术,即有n个线圈的定子绕组,装上n+ 1个感应传感器,每只定子线圈位于两个传感器之问。该方法着眼于单个定子 线圈。使用这种新方法可以减少发电机局部测试时常遇到的很多困难,例如,定 子绕组中信号的衰减和扭曲、噪声的弱化和校准精度等。该项技术使用了一种 特殊的方法来处理感应信号,这使得我们可以分别测量出每只线圈的局放值。 另外,可以确定产生局放的定子线圈。阐述和讨论了水轮发电机和汽轮发电机 中的测量结果。 关键词旋转电机绕组局部放电 绝缘诊断 1 引 言 线部位的过程中时,会产生信号扭曲和衰 减;第二,需要从现场的噪声信号中分离出 高压设备的局部放电(以下简称局 局放信号;第三,校准的精确度问题,在局 放)是其介电性能缺陷的信号,而且还会 放测试过程中需要把被测设备看作集总电 进一步造成绝缘系统的恶化。这将会导致 容,这样才能符合ASTM D1868和 高压设备最后击穿。局放测试方法作为一 IEC60270中的校准,然而定子线圈并不符 项有用的工具已经使用了多年,它可以监 合这种情况。 控高压设备在正常运行时的绝缘状况,或 者在新设备的性能测试时检测绝缘是否存 2 局部放电在线测试方法 在缺陷。局放测试是大型电机中最常用的 测试方法之一。尽管大型电机中的绝缘材 局部放电测量方法有两种方式,一是 料具有良好的耐局部放电性能,但当绝缘 为非在线测量法,即使用外部高压源施加 暴露于强烈放电环境下时,绝缘体系会很 高压于设备上进行测量。其次为在线测量 快被破坏。例如,当一个槽中的线棒出现 法,即设备在运行过程中直接测量。在线 松动时,它将会在电和机械外力的作用下 测量可以提供设备在运行状态下绝缘破坏 产生振动。很不幸的是大型电机常规的局 过程的信息,而常规的非在线测量则不能。 放测量方法有以下三个主要缺点:第一,局 当在线局放测量应用于旋转电机时,局放 放信号传送到连接着局放耦合器的绕组出 信号将会受到外部和内部的噪声源的强烈 来稿时间:2007年11月 干扰,这主要包括电网传输、转子励磁系 统、线圈绕组间及附属设备的运行而产生 的噪声。在线局放测量可以周期性地测 量,例如每两年或不间断的测量。因为可 以在绝缘破坏发生前良好的状态下监控绝 缘缺陷,所以连续在线测量是一种很有用 的方法。而且,局放作用也可以随时跟踪, 这对评估绝缘状况和估计可能的绝缘剩余 寿命显得非常有用。 2.1 有效的技术 目前,对于大型旋转发电机单只线棒 或者整个定子绕组,有很多不同的局放测 试方法可以应用。它们中绝大多数使用的 是局部放电产生的电信号,可以与局部放 电产生的声波信号和化学信号进行比较。 电信号由感性、容性传感器或射频(RE)传 感器检测。感应传感器,也称为电流变压 器(CTs)或者Rogowski线圈。CTs已经有 应用实例,它在引线上安装电阻测温元件, 安装位置位于发电机中性点与接地变压器 间或滤波电容接地端之间。 目前应用于旋转电机的局部放电测试 技术被称为局放分析技术(PDA一技术)。 局放信号被一对电容分离出来,它们连接 到各相并联绕组的引线头上。应用该方法 可以使电路平衡,这样可以降低来自于电 网噪声的干扰效果,而并联绕组内部的信 号源就形成了测量电路输出的电压脉冲。 各个时间段不同的放大器所产生的电压脉 冲可以精确记录并在坐标系下标出。这样 我们就可以和以前的测试结果进行比较。 另外一种在线测量局放值的方法是使 用定子槽部耦合器(SSCs),以及装在定子 槽楔下的宽带(30~1000kHz)定向电磁耦 合器。 2.2 局部放电测试新方法——“内测法” 在“内测法”中,局放信号由安装在定 子绕组的感应传感器分离出来,在有n个 《东方电机>>zoos年第1期 定子线圈的定子绕组内部安装了13_+1个 感应传感器,位置在上层线棒处,这里的电 势为0,如图1a和1b所示。每只定子线 圈定位于两个传感器之间,局放测试可以 分别对每个定子线棒进行测试。利用这种 方法可以辨识出有局部放电的定子线圈, 而且还可以运用这种新技术减少噪声并把 局放值从干扰噪声信号中分离出来。该测 量由电脑控制,并且在绝缘状况监控期间 将所测的单个线圈的局放值以文档形式存 储下来,并可用于未来的数据比较 (b) 图1 安装在上层线棒上的感应传感器 (a)水轮发电机IOMVA,11kV (b)汽轮发电机 3 感应传感器 我们开发出了用于常规旋转电机的新 型感应传感器,本文称作Rogowski线圈 (RC),见图2a和2b。该传感器主要包括 缠绕在非磁性材料芯上的感应线圈,该芯 子通常采用弹性材料。当进行在线测量 《东方电机))2008年第1期 时,由于工频电流通过定子线棒,而非磁性 的芯子并未达到电磁饱和。而且,结构费 用也很低的。感应器大约2—3mm厚,30 —67 室进行试验的结果进行说明。试样为一个 1945年产的小型水轮发电机(250kVA, 380V,3相和50Hz),见图3a。我们在水轮 40mm宽,其长度取决于感应器安装的 发电机定子绕组的u相 4线圈,命名为 U4,安装两个感应传感器,见图3b。在示 意图4中显示了两种不同的情况: 定子线棒的尺寸。匝数取决于要求的自 感。为了防止电磁场的干扰,感应器用一 个金属箔片包裹并用屏蔽电缆连接,且通 常接地。为了避免一般形式的噪声干扰, 感应器使用双重屏蔽电缆连接,且信号输 出线由两根导线捻成。另外一个措施是在 感应信号被放大前,在前置放大器输入端 使用一个铁氧体环减少一般形式的噪声于 扰。所有用于该感应传感器结构中的材料 都需要在传感器安装的电机环境下进行性 能测试。 f幽 感应线圈 金属屏 fbj 图2适用于水轮发电机和 汽轮发电机的感应元件 (a)图片 (b)原理图 4 测试原理 为了阐明'?贝0试原理,使用一个在试验 (1)来自于外部试样(U4)的噪声源、 PD或干扰源。 (2)PD源来自U4内部。 m{ 图3试验装置 (a)试验中的水轮发电机 (b) 4线圈安装两个感应线圈 在试验室中,我们用校准设备分别对 除U4以外的和对u4本身的定子线圈施 加脉冲来模拟上述提到的情况,分别见图 4a和4b。另外使用校准设备,我们也可以 利用方波发生器产生的幅值为50~100V 的二次脉冲通过一系列10—100pF的电容 器来进行试验。在下文中,我们将对这两 68 种情况分别进行观察。 4.1 噪声源在试样外部 这种情况如图4a所示,u4安装两个 《东方电机))2008年第1期 感应传感器。噪声源产生的电流i 和i 以 相同的方向通过两个感应传感器并取决于 试样的阻抗产生了几乎相等的幅值。结果 由两个感应传感器产生的信号(电压)U 和u,几乎是相等的,如图5a所示。方程 (1)和(2)描述了这两个电压值。 一^)营一瞢Iv 基!s PD, 《矗) 图4试验中的定子线圈示意图 (U4安装两个感应传感器) (a)位于u4以外一个噪声脉冲源 (b)U4产生的局部放电源 tl (t)=Kd i1(t)/d t (1) u2(t):Kd i2(t)/d t (2) 上式中K为传感器和定子线圈之间 电磁耦合系数。 等式(1)和(2)的相加相减可以得到 以下的方程: uI(t)一u2(t)=Kd i1(t)/d t—Kd i2(t)/ dt (3) "lime‘I‘I) (b) Time(|‘1) (c) -ifr 0坤) (d) 图5 测试原理测试结果说明 (a)传感器信号 (b)减少和增加信号实例 (c)传感器信号 ’ (d)减少和增加信号实例 《东方电机>>2008年第1期 lE】(t)+u2(t)=Kd i1(t)/d t+Kd i2(t)/ dt 可以得出: I ul—u2 I《I u1+U2 l (5) 69 4.3实际说明 (4) 实际测试中,我们使用一种微分放大 器(比较器)来比较在封闭系统中产生的 图5显示了以上的相加和相减信号, 且校准过的加减脉冲信号。在图4的情况 (a)中,放大器输出一个方向向下的负信 峰值对峰值的加减信号的比率被命名 号;相反在情况(b)中产生一个方向向上 为选择因素,描述如下式: SR:I Ul—u2 I/l U1+u2 I (6) 对于图4a中显示的情况,根据方程 (6)可以得出方程(7),这说明此时噪声脉 冲的选择比率(SR)远小于1。 SR噪声《l (7) 对于小电容的接地试样,例如电缆接 头,情况如下所示: i1≈i2_ l≈“2=ILl “1一U2≈O “1+U2≈2u SR噪声《0 4.2 PD源在试样内部 见图4b,噪声源产生的电流i 和i:以 相反的方向通过两个感应传感器,因此诱 导出极性相反的诱导电压1.1,和U ,如图5c 所示。图5d显示了相加相减的信号,可以 看到下式: I u1一U2 I》l u1+U2 I (1 1) 根据如上情况方程(6)可以得到以下 结果,说明此时的PD脉冲的sR噪声值是远 大于1,即: SR噪声》1 (12) 当试样(U4)两边的阻抗值相同时,会 发生特殊情况,此时: il≈一i2 u1 一u2=u (13) u1一u2 2u (14) u1+u2 0 (15) SRPD:∞ (16) 由方程(7)和(12)比较,这是一种把 PD脉冲信号从噪声信号中分离出来的特 殊方法,它将应用于我们的新技术当中。 的正脉冲。此时,噪声源和局放源同时通 过试样产生脉冲值,图6a和6b显示了微 分放大器的输出脉冲的图像。噪声源由一 个快速上升的方波发生器产生,它与一串 联的电容相连且信号由一个校准设备产生 局放脉冲。在图像(a)(b)中的上方是局 放脉冲信号,而下方对应的是噪声脉冲。一宅 ld£《一 I6Is  图(a)(b)的图像是相同的,但图(b)中的 噪声脉冲重复率更高。 O 20.0∞lfO l∞ L柏坳瑚 Relative Time(ms} 图6局部放电和噪声脉冲在比较仪 (不同放大器)上的形式 (a)光噪声(b)重噪声 由于定子线圈的电容接地(见图7), 通过定子绕组的电流和电压脉冲通常会衰 减和扭曲。脉冲的高频谐波通常比低频谐 波衰减得更快,这将不仅导致脉冲幅值的 衰减,甚至会造成扭曲。实际上,当使用本 文的新技术,通过把定子绕组分成小段比 如说单只线圈或包括两三只线圈的定子线 圈组,可以很好地解决上述问题。每段装 备两个感应传感器。每段的接地电容越 小,选择比率(SR)越好,当传感器信号微 70 《东方电机}2oo8年第1期 分后残留噪声信号的水平越小。 的幅值可以测出。线圈的放电量得到 当大的定子线圈或者线圈组使用大电 下式: 容接地工作时,在测量过程中使用低频带 Q:AVC 可以提高传感器的信号,同时感应传感器 上式中Q、AV、C的单位分别是库仑、 的灵敏度也会降低。 伏特和法拉。通过改变AV的值,重复测 量可以得到信号幅值和放电量Q的关系 坐标图。 6现场测量试验结果 6.1 非在线测量 测试试样为一个水轮发电机(1973年 制造,80MVA,15k ̄),定子绕组V相临时 安装6个感应传感器,如图8所示。可以 看到,除了传感器4和5之间有两个定子 图7通过定子线圈注入二次方波进行板核 线圈,仅有1匝线圈位于每两个邻近的感 (绕组电容用C1和C2表示) 应传感器之间。在对定子绕组施加不同电 压时邻近传感器采集和记录产生的加减信 号。在感应器对(RC1,RC2)和(RC3, RC4)上分别施加5V、7.5V和9V的电压 进行对比,对比结果如图9和1O所示。感 应器分别对应覆盖槽号为28和24的上层 线棒。从图9可以看到,所有情况(a)一 (c)的选择比率都是小于1的,即SR<1。 此时测试信号肯定来自于由感应器对 (RC1,RC2)覆盖的定子线圈的外部信号 源,比如噪声源。同理,图 中测试信号 图8水轮发电机(80MVA,15kV) 肯定来自于由感应器对(RC3,RC4)覆盖 上层定子线棒上安装6个感应线圈 的定子线圈的外部信号源,而且SR<1。 (定子由内部本身供电) 相反,图(b)和(c)表示施加7.5V和9V 电压信号时来自于定子绕组内部的PD 5 校准 源,其SR>1。另外结果还显示,测试信 号的幅值随着施加电压的增加而增加。 为了校准测试系统,测量时使用铜箔 或铝泊包住所测的定子线圈。用一个电容 测试仪测量金属箔和线圈导体之间的电容 C。施加准确定义的幅值为AV的二次方 波于测试线圈上。根据如上所述,信号差 《东方电机}2008年第1期 ^^} 誊E《 O皇 7l 一 鲁暑置导 O.’ 0 ’ £。 ; 。j ”一…一…一…j ・ -0.2 乏 ・” 。 ;j .t0 10 3。5O 70 90 me( 8J {v3+v4).5 kV{ 葛…一 T nen‘9) m(㈣ ta) (a) 一 v一+一 一—— }一一一一 j o 十 (vt・v2) 艏 c "。“{ o.1 静一……~ O 。l l j 嗣f4{ O 30 50 7o O.2 T ne{ O 30 。 一 50 : ∞ 娃 。Tlm0( ) ev3+v钟.7 5w O々÷— —一 +一 一 }t  v… kVj :. 0 0. O .1 me“埒) _o卫 -’O 1O ∞ r 0 T;f憎 (b) fv3 v4)9 k 0.2 V 包1 O 一一 00 -0.1 , -0.2 ∞ 90 0 11fne“ &j 0.2  0.T 0 一一 -0.1 ・0 ; to ’o ∞ ∞ lme{潍 图l0使用一对传感器(RC1,RC2) ’O ∞ ∞ 70 瓣 Tlmef 施加不同电压的加减信号 (a)5kV (b)7.5 kV (c)9 kV 图9使用一对传感器(RC1,RC2) 6.2 在线测量 施加不同电压的加减信号 (a)5kV (b)7.5 kV (c)9 kV 6.2.1水轮发电机 用试验来评估已插入转子的水轮发电 机上安装感应传感器相当困难,同时当发 电机在运行时传感器的功能及电机负载将 ^}窘0 72 《东方电机))2008年第1期 影响被测信号,本篇论文的结果部分对感 应信号的相位移和其对相关的正负信号产 生的负面效应分别进行了阐述和讨论。 同以前试验一样,四个感应传感器被 临时安装在水轮发电机(产于1973, Ll/ \/^\,\一 =(v∞ V V 一 一 一 100MVA,18kV)四只定子绕组上层线棒 ~£  上,槽号分别是268,269,270和253号,见 图11和l2。感应传感器编号由RC1到 RC4。这样,仅有1只线圈位于每两个邻 近的感应传感器之间,除了传感器3和4 之间有4只定子线圈。试验测试时电机运 行在额定电压下,发电量为76MVA(76%) 测得的传感器信号见图l3,减信号和加信 号见图l4。当感应传感器之间加载超过1 只定子线圈或本身为大电容的接地线圈在 相位移问题上表现得更加明显。此结果将 在下文中进一步讨论。 图11 四个传感器临时安装在一个 水轮发电机绕组上(100MVA,18kV) 图l2 图11传感器安装位置示意图 £ 《 C ∞ O l 2 3 4 5 6 7 8 9 lo Time(1as) 图l3 机组负荷为76MVA(76%)时, 相对于RC1一RC4的检测信号 在图13a到13d中,信号的幅值产生 衰减。相邻传感器的信号之间也有相位移 产生,这由安装的传感器引起。由于 (RC3,RC4)传感器对加载四只线圈,因而 具有更大的接地电容,因此相位移效应更 大。所以,在图14中,(a)和(b)与(c)和 (d)产生信号的选择比率(SR)小于1,且 可以象噪音信号一样辨别出来。然而,对 于信号(e)(f),sR值几乎等于1,即加信 号和减信号值几乎相等。这时在比较器的 输出端既没有正脉冲也没有负脉冲出现, 这在3.3部分阐述过。这意味着通过传感 器的脉冲不能被检测和辨别。 6.2.2汽轮发电机 汽轮发电机试样线圈(450MVA,21kV)按 图lb—样装备感应传感器。在图15和16中 比皎了V相的 2和 6线棒的测试结果。V2 和V6分别代表 2和善6线圈。 《东方电机))2008年第1期 73 (3)前半周期比后半周期具有更大的 j 帅 Jf) 、 ’ ’ 图14 a和b;c和d;e和f分别相对于传 感器(RC1,RC2)、(RC2,RC3)、(RC3, RC4) ̄,I信号加减后产生的信号 在图(a)和(b)表示感应器的信号, (c)表示由产生感应器信号的比较器输出 端产生的脉冲图像。图像的上部正幅值脉 冲代表各定子线圈产生的局放活动信号, 而下面的部分则代表噪声信号。从(c)中 分别提取的局放信号和噪声信号并以 50Hz的周期形式体现分别见图(d),(e) 和(f)。 结果的特征为: (I)大约产生10ms的时间差或在(d) 中局放图像产生半个工频周期差。 (2)正半周期和负半周期产生的局放 图像基本相似。 幅值。 僻J峥 抖 忡.卜 =厂… 一…一。{HI蛳叫叫ll斗H ¨H卅 -一] t嚣 =抑 == =====价 I= === 二_f==I_1lr ・^==== == 『 ——一一——…~——一=r一一一一一—1 : jl LII i Jl【。l j1.JI = k咖Ill~一…._一…J  、 图l5汽轮发电机(450MVA,21kV) 2定 子线圈在V相(V2)的测试结果 (a),(b)传感器信号(c)局部放电和噪 声在示波器上的输出形式 (d),(e)从c 中分离出来的局部放电和噪声信号形式 (f)50Hz正弦波 二 H Hl}刊 == ===========— 二 ¨ lHH忡 .=#兰,■T———=—====:==========—————————————————————————————————= ———] 耋三{: rrr1II呵 nT11,- l 萎毒差m葫:S一瑚[{1】 . .一_二二二 .. . . .]1I : 町 rT|一丫 .:】熊———J .÷ 图l6汽轮发电机(450MVA。21kV) 6定 子线圈在V相(v6)的测试结果 (a),(b)传感器信号;(c)局部放电和噪声 在示渡器上的输出形式;(d)和(e)从(c) 中分离出来的局部放电和噪声信号形式; (f)50H ̄正弦波。 (4)图15d中的V2局放活动信号水 74 平明显比图16d中V6更强。 《东方电机))2008年第1期 的上层线圈不十分洁净或空间位置不足, 由于这些原因,安装传感器需要更多的时 间。所以传感器的设计必须适合于定子线 7测试体系 新技术的实际应用使用在线局放监测 系统如图l7所示。该系统包括: (1)安装在定子上层线棒上的感应局 放传感器。 (2)一个由计算机系统控制的开关装 置(多路传输器),在各个传感器连接处之 间进行切换。 (3)前置放大过滤器。 (4)处理信号单元,由它从干扰信号 中分离出局放信号。 (5)由电脑控制的数字转换设备,数 字信号处理软件。 (6)移动通讯设备。 由感应传感器分离的信号先传递给多 路传输器,然后将传输器输出端输出的选 择信号放大,并按照序3.1到3.3所述的 原理进行处理。获得的局放和噪声信号被 数字化后输人计算机中,从而防止试验时 外部干扰信号源来的随机干扰信号直接耦 合到线圈。所提取的局放信号值时实显示 在检测器上。该方法可以分别对每只线圈 以短期记录和长期记录的形式进行记录, 长期记录为将来绝缘状态的检测作参考。 对不同线圈记录进行比较是该系统另外一 个功能。在一定时间内局放值快速增加是 一个危险的信号。另外,也可以使用电话 连接对系统进行遥控读取数据。 如果能够在电机内部安装感应传感 器,该方法可以应用于汽轮发电机,水轮发 电机以及大型电动机。很明显,对于新机 组和拔出转子的机组安装感应传感器相当 简单。对于一些老机组,安装感应传感器 棒的尺寸。 图17 大型发电机自动在线监测示意图 8 结论 本文介绍适用于大型电机在线局放测 量和定位的新技术和新的测量系统。使用 这种新技术极大地减少了发电机局部测试 时常遇到的很多困难,例如,定子绕组信号 传播过程中的衰减、噪声的干扰、校准的精 度等。文中对汽轮发电机和水轮发电机的 测试结果分别进行了阐述和讨论。 参考文献 New Practices for Pa ̄iM Discharge Detection and Localization in Large Rotating Machines.IEEE Transaction on Dielectircs and Electrical Insulation 2003,10(6) 戴庆忠校 

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