发电机局放在线监测应用探讨

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  摘 要:在电网运行的过程中,发电机能否得到安全的运行,将直接影响到电网运行的安全性。而定子绝缘故障作为常见的故障类型,在发电机故障中占有较大的发生比例。从表面上来看,定子绝缘故障具有一定的突发性。但是,利用发电机局放在线监测装置进行故障发生的过程的监督,则可以发现故障的产生原因。因此,基于这种认识,本文对发电机局放在线监测的应用问题进行了分析,以便通过完善发电机的管理来确保发电机的运行安全。
  关键词:发电机;局部放电;在线监测;应用
  引言:定子绝缘的老化,将导致发电机产生局部放电现象。而发电机的局部放電,则会造成发电机的严重损坏。就目前来看,很多发电企业在进行发电机的检修时,都将发电机的局部放电作为重点的检查内容。而利用在线监测,则可以有效掌握定子绝缘的老化状况,继而较好的完成发电机的检修工作。因此,对于发电机检修人员来讲,想要避免发电机的突发故障出现,就应该对发电机局放在线监测应用问题进行研究,以便更好的运用该手段。
  1 发电机局放在线监测问题概述
  1.1发电机的局放电问题
  在高压电力设备中,局部放电现象经常出现。而所谓的局放电,其实就是在高压电力设备表面或绝缘内部出现的小火花放电。从本质上来讲,电压和介质中的气隙和气泡是导致这一现象产生的主要原因。因为,在气隙所处的电场强度较大时,气隙中的气体将电离出来。而这则导致电流从设备内部通过,继而造成了设备局部通电。在发电机正常运行的过程中,其本身将具有一定的绝缘耐压等级。在设计符合等级要求,而设备运行也较为正常的情况下,设备的绝缘性能可以承受其所需承受的工况电压。但是,一旦设备在设计、安装和制造过程中出现了问题,继而导致其内部的绝缘介质存有气隙或气泡,设备就将出现局部放电的情况。就目前来看,受到电气因素、机械因素和环境因素等多种因素的影响,发电机的定子绝缘容易出现局部放电现象[1]。而局放电的时间虽然不长,并且本身的能量也较小,但是却能造成较大的危害。因为,设备不同部位的局放电将导致设备出现不同程度的绝缘裂化,甚至直接引起发电机事故。因此,设备检修人员需要采取一定的手段掌握定子绝缘状况,继而避免局放电现象的出现。
  1.2在线监测的原理
  从发电机局放在线监测的原理角度来看,局放电的在线监测需要建立相应的电气模型,并使用一定的测量手段。而在得到监测数据后,则可以根据放电的波形特点进行局部放电的极性分析,继而得出绝缘层的绝缘状况。
  首先,在建立电气模型时,需要用等效电容表示绝缘材料的内部气泡。而由于局部放电将造成绝缘材料内部的半导体薄膜击穿,并造成材料的炭化,所以需要将放电电流旁路。同时,由于局部放电和绝缘材料有着相似的等效电路,所以可以将放电电路设置为电容与电阻并联的电路。
  其次,在进行局部放电的再现监测时,主要需要对放电时产生的微弱电流进行测量。正常的情况下,电流在通过绝缘阻抗时会产生相应的电压脉冲。而对这些电压脉冲进行探测,则可以得到电流量的大小。就目前来看,可以对远离局部放电点的电路进行测量,以便探测放电点的电压脉冲。但需要注意的是,需要探测的电气脉冲量较大,所以需要利用高压电容完成对脉冲的测量。此外,也可以通过在发电机中性接地阻抗上安装互感器对脉冲进行测量。
  此外,在利用示波器和频谱分析仪分析输出的脉冲信号可以发现,局部放电有着独特的波形特点。而掌握其波形特点,并对局部放电的极性进行分析,则可以判断出绝缘材料的绝缘状况。比如,在正放电的幅值大于负放电时,就可以认为该类型的放电为绝缘层与铁芯之间的放电或是绕组端部的放电。
  2 发电机局放在线监测的应用
  2.1监测仪的应用
  就目前来看,很多发电企业在监测发电机局部放电现象时,都应用到了局放在线监测仪。在发电机局放在线监测系统中,监测仪将接收到来自于电容耦合器的局部放电信号。而在该信号输入到仪器的输入端后,仪器则会将该信号进行A/D转换,并对输出的数字信号进行处理。而通过对单位时间内的局部放电信号参数进行统计,则可以判定该次局部放电为正放电还是负放电。就目前来看,监测仪需要统计的参数有脉冲数量和放电强度等。而其在对局部放电的极性进行判断时,则需要对脉冲在交流周期中的相位进行分析[2]。此外,不同局放在线监测仪在进行局放信号采集时使用的监测技术也不尽相同。就目前来看,主要的监测仪有两种,即BusTrac局放在线监测仪和HydroTrac局放在线监测仪。其中,BusTrac局放在线监测仪采用的信号监测技术为定向噪声分离技术,而HydroTrac局放在线监测仪采用的为定时噪声分离技术。
  2.2监测技术的应用
  发电机局放在线监测的监测技术主要有两种,即定向噪声分离技术和定时噪声分离技术。
  首先,在汽轮发电机的局部放电测量方面,定向噪声分离技术得到了应用。从技术特点角度来看,采用该技术需要将耦合器全部安装在母线上。在应用该技术时,为了更好的对局放信号进行监测,需要每相安装两个耦合器。而安装的过程中,则需要保证其中一个耦合器距离发电机较近。而在安装另一个耦合器时,则要与第一个耦合器保持2.5米以上的距离。在距离发动机较近的耦合器接收到局放信号后,将向监测仪器输送该信号。而在经过一段时间的延迟后,局放信号则将到达第二个耦合器,而第二耦合器则同样要将接收到的信号传输至监测仪。但需要注意的是,两个耦合器距监测仪的距离应相同[3]。因为,监测仪需要利用该距离和信号的延迟传输时间进行信号的计算,继而判断该信号是否来自于发电机。比如在传输时间小于标准时间的情况下,就可以说明该信号来自于母线。
  其次,在水轮发电机局放测量方面,定时噪声分离技术得到了应用。而运用该技术,需要将耦合器安装在发电机的定子上。因为,不同于汽轮发电机,水轮发电机本身的内部空间较大。所以,想要获取较强的局放信号,就只能将耦合器安装在距离局放电现象发生地点最近的位置上。而在这种情况下,来自于外部的噪声信号则将经过两段路径,并最终同时传递至监测仪。而局放信号虽然也需要经过两段路径传送至监测仪,但是两个信号的达到时间则并不相同。所以,根据这一特点,监测仪就能够较好的区分出局放信号和外部噪声信号[4]。同时,由于信号的传输时间不同,监测仪还能够进一步判断出局放信号的传输路径,继而获得发生局部放电的定子位置。   2.3监测方法的应用
  就实际情况而言,局部放电出现的形式为高频放电。而在这种情况下,局部放电的衰减速度较快,所以必将受到多种因素的影响。就现阶段而言,局部放电将受到传感器灵敏度和位置、测量系统的信号响应程度和外部噪声信号等多个因素的影响。而想要较好的完成对局放信号的监测,则需要运用相应的监测方法。
  首先,可以采用射频监测法对局放信号进行监测。而应用该方法,其实就是利用高频电流传感器、Rokowski滤波器进行高频放电信号的采集[5]。由于利用该方法可以监测到定子线圈内部的放电现象,所以该方法在国内的一些大型发电机上得到了应用。
  其次,可以利用定子槽耦合器监测法进行局放信号的監测。具体来讲,就是根据定子线棒的电容特性,在槽下进行特制件的埋设,继而进行局放信号的监测。而目前来看,常用的特制件就是定子槽耦合器,可以利用该器件探测到每槽的局放脉冲。而利用该方法之所能够得到较好的局放脉冲信号,是由于该信号具有单极性、无摆动和上升时间快的特点,而噪声信号则为摆动且上升慢的特点。此外,在应用该方法时,还需要注意将定子槽耦合器安装在靠近定子输出端的绕组线槽中,并且保证每个并联绕组配有一个耦合器。
  此外,还可以利用PDA监测法进行局放信号的监测。早在上世纪70年代,Ontaio Hydro公司就提出了PDA监测法。具体来讲,就是在发电机每相上安装两个耦合电容器,继而利通过计算定子绕组内的信号传播路径来进行信号的判断。而想要进行该方法的应用,则需要遵循两条标准,即局放信号和噪声信号的分离标准和监测结果的客观解释标准。而在PDA局放仪采集到监测数据后,则需要利用软件分析监测数据,并进行特征数据的提取。根据这些数据,该仪器则可以对发电机局放水平进行评价[6]。而结合脉冲的极性,则可以对故障的类型进行分析,并最终通过相位分析进行故障的定位。
  2.4监测系统的应用
  在发电企业内部,想要完成对发电机局部放电信号的监测,企业还要建立相应的监测系统。从系统构成上来看,系统应该由电容耦合器、信号电缆、局放在线监测仪、上位计算机和后台监控系统组成。其中,电容耦合器是进行局放信号采集的主要设备。而由于其安装的环境具有大量的干扰信号,并且需要监测的信号本身又比较微弱,所以需要采用抗干扰能力较强和灵敏度较好的设备。而信号电缆则是进行局放信号传输的设备,所以主要需要考虑的是信号的衰减问题。就目前来看,一般的信号电缆均为同轴电缆,并且长度不超过30米[7]。此外,局放在线监测仪在上文已经提到,主要是进行局放信号处理的设备。而相较于这些设备,发电机局放电在线监测系统的上位计算机和后台监控系统显然也很重要。
  在监测系统运行的过程中,上位计算机将起到对在线监测仪进行控制的作用。在接收到来自于监测仪的局放数据时,上位计算机将对局部放电状况进行定量分析。而根据这一分析结果,上位计算机将重新进行监测参数的设置,并完成对发电机最新局部放电状况的实时查阅。而后台监控系统则需要接收多台发电机局部放电在线监测系统输送的数据,并将数据传送至共享服务器中,以便完成对整个电站的局放电状况的监测。所以,后台监控系统需要由多种网络设备构成,可以系统的对发电机的局放电状况进行预测。
  首先,从局部放电状况的定量分析角度来看,上位计算机系统将利用二维图进行数据的分析。在进行数据量程划分时,上位计算机将利用测量仪将设定的量程范围划分成16段。而上位计算机则要对每一段的测量时间和放电次数进行统计,并将这些数据连成曲线[8]。而曲线的横坐标为放电强度,纵坐标则为每秒的放电次数。在此基础上,系统则对放电强度和放电数量多少的指标进行了定义。而放电数量的多少,则意味着绝缘层内部的气隙的多少。在定子绝缘状况不佳时,放电强度和放电数量则都会增加。最终根据放电的极性,上位计算机则将完成对发电机局部放电状况的判断。
  其次,上位计算机可以根据监测的数据对定子绝缘故障和局部放电的关系进行判断。因为,从根本上来看,局部放电与定子的绝缘故障有着直接的联系,而对发电机的定子局部放电进行监测,则可以判断出定子的绝缘状况[9]。而由于不同的定子故障所具有的局放特性也不相同,所以系统可以通过试验完成对故障类型的判断。例如,在上位计算机分析得出正负局放相当的局部放电特性时,就可以利用变电压和变负荷的手段对故障类型进行判断。
  再者,后台监测系统可以对局部放电的趋势发展进行分析。而通过分析这一趋势,则可以更好的判别发电机的定子是否出现了问题。比如在对半年的数据进行统计后,如果局放强度值增长了1倍,并且数值高于报警值,就可以断定定子出现了问题。而根据电压等级,则可以对未来几年内的定子绝缘故障进行预测。所以,后台监测系统通过对局部放电数据进行分析,可以较好的完成对发电机绝缘故障的预警。
  此外,后台监测系统也可以通过比较同类机组数据进行定子绝缘故障的判断。具体来讲,就是将同类发电机的局放值进行比较,从而评价不同发电机的绝缘状况。就目前来看,世界上安装局部放电监测装置的发电机有数万台。所以,在后台监测系统中含有大量的数据,可以为检修人员提供比较数据[10]。因此,检修人员需要合理的进行后台监测系统的应用,以便更好的进行发电机绝缘故障的预防。
  结论:总而言之,在发电机运行的过程中,定子绝缘故障引起的发电机故障频频出现。而这不仅严重影响了电网的运行,也给发电企业的运营留下了较大的安全隐患。所以,检修人员应该意识到据放电的危害,并及时掌握发电机局放在线监测的原理和方法。而在此基础上,检修人员则可以较好的完成对发电机局放在线监测的监测仪、监测方法、监测技术和监测系统的应用,继而预防发电机局放电现象的出现。而这样一来,发电机的恶性事故将能得到有效预防,继而促进发电企业的可持续发展。
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