发电机局部放电在线监测研究和实践
黄成军 江秀臣 郁惟镛 赵亚奎 张毅刚 徐剑
(上海交通大学 电气工程系 200030)
魏炜 毕宇辉
(上海宝钢自备电厂 200941)
Gabe Paoletti, P.E.
(Cutler-Hammer Engineering Services 2608 Tauton Drive
Pennsauken, New Jersey 08109 USA)
摘要:长期以来,局部放电在线监测已成为监测大型电机绝缘系统的一种有效手段.在线测试能在设备正常工作时进行分析和诊断,根据测试结果可有计划地安排,实施正确的维护方案.本文系统介绍了局放的基本理论,在线测试方法,与传统测试的关系,测试数据的解释以及应采取的相应对策,给出了局放在线监测系统及应用实例.
关键词: 局部放电 在线监测 绝缘老化
1. 概述
世界范围内多年来的研究表明,局部放电信号的数量,幅度和极性可以直接反映电机绝缘系统的状况.利用局部放电现象评估电机的绝缘寿命仍是一门发展中的基础理论和应用技术紧密结合的前沿学科.目前,国内外对发电机局部放电在线监测的方法研究逐步深入,也已有大量的在线监测系统投入实际运行中.IEEE也在1995年成立了一个工作小组,讨论制定旋转电机局部放电测量方面的标准,2000年4月26日IEEE Std 1434被正式批准,标准名称为"Trial-Use Guide to the Measurement of Partial Discharge in Rotating Machinery ".旋转电机局放检测试用导则的出台为电机局放检测提供了原则性的指导意见.本文尝试在局放的基本理论,在线测试方法,与传统测试的关系,测试数据的解释以及应采取的相应对策等方面结合我们多年发电机局部放电在线监测的相关实践,对发电机局部放电在线监测技术以及如何利用局放在线监测结果,评估和解决潜在绝缘故障等方面给出一个全面的介绍,以期能在实践中起到指导作用.
2. 发电机局部放电及其在线监测技术
在绝缘体中,只有局部区域发生放电,而没有贯穿施加电压的导体之间,这种现象称之为局部放电.局放理论包括对材料,电场,火花特性,脉冲波形的传播和衰减,传感器空间灵敏度,频率响应,标定,噪声和数据解释等的分析.很显然,大多数电厂工程师没有时间和精力去学习所有的内容,为了加强对局放的进一步理解,本文首先尝试用简单化的模型以及与这模型相关的特性来解释局放测试的结果.
2.1 电机线棒绝缘系统局放模型
在实际的绝缘系统中,绝缘材料的构成是多种多样的.不同材料中的电场强度不同,而且击穿场强也不同.当绝缘体某种材料中局部区域的电场强度达到击穿场强时,就会出现局部放电.有的绝缘系统虽然是由单一的材料做成,但由于在制造中残留的,或在使用中绝缘老化而产生的气隙,裂纹或其他杂质,在这些绝缘的缺陷中往往会首先发生放电.其中最常发生的是气隙的放电,因为气体的介电常数很小,在交流电场中,电场强度是与介电常数成反比的,所以气隙中的电场强度要比周围介质中高得多,而气体击穿场强,一般都比液体或固体低得多,因而很容易在气隙中首先出现放电.经验表明,许多绝缘损坏都是从气隙放电开始的.
对于绝缘介质和气隙,其电气特性都可以用一个电阻和一个电容的并联电路来等效.对于电机来说,其绝缘系统及其等效电路可用图1所示的模型来描述.当然,在这个等效电路中,各个等效电阻和电容的值是不同的.
在电机中,局部放电可能在铜棒和电机接地的铁芯磁钢之间的任何气隙中产生.这些气隙包括:铜棒和绝缘体之间的气隙,绝缘材料内部的气隙,绝缘体与接地铁芯之间的气隙.此外,在电机中,线棒的绝缘外层并非都与铁芯连接,所以局部放电还会在绕组端部区域发生.对于这些区域来说,当绝缘受潮或表面污染时,会发生表面放电或闪络现象.
2.2 发电机局部放电类型
根据上面的讨论,我们可知电机中的局部放电主要有绕组绝缘体内部放电,端部放电,槽放电以及导体和绝缘体间放电四种.
内部放电
由于制造工艺上的原因或在长期运行中的电,热,化学和机械力的作用,高压电机定子绕组绝缘体不可避免地会在层间出现气隙.在运行电压作用下,气隙中的场强很容易达到击穿场强,出现绝缘体内部放电.内部放电会产生大量能量很大的带电粒子,这些高能带电粒子以很高的速度碰撞气隙壁,能够打断绝缘体的化学键,造成绝缘材料的表面侵蚀,局部放电产生的局部过热,会造成高温聚合物裂解而使绝缘损坏.通常在运行电压的作用下,气隙首先击穿,形成局部放电,内部局放的电,热,化学和机械力的联合作用,又进一步使气隙扩大,造成绝缘有效厚度减少,使击穿电压进一步降低,最终导致绝缘击穿.

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