水轮发电机局部放电在线监测系统研究

V ol.30　N o.1　　　2008年1月Huadian T echnology

Jan.2008　

　・基础研究・

水轮发电机局部放电在线监测系统研究

Research on the on 2line m onitoring system for partial discharge of hydro 2generators

刘建峰1,郑贤桢2,胡晓3,任战国4

LI U Jian 2feng 1,ZHE NG X ian 2zhen 2,HU X iao 3,RE N Zhan 2guo 4

(1.福建省池潭水力发电厂,福建泰宁　354400;2.福建省电力试验研究院,福建福州　350001;

3.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西西安　710054;

4.西安交通大学科技园博源电气有限责任公司,陕西西安　710054)

(1.Fujian Chitan Hydroelectric P ower Plant ,T aining 354400,China ;2.Fujian E lectric P ower T est &Research Institute ,Fuzhou 350001,China ;3.S tate K ey Laboratory of E lectrical Insulation for P ower Equipment ,X i ’an Jiaotong University ,X i ’an 710054,China ;4.Boyuan E lectric

C o.,Ltd.,X i ’an Jiaotong University ,X i ’an 710054,China )

摘　要:介绍了一种基于甚高频测量技术和时延鉴别抗干扰原理的发电机局部放电在线监测装置,分析了装置采用的抗干扰方法。结合福建池潭电厂和广西柳州红花电厂的现场应用情况和试验分析,验证了该系统的测试效果及其抗干扰能力。通过技术经济分析,说明系统的建立有利于发电机组的安全运行和提高电站经济效益。

关键词:水轮发电机;局部放电;在线监测;甚高频

中图分类号:TP 277:TK73　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1674-1951(2008)01-0028-05

Abstract :An on 2line m onitoring system for partial discharge of generators was introduced ,which was based on the Very High Frequency (VHF )measuring technology and the time 2delay identification anti 2inter ference principles.The anti 2inter 2ference methods applied to this system were analyzed.C onsidering the application experiences on site and the experimental analysis ,the test results and anti 2inter ference capacity were verified.T echno 2economic analysis shows that the establishment of such system is conducive to im prove the safe operation and the economic benefit for power generation units.K ey w ords :hydro 2generator ;partial discharge ;on 2line m onitoring ;Very High Frequency (VHF )

收稿日期:2007-11-25

0　引言

水轮发电机是电厂的核心设备,局部放电是发

电机定子发生故障的最敏感的先兆信息,实现对发电机局部放电的在线监测是人们长期期待解决的问题,也是发电厂提高主设备的安全运行水平,实现机组从计划检修过渡到状态检修的基础课题。近年来,因制造工艺、绝缘材料等原因引发的发电机定子事故屡见不鲜,发电机定子故障常常需要机组大修才能处理,事故造成的设备、电量损失十分巨大,为此,迫切需要建立一套实用化的发电机局部放电在线监测系统。

1　系统功能设计

(1)系统主要技术指标。脉冲测量频带为5～100MH z ;测量信号幅值范围为5mV ～5V ;脉冲分

辨率为10μs ;相位分辨率0.18°。

(2)实时状态监测与故障现场诊断。测量放电信号的幅值、极性、放电的相位和放电次数等基本的局部放电表征参数,利用统计放电表征参数Q m 和nQn 的趋势图及各种放电分析谱图,为绝缘状态提供诊断。

(3)根据工况变化自动启动测量程序,监测完毕系统自动关闭,记录并显示测量结果。

(4)故障预警功能。发现故障隐患,跟踪趋势变化,提出预警,提示现场运行人员。

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　　(5)事故追忆功能。对每次事故所对应的局部放电数据进行各种谱图分析,查找事故原因。

(6)远程诊断、传输等功能。采用网络技术,实现远程机组状态监测、分析诊断和数据传输等功能。

2　系统硬件设计

2.1　系统总体结构

系统的总体结构如图1所示。系统硬件主要由传感器、信号调理单元、采集卡和数字I/O 、电源管理单元以及工控机组成;系统软件包括采集软件、数据库软件和计算分析软件

。

图1　系统总体结构框图

　　在发电机的三相高压出线的近端和远端处都安

装了耦合电容器,耦合从电机内部传来的高频局部放电信号,同时隔离工频高压。电容器低压端通过采样电阻接地,电阻两端的脉冲电压即局部放电的脉冲信号,将其输入采集卡进行信号采集。传感器

由耦合电容器与检测阻抗组成。

(1)耦合电容器是传感器的主要部件,它可直接影响测量系统的频率特性和灵敏度。耦合电容应该满足以下条件:耐电强度高于50kV ,大大高于工作电压(10.5kV ),可长期正常工作;工作电压下无局部放电,放电起始电压大于40kV ;常温工频下介损小于1%,电容量随外界湿度、温度、电压等环境条件的变化量小于20%,能在较大湿度(85%)环境下正常工作。

(2)检测阻抗是用于拾取高频放电脉冲的阻抗,其阻值对系统的灵敏度和频率响应都有影响。在高频下普通的电阻受到杂散电感、杂散电容、集肤效应、邻近效应等的影响,不是纯电阻。采用现今的RF 和MW 电路中主要采用尺寸非常小的薄膜片状电阻,以减少分布电感、分布电容等带来的影响。检测阻抗为满足整个测量系统的带宽(5～100MH z )和

灵敏度要求,选择采样电阻值1k Ω。2.2　信号调理模块

信号调理电路原理如图2所示。整个硬件电路

采用模块化设计思路,以减少线路和杂散因素对超高频信号带来的影响。

图2　信号调理电路原理

　　通过耦合电容器的放电脉冲电流信号经由取样电阻转换为电压信号,信号调理后才进入高速采集

卡,如图1所示。每次采集的数据包括来自发电机同一相远端传感器和近端传感器的局部放电信号,三相共6根传输信号的电缆(来自6个传感器)按相序分为3组,由程控高频多路转换开关对3组信号进行切换,保证在每次测量时进入采集卡的只有同一相的信号。根据系统的抗干扰要求,选用截至频率为5MH z 的高通滤波电路,避开了干扰频带,可大大提高信噪比。发电机本身的局部放电会有很大变化,即测量信号幅度会有很大变化,采用放大、衰减电路,通过程序选择对放电信号进行衰减或放大使之满足采集卡量程。2.3　电源管理单元

电源控制电路由数字I/O 卡控制信号调理单元电源的开断,以延长高频测量器件的使用寿命。2.4　采集模块

系统采用基于PCI 总线数据传输的100MG S/s 高速数据采集卡来实现模拟信号的数据采集,而控制功能则由数字I/O 卡发出控制信号来实现。2.5　其他辅助模块

其他辅助电路包括提取放电相位信息、测量系统自检。对于局部放电信息,除了幅度大小之外,放电发生时刻对应的工频电压的相位也是重要信息。该信息是从电压互感器(PT )上提取工频电压,经隔离、分压,变换为过零脉冲输送到采集卡,作为采集放电信号的触发信号。

自检电路是为了检查、测量系统是否能正常工作。将机内产生的尖脉冲信号接入监测系统的输入端,用来代替局部放电信号,若系统反应正常,就可

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华电技术第30卷　

以投入正式测量。

3　系统软件设计

系统软件能实现对局部放电信号的在线数据采集、局放数据的处理及存贮、对局部放电的谱图显示、对历史局部放电状况的查询以及远程监控等功能。可根据发电机的工况变化自动实现局部放电测量,简化工作人员操作。用户也可通过手动操作,实现查询、分析等更多功能。3.1　系统软件构成

系统采用美国国家仪器公司的图形化编程软件LabVIEW 编制,该软件在编写控制面板方面具有强大的功能。系统采用单机版程序,采集分析数据均在一台工控机上完成,功能丰富、操作方便。其软件功能模块构成如图3所示

。

图3　系统软件功能模块构成

　　(1)数据采集。实时监测工况变化,启动测量程序。采集程序分自动和手动,每次都是测50个周

期(1s ),实时显示测量结果。

(2)数据处理。对采集信号进行抗干扰处理,

保留放电数据,计算统计参数并存入数据库。

(3)数据分析。显示放电统计谱图和工频周期谱图,统计谱图包括n -Q ,Q -φ和n -φ二维谱图及n -Q -φ三维谱图;提供查询选定时间段的放电趋势图及历史局部放电数据。

(4)报警系统。测量的Q m 值超过设定的报警门限时,触发报警事件。报警时的工况及放电信息存入数据库,可以对每次报警事件所对应的局部放电数据进行各种谱图分析。3.2　测量控制方案

发电机在不同的工况下其局部放电信号的大小是不一样的,把发电机运行温度、负荷功率、电压等工况引入测量系统及数据库,便于进行各种同等工况下放电量值的比较。

系统程序启动之后,首先判断发电机机端电压

是否达到额定值,如果达到额定值则进行功率的判断。为了测得不同工况下的局部放电数据,将发电

机从启动开始到满负荷运行整个过程分成不同的功率区间,如果发电机没有开机运行,则系统处于等待状态;发电机正常开机运行后,当系统检测到发电机工况有所变化且该功率区间尚未被测量时,系统启动测量程序进行测量并将该时刻工况信息存入数据库。为了避免重复测量,浪费系统资源,设计时保证每天每个功率区间至多有1个测量值。

4　抗干扰措施

对于发电机局部放电在线监测技术而言,最难的就是干扰信号的识别与剔除。对发电机而言,干扰进入的路径主要有:励磁系统产生的干扰和碳刷火花放电干扰往往从电机的励磁侧引入;与电机相连的其他设备产生的干扰从电容耦合或直接传导引入;无线电干扰和其他随机性干扰通过空间辐射方式引入。由于干扰表现出的特性不同,因此,需要针对不同的干扰源,综合采取不同措施以达到抗干扰的目的。

(1)根据局部放电的脉冲电流法测量原理。系统采用了甚高频(选取5～100MH z 的VHF 频带)测量技术,避开了干扰频段,可有效改善信噪比,提高在线监测系统的抗干扰能力。

(2)随机脉冲干扰的抑制是局部放电在线监测中的难点。由于它们与发电机定子线圈内部的局部放电信号具有相似的特性(如频率分量、交流相位、重复率等),所以,常规系统中很难抑制。该系统采用双高压电容传感器定向耦合,配合脉冲时延及幅值鉴别软件,能有效地抑制随机脉冲型干扰。

双传感器定向耦合脉冲进行时延鉴别、幅值鉴别抗干扰方法的原理是:在同一相母线上装置2个电容耦合传感器(如图4所示),调整2个传感器的距离L 和近、远端传感器的信号线L 1,L 2的长度,使得来自发电机内部的放电脉冲和来自电网的干扰到达测试系统时,系统检测到的近、远端信号在时间延迟和波形上都有差异。通过软件逐个识别采集到的数字脉冲以识别放电和干扰。

(3)系统传输信号线采用高频接地技术。采用一端直接接地,一端通过电容接地的多点接地方式,系统低频时单点接地以去除由地线耦合来的干扰;高频时多点接地以改善高频信号波形,提高信噪比。

(4)采用动态阈值法可有效去除基带噪声,任意相位开窗法可有效除去周期性脉冲信号的干扰,

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图5　

池潭电厂测量结果

图4　定向耦合法结构图

硬件带通滤波与软件数字滤波的结合,可以有效地

滤除窄带干扰。

5　现场应用情况和实测数据分析

发电机定子线棒绝缘的不同缺陷在高压下会产生不同类型的放电,对应不同的放电谱图。不同类型的放电对发电机定子绕组绝缘的危害程度不一样,通过谱图分析可以确定检测到的放电类型,为绝缘劣化状况评估提供参考。此方法已经成功应用于监测福建池潭电厂#2机组、葛洲坝电厂#19机组、四川龚嘴电厂#5机组以及广西柳州红花水电厂等6台机组。

(1)在池潭水电厂的应用。2003年10月在福建池潭水电厂#2机组安装了发电机局部放电在线监测系统。图5为池潭电厂#2发电机在额定负载(50MW )下运行时,测量发电机A 相放电信号得到的50工频周期下的统计谱图(图中Q m 为幅值,φ为相位,n 为放电次数,下同)。可以看出,在现场干扰存在的情况下,系统测量到的局放信号相位特性

明显,符合定子线棒内部放电的基本特征,效果良好,抗干扰效果明显。

(2)在红花水电厂的应用。广西柳州红花水电厂安装的为1拖6的局部放电测试系统,分别在6台机组安装6套传感器,然后用1套测试系统循环监测6台机组的放电情况。

红花水电厂#1和#2机组已于2006年3月底

全部进入商业运行。在运行期间,这2台机组均进行了多次的机组局部放电在线监测,#1机某次测量

的结果如图6所示。#

1机监测到轻微的局部放电信号,最大幅值约为2000mV 。由图6c 和图6d 可以看出,大部分放电出现在1,3象限,正负半周放电次数相近,现场分析可能为发电机组内部放电类型。该结果得到了红花水电站机组安装公司(广东省源天工程公司)的传统检验结果的印证。

6　技术经济分析

系统的建立,为发电机故障监测和状态检修技术的发展以及建立电力设备预测性维修制度打下了基础,可从3个方面进行考虑。

(1)提高发电机组的监测手段,满足电厂安全运行需要。运行人员可以利用系统中的谱图分析工具,了解线棒主绝缘老化、受潮积污以及振动情况的信息数据,对发电机的绝缘情况做到心中有数。可用该系统测量局部放电的方法对发电机的检修质量进行检查。

(2)提高电机利用率,降低事故停机时间,减少

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图6　红花水电厂测量结果

检修费用。设备状态检修是目前发展方向,要实现发电机状态检修,首先要开发发电机主绝缘的在线监测技术。实现发电机状态检修,以状态检修代替计划检修,它所带来的经济效益十分可观,主要表现在:节约计划维修时间,增加发电机的年平均发电量;避免临时事故停电;节省不必要的定期计划检修费用。

(3)避免由于检修、故障等停电造成的间接经济损失,如用户停电造成停产,电网调蜂、无功补偿不足等。

7　结束语

该系统已投入工业性运行,为运行人员了解机组的绝缘情况,避免发电机事故发生,对机组的安全运行发挥了较好的作用。但由于发电机干扰信号十

分复杂,国内开展对其局部放电信号研究时间较短,

尚需发电、研究、制造单位密切配合,进一步积累经验数据,为完善系统的诊断功能提供依据,为我国尽快赶上国际先进水平共同努力。参考文献:

[1]葛景滂,邱昌容.局部放电测量[M].北京:机械工业出

版社,1984.

[2]冯义,王凯.水轮发电机局部放电在线监测中的抗干扰

研究[J ].高电压技术,2004,30(1):26,27.

(编辑:王书平)

作者简介:

刘建峰(1969-),男,福建浦城人,福建省池潭水力发电厂高级工程师,工程硕士,从事水电厂自动化技术研究及生产技术管理工作。

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分布式能源系统是以清洁能源(天然气)为燃料,采用高效的燃气-蒸汽联合循环发电,实现热、电、冷三联供,能源梯级利用效率将达到70%～80%,项目建成后将使广州大学城这座新型的现代化生态城在节能环保方面达到全国领先水平。