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水轮发电机局部放电监测系统的应用研究

2024-11-05 82 上传者：管理员

摘要：该文主要探究局部放电监测系统的软硬件组成及其在某水轮发电机运行监测中的应用。该系统利用前端的耦合传感器采集局部放电信号，经过信号调理单元的降噪、滤波等处理后发送到下位机进行分析，分析结果在上位机上直观呈现，让管理人员远程监控水轮发电机的运行。从应用效果来看，该系统监测到发电机的最大放电幅值和标称放电量存在异常，初步判断存在局部放电。停机拆检后发现250槽和251槽下层线棒的连接软管存在绝缘磨损情况，更换后监测数据显示最大放电幅值和标称放电量回归正常，问题得到解决。

关键词：
传感器
发电机停运
局部放电监测
水轮发电机
耦合电容器
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水轮发电机作为水电站的关键设备，保证其健康和稳定运行至关重要。局部放电是水轮发电机在运行一定年限后较为常见的故障，严重时可造成发电机停运。在传统的人工定期检修模式下，很难第一时间发现局部放电，使水轮发电机存在质量隐患。融合了传感器技术、大数据分析技术的局部放电监测系统，可以实施采集发电机的放电信号，一旦出现局部放电可以在监控室的主机上进行同步呈现，让管理人员及时掌握局部放电的位置并展开维修，保证了水轮发电机的正常运行。

1、水轮发电机局部放电监测系统的组成架构

1.1 系统的硬件设备

适用于水轮发电机的局部放电监测系统硬件部分包括耦合传感器、采集卡、上位机和下位机等，硬件组成如图1所示。发电机母线的A、B、C三相分别连接2台传感器，一台获取外界干扰信号，另一台获取放电脉冲信号，计算接收信号的时间差消除随机脉冲干扰。利用信号调理模块对前端传感器采集信号进行滤波、降噪、放大等一系列处理后送入采集卡。在采集卡内完成模拟信号向数字信号的转换，在工控机（下位机）完成分析后上传到监控室（上位机）进行直观显示，方便操作员对水轮发电机的运行工况进行远程监视。上位机与下位机之间采用CAN总线通信模式。

水轮发电机局部放电监测系统主要硬件的选型如下：

1）传感器。采用电阻值为120Ω的阻容式传感器，内置240 p F的高压陶瓷耦合电容，用于采集电路中的高频局部放电信号。三相母线的每一相均安装2台传感器，一台位于发电机风洞出线端，另一台位于母线排上，2台设备的直线距离在8～10 m。三相母线共计布置6台传感器。

2）采集单元。选用NI5112高速数据采集卡，最高采样频率可达100 ms/s，除了采集来自调理电路的电压信号外，还能利用内置的A/D转换模块完成模拟信号向数字信号的转换。

3）信号调理单元。由滤波电路、放大电路以及转换开关组成，主要用于处理由传感器采集并传送的初始电压信号。其中，高频转换开关的切换电流0.8 A，开关电压33 V；高通滤波器的截止频率为10 MHz，可滤除大部分低频干扰[1]。

图1 系统的硬件结构图

1.2 系统的软件程序

水轮发电机局部放电监测系统的软件部分使用图形化编程语言LabView进行开发，主要包括控制硬件的驱动程序和进行数据分析的应用程序2部分。软件程序支持以下功能：一是接收前端传感器和采集卡提供的数据，并对其进行分类存储；二是根据设备管理需要从数据库中调用相应数据并展开分析，分析结果以图表形式在客户端显示；三是提供数据查询与智能预警等功能。系统主程序运行流程如下，运行局部放电监测系统后自动跳转至登录界面，验证用户输入的账号和密码，确认正确后进入系统主界面。在主界面选择“运行”选项，弹出对话框后输入运行指令“ping202.117.30.33”，确定后系统主界面如果出现“time<10 ms”信息，说明上位机与下位机准备就位；如果出现“time out”信息，说明网络连接未成功，需要手动检查并解决网络问题[2]。

局部放电监测系统登录成功并进入主界面后，自动运行下位机程序，以控制面板的形式呈现。顶部状态栏显示下位机运行时间，左侧任务栏展示A相、B相、C相3个采集相序，底部的“start/stop”可以在接收数据和终止接收2种状态下切换。上位机程序支持手动设置采集参数，并结合显示器展示水轮发电机的三维图、N-q图以及Qm值等。在上位机的程序主界面，除了提供局部放电的实时信息外，还支持仪器状态设置、数据分析等多种功能，选择相应的按钮即可进行操作。

2、水轮发电机局部放电监测系统的应用

为验证该系统在局部放电监测中的应用效果，选取某水电站的B500TF179型水轮发电机作为试验对象，将传感器布置在发电机高压出线端用于采集放电信号。使用数字滤波器滤除低频分量和背景噪声，保证局部放电监测结果的精确性。该系统在正式投入应用前进行了耦合电容器试验，判断耦合电容器本身有无局部放电情况，以及系统的灵敏度是否符合要求。

2.1 局部放电监测系统的性能试验

2.1.1 局部放电试验

耦合电容器是局部放电监测系统的核心设备之一，由于耦合电容器在正常运行时也会存在局部放电情况，如果局部放电量太大会对最终的监测结果产生干扰。在耦合电容器的局部放电试验中，将电压设定为13.5 kV（额定电压），测量此时局部放电的起始电压与局部放电量。试验装置的组成如图2所示。

该试验中使用了自动化和检测精度较高的TE571数字式局部放电检测仪，并参照GB/T 7354—2003《局部放电测量》（以下简称《标准》）进行测量，为了消除误差影响进行了6次重复试验，试验结果见表1。

表1 局部放电试验结果

由上表数据可知，耦合电容器在额定电压下的局部放电初始电压在27.9～34.8 kV之间。按照《标准》中“被测试品的局部放电起始电压在2倍额定电压以上”的标准，本次试验中局部放电初始电压均高于27.0 kV，因此在额定电压下耦合电容器的局部放电量可以忽略，不会对水轮发电机局部放电监测结果产生干扰[3]。

图2 局部放电试验接线图

2.1.2 监测系统的灵敏度试验

为了测试该系统在局部放电监测中的灵敏度，设计如下试验：根据水轮发电机的结构与参数设计了发电机的内部放电模型，结构组成如图3所示，使用该模型探究水轮发电机出现局部放电时放电电流的幅值与波形。

图3 系统的内部放电模型

局部放电监测系统如图4所示，图中Ck表示高压陶瓷耦合电容，电容值为180 pF;Zm表示检测阻抗，阻值为120Ω；C表示同轴电缆，阻抗为60Ω。同时，为了保证宽带示波器能够稳定触发，在电路中加入了一个工频滤波器（P）。耦合电容与工频滤波器之间的接线长度控制在1 m以内，最大程度上减少高频分量的衰减，对提高局部放电监测结果的精度有一定帮助。整套试验装置放在一个由金属板焊接而成的全屏蔽室内，消除外界干扰[4]。

图4 局部放电测量系统结构图

试验结果表明，该模型内部放电产生了若干个上升时间为ns（纳秒）级的脉冲电流，频率分量在20～50 MHz之间，并且正负极放电基本对称，实测放电量为103pC（皮库）。由此可得，本文使用的局部放电监测系统频带上线为100 MHz，灵敏度可选最小测量放电量为103p C，灵敏度较高。

2.2 局部放电监测系统的应用实例

2.2.1 监测系统趋势分析

将局部放电监测系统应用于某水电站的水轮发电机，于2023年4月1日投入使用，首日监测到A、B、C三相的最大放电幅值分别为18.4、17.8、19.1 mV,NQN（标称放电量）值为53 mV。从4月3日以后监测数据有增加趋势，在4月7日最后一次监测中最大放电幅值达到了30 mV以上，NQN值升高至2 500 mV以上，说明水轮发电机存在局部放电情况。

2.2.2 现场缺陷分析

根据系统监测初步分析水轮发电机存在较为严重的局部放电故障，于是安排维修人员在4月12日对水轮发电机进行了拆机检修，发现连接250槽和251槽下层线棒的金属管出现了绝缘损坏，是造成本次局部放电的主要原因。经过现场检查确定故障位置和故障成因后，于4月15日对该机组进行了停机维修。拆除250槽和251槽的下层线棒后，观察发现线棒背面以及端部的绝缘层均出现了不同程度的磨损，最大磨痕深度达到了3 mm；磨痕周围有放电灼烧造成的黑色痕迹[5]。选择2根相同型号的全新线棒重新安装到250槽和251槽，重装后让水轮发电机正常运行。

2.2.3 处理后局部放电情况

水轮发电机在4月17日投入运行，稳定运行3 d后使用局部放电监测系统对发电机运行情况进行动态监测，分别在4月20日、22日、24日和26日采集监测数据并展开分析。对比处理前后局部放电情况，结果见表2。

表2 处理前后发电机的局部放电情况

由表2数据可知，在故障维修后水轮发电机A、B、C三相的Qm值稳定在18 m V左右，NQN稳定在50～60 m V之间，系统运行稳定，局部放电问题得到解决。

3、结束语

水电站在信息时代引进和使用局部放电监测系统，实时采集水轮发电机运行期间的放电信号并展开分析，一旦发生局部放电情况，该系统可以及时检出并进行提示，方便管理人员发现问题并进行维修。局部放电监测系统具有响应速度快、监测结果准确、监测结果直观呈现等优势，在水电站的水轮发电机运行管理中发挥了重要作用。

文章来源:陈东.水轮发电机局部放电监测系统的应用研究[J].科技创新与应用,2024,14(32):165-168.