基于光纤传输超声测量的电机定子线棒局放检测方法研究

摘要：
大型发电机和电动机是电力工业生产的主要旋转设备，其可靠性对相关企业能否正常生产和运行有决定性作用。

电机定子绕组主绝缘受电、热、化学、机械等不利因素影响，绝缘性能逐渐变差，会对大型发电机和电动机运行安全造成严重威胁，因此有必要对表征电机定子线棒绝缘水平的局放情况进行检测。

现提出了一种基于光纤传输超声测量的电机定子线棒局放检测新方法，可实现对电机定子绕组局放故障的精准定位。

关键词：
电机；定子绕组；局放；超声检测；定位
引言
大型发电机和电动机是电力工业生产的主要旋转设备，其可靠性对相关企业能否正常生产和运行有决定性作用。

据统计，大约41%的电动机或发电机故障是主绝缘（定子绝缘）老化引起的，高压电机或大容量发电机的运行可靠性在很大程度上取决于定子绕组的绝缘状况。

在部分恶劣环境下，单根定子线棒故障可能迅速发展为相间短路、三相短路等故障。

一旦电机因故障停运，将会影响企业的安全稳定运行并给企业造成严重的经济损失。

随着电机容量的不断增加，电机在安全性和运行寿命方面的要求也大幅提升。

而单机容量的大幅提升必然带来定子电压的提升，这样定子绕组出现各种绝缘缺陷的概率越来越大，造成的后果也愈发严重。

在电机实际运行过程中，电机定子绕组主绝缘材料会受到电磁力、热应力、热老化、化学老化或环境等因素影响，使得绝缘性能逐渐变差。

对于电机的定子绕组，绝缘发生劣化的主要特征之一就是
绕组内部或表面的局放水平大幅增加[2]。

因此，对电机定子绕组主绝缘定期进行局放检测并监视不同部位局放水平的变化趋势，对于及早发现绝缘缺陷、避免故障持续恶化和实现绝缘缺陷的早期预警具有重大意义。

现阶段，许多专家和学者都针对发电机定子线棒局放检测和定位方法进行了深入研究。

通过搭建宽度可调节的定子铁芯槽部模型作为局放信号提取接地极，基于已建立的各类放电模型，录取了发电机定子线棒内部、槽部、电晕及相间四种局放信号的指纹，并对不同类型放电指纹的分布规律进行了研究，为在线监测高压电机主绝缘局放信号对比提供了依据；提出了通过分析放电图谱、极性效应、脉冲相位和放电发展趋势等局放信号特征模式来识别发电机定子绝缘故障类型的方法；实际加工制作了3种典型的定子缺陷模型，利用脉冲电流法对热老化前后定子绝缘缺陷局放特性差异进行了对比测试，结果表明对于内部缺陷线棒，局放起始电压相较于热老化前出现了升高，槽部和端部缺陷线棒的局放起始电压在热老化后出现了下降；在分析局放超声波信号在发电机定子内传播特性的基础上，建立了电机局放定位方程组，通过求解方程组来找到局部放电点的位置；以超声波传感器作为现场敏感元件，搭建了超声检测系统的硬件和软件平台，通过实际开展模拟故障测试证明了利用超声波检测发电机定子绕组局放的可行性。

本文提出了一种基于光纤传输超声测量的电机定子线棒局放离线检测方法。

试验时，在定子线棒上施加正常运行电压，通过逐槽扫描定子各线棒超声波信号幅值的变化，对电机定子线棒的绝缘水平进行检测。

经现场实际测试，通过本方法可实现对电机定子绕组局放故障的精准定位，对于及时查明故障位置，缩短故障消缺时间具有重要意义。

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电机定子线棒的结构和局放类型
1.1 电机定子线棒的结构和绝缘设计
电机定子一般是由铁芯、绕组和外部机座等三部分构成。

按照定子线棒形状的不同，可将定子线棒分为槽内直线段、端部曲线段以及电路连接头三部分。

每根定子线棒是由定子铜导线、环氧粉云母绝缘带和端部阶梯段防晕设计组成。

定子绕组的两端均向定子铁芯外部倾斜，角度在15°～30°。

定子线棒内部多由空心裸铜线和实心扁铜线组成，考虑到集肤效应和环流损耗的影响，铜线在定子槽内进行540°换位并彼此绝缘。

为改善感应电动势波形，定子绕组较多采用三相双层短节距结构，即YY结构。

电机定子线棒槽内结构情况如图1所示。

定子线棒主绝缘制造工艺包括多胶模压型和少胶浸渍型两种。

多胶模压型技术较为成熟，制造工期短且简单，一般是使用胶含量为35%左右的云母带在定子线棒上连续包绕，达到规定尺寸后，进行干燥处理，最后通过长时热模压固化成型。

少胶浸渍型是以环氧玻璃粉云母少胶带进行包绕，完成后在真空压力下浸渍无溶剂环氧漆，保证线棒内部无气泡，整体的机械强度、热传导能力及线棒质量一致性均较好，但生产制造工期较长，不利于快速批量化生产。

1.2 电机定子线棒的放电特征
在电机定子绝缘结构中，多种不同材料共同构成了定子线棒的绝缘系统。

由于不同材料的介电特性不同，受不同位置电场强度变化影响，各个材料的击穿场强也不一样[8]。

当绝缘材料中某个部位的电场强度超过了材料本身的击穿场强，就会产生内部放电。

在实际运行时，定子内最容易发生局放的位置是气泡。

因气泡内气体的介电常数一般均小于绝缘材料的介电常数，受电场梯度分布影响，气泡内承受的场强更大，因此气泡最容易出现放电。

根据位置的不同，定子线棒局放一般可分为内部放电、端部放电、槽间放电和端部断股放电四种。

端部断股放电本身是电弧放电，放电的现象比较强烈，因此不作为局放讨论。

下面针对定子线棒其他三种放电的机理进行分析。

（1）内部放电是指定子主绝缘内部、绝缘和线棒导体之间、防晕层和绝缘之间等位置发生的放电现象。

大容量汽轮发电机和高压电动机在制造厂一般均是绝缘带层层叠绕而成，因此，在生产环节极易在主绝缘内部存在部分气隙。

除此之外，在发电机服役期间受机械力、温度、冷热循环等因素综合影响，部分间隙可能在纵向得到扩展，容易出现绝缘分层或脱壳现象。

一旦发生内部放电，局放带来的热效应、化学效应等会使绝缘材料的特性进一步恶化，形成放电与劣化的循环，最终使得主绝缘发生击穿。

内部放电出现时，绝缘介质的内部放电会随着外施电压幅值绝对值的增加而逐渐加重，因此其放电的主要特征是正负半周相位对称且脉冲幅值和次数也基本相同。

（2）端部放电是指在电机定子线棒驱动端和非驱动端端部发生的放电现象。

电机端部无定子槽楔进行压紧，仅靠端部垫块、绑绳、拉紧环或锥环等结构件进行固定。

受定子端部电动力、振动、脏污、异物等多种因素影响，端部的半导体防晕层和线棒端部的主绝缘极易发生损坏，在运行电压下，电晕持续发展恶化，最终将导致线棒主绝缘损坏并发生单相接地或相间短路故障。

现场检查时，端部放电的严重与否多通过查看端部有无黄粉、白点等异常放电迹象进行判断。

（3）槽间放电是指定子线棒防晕层与铁芯之间发生的放电现象。

电机正常运行时，定子线棒被槽楔、垫条和波纹板等组件牢固地固定在铁芯槽内，仅能沿电机轴向进行伸缩。

当槽楔、垫条发生松动后，定子线棒会随着铁芯振动沿径向发生位移，导致线棒外部防晕层发生破损，即线棒表面和铁芯槽壁或槽底之间发生有害放电，由于悬浮电位的影响，槽间放电可能呈现很高的幅值。

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基于光纤传输超声测量的电机定子线棒局放检测方案设计
绝缘材料内部气隙或材料击穿时，击穿电流将突然增大，受热效应影响，击穿位置介质的体积快速膨胀后又冷却收缩，引起了介质疏密的变化，就形成了声波。

由于局放的持续时间很短，所发射的声波频谱很宽，可达到数兆赫兹。

随着科学技术的发展，光纤技术已经应用在局放的超声波检测上，当电气设备发生局放时，使用光纤探头在电机内部采集超声信号，从而避免超声波信号由于传播途径复杂导致信号衰减严重的缺陷，大大提高了检测灵敏度。

本文提出了一种基于光纤传输超声测量的电机定子线棒局放离线检测方法，其主要结构如图2
所示。

其中，柔性复合探头将采集到的电机定子线棒超声波信号转换为光信号，通过光纤传输至测试主机。

主机设计时应具备通过信号测量带宽、设置触发阈值、触发方式变更等方式来降低外界干扰信号的能力。

为及时查明局放缺陷类型，主机具备Q-φ统计图、N-φ统计图、PRPD图、PRPS图、频率相关图、时频图等图谱显示功能。

绝缘杆采用可伸缩设计，最大长度超过5 m，通过交替在汽励两侧分别进行测试，可满足1 000 MW及以下大型汽轮发电机定子线棒局放的现场测试工作；绝缘杆绝缘强度超过100 kV，可有效保证检测人员测试时的安全。

现场实际测试时，主要过程如下：
（1）查阅发电机图纸并按照顺序对定子线棒进行编号，根据定子线棒的实际长度，按照间隔0.3～0.5 m在定子槽内直线段选取测试点，测试点位置应尽量固定，便于后续比对分析测试结果。

必要时，可记录定子线棒直线段全长的局部数据。

（2）利用串联谐振设备将发电机A相电压升高至额定相电压，其余两相绕组接地。

（3）按照图2所示完成设备接线和组装工作。

试验人员应提前查看端部状况，选取合适测量位置后，抬起延长杆，将延长杆顶端的传感器放置在定子槽楔上方，逐槽进行扫描并记录测试点处的超声波幅值，完成测量后，对数据进行横向和纵向对比。

必要时，对于幅值异常增长点开展复测。

（4）完成A相测量后，参照A相试验流程，对B、C两相进行测量。

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实际测试情况
为验证本方法用于定子线棒局放故障定位的准确性，使用本装置对定子线棒内部放电、端部放电和槽间放电等不同放电类型进行了模拟故障波形采集与分析。

为验证超声传感器检测局放的可靠性，在每组试验中除测量故障点的超声波形外，还分别采集了距故障点10、20、40 cm处相应位置的超声波形进行对比，测试结果如表1所示。

以内部放电故障为例，故障点处和距故障点10、20、40 cm处的超声检测波形如图3至图6所示。

由表1实测数据可知，当定子线棒发生放电时，在故障点附近超声检测波形的幅值有明显增加，为背景值的50～200倍；当逐渐远离故障点时，超声检测波形的幅值迅速下降，当距离故障点超过20 cm时，超声波形的幅值下降至背景幅值，验证了采用超声测量光纤传输巡检的方法可及时发现定子线棒放电缺陷并准确定位缺陷点的位置，定位精度极高。

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结论及建议
针对电机定子线棒局放的检测定位技术，本文在充分分析定子线棒典型结构、绝缘结构设计和制造工艺的基础上，根据局放发生位置的不同将电机定子线棒局放类型分为3种类型。

同时针对传统在线监测和离线检测存在的缺陷和不足，提出
了基于超声测量光纤传输的电机定子局放故障检测和精准定位方法，在此基础上研制了相关设备，并经实际定子线棒模拟故障测试验证了装置具备局放缺陷检测和精准定位能力。

在后续行业内推广应用时，建议开展以下几项工作：
（1）为保留定子线棒超声检测的初始数据，宜在电机第一次大修时进行一次全面检测并记录每个测试点的幅值，后续电机大修、怀疑存在绝缘缺陷、开展老化状况评估时，再次开展超声检测并与初始数据进行比对，实现对电机绝缘状态的定量比较和评估。

（2）定子绕组全部更换或部分更换后应开展本试验，作为初始数据留存。

（3）无初始数据比对时，可以在相同环境下，利用电机同个定子线棒不同部位的放电强度、不同定子线棒相同部位的放电强度、同个线棒相同部位不同测试时间的放电强度等进行横向或纵向比对，当超声波形幅值有明显增加时，应及时处理。