第五章 发电机的在线监测

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图中Cg为绕 组等值电容、Cx 为系统侧的等值 电容、Ck为耦合 电容器、Cr为抑 制环流用电容器 ；pG为校正脉冲 发生器、Co为注 入校正脉冲用电 容器，注入电荷 量取5000pC；M 为局部放电测试 仪。
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由图10-8所示的曲 线可看出，在绕组 局部放电在线监测 的模拟试验中，如 传感器装于耦合电 容器接地侧，即图 10-8(a)中A处，检 出的灵敏度低于当 传感器装于电缆处 ，即图10-8(a）中 的B或C处；并且无 论其系统侧的等值 电容C。如何改变， 都有此试验结果。 另外，灵敏度与Ck， Cx的数值有关。
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环氧粉云母带弹性小、容易包紧，其厚度 和耐电强度的分散性小。缺点是机械强度很小 ，并且在集中负荷的作用下很容易损坏。使用 热固性黏合剂可以克服在工作温度下的流动和 变形，使之具有较好的综合机械特性和很强的 黏合力，当温度升高到工作温度时，其性能不 会明显变化，仍能保持良好的整体性。玻璃布 用作补强材料，有强度。较高的耐热性和机械 。 发电机在运行过程中受电、热、机械、环 境等因素的影响，绝缘结构逐渐产生缺陷而导 致绝缘故障，常见的绝缘故障有：
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成漏水引发绝缘击穿事故。 (5)定子端部焊接不良 定子绕组端部并头套 焊接不良(假焊、虚焊)以及断股，运行中致使发 热开焊烧损绝缘。 (6)转子线圈匝间短路 转子因端部工艺难度 较大，自身机械强度较低，在运行过程中易发生 匝间绝缘损伤，从而引起匝间短路。
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5.1 发电机的预防性试验
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国外测量槽部放电时所用的框图如图10-7所 示，由于对放电器强度、脉冲次数、频谱等都作了 记录，因而便于观察放电的性质、区分放电的部位 等。
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对旋转电机的局部放电进行在线监测，应根据现场 的情况，电流传感器或装于电机的接地侧、或装于耦合 电容器或电缆的接地侧。为研究安装于不同处时的灵敏 度，得到图10-8所示的试验结果。
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C 高频天线法
研究表明，任何一台好的发电机都有一定的基准 电晕放电和基准局部放电，其大小因不同时刻和不同 的发电机而异。而危害性的放电脉冲，如严重的局部 放电、火花放电、电弧放电的脉冲上升时间比基准放 电脉冲更短，从而产生频率高得多的电磁波信号，可 达到几百MHz，甚至达到数千MHz。 通常频率高于4MHz的电磁波信号可以从绕组的放 电处空间辐射出来，而不像较低频段的电磁波信号只 能沿绕组传递。对这种辐射信号可以用安装在发电机 外壳内或外部的紧靠外壳空隙处的高频天线来监测。
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1一定子 2一转子 3一端盖轴承 4一油密封 5一轴承瓦 6一电刷罩 7一冷却水管
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发电机绝缘结构主要包括槽绝缘、匝间绝缘和 端部防晕。发电机槽中的绝缘厚度(包括导线绝缘、 匝间绝缘和对地绝缘等)是影响槽满率的主要因素。 大型汽轮发电机的线棒，由于处于同一槽中仅上、 下两线棒，各自的对地绝缘(主绝缘)在上、下两线 棒间组成了足够可靠的线棒间绝缘，不存在匝间绝 缘问题。大型发电机的对地绝缘厚度较厚，如能减 薄，则可显著提高槽满率，减少发电机的体积和重 量。 发电机绕组绝缘结构基本采用连续式结构。所 谓连续式绝缘是指整个绕组均采用绝缘带半叠绕而 成。以前用沥青云母带浸胶连续绝缘，现在用玻璃 布补强的环氧粉云母带连续式绝缘。
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5.2.1 发电机放电的在线监测
在电场的作用下，发电机绝缘中由于各种因 素产生的电气故障都呈现出放电现象。随着绝缘 进一步老化，放电加剧，发电机的绝缘剩余寿命 减少。测量发电机的放电不仅可以提供早期故障 的报警信号，而且还可以提供绝缘剩余寿命的信 息。发电机内部的放电主要有： (1)槽部放电 定子线棒槽部防晕层与铁心之 间的气隙中的放电称为槽部放电。这时放电波形 中的正极性脉冲常大于负极性，而且放电次数随 负荷而变动。
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随着科学技术的发展，光纤温度传感器已 开始用于发 电机内部转子温度测量。其基本原理是在转子表面用荧光 涂料喷涂成一个环状，这种涂料在紫外线照射时，将随温 度而发生荧光，并随时间而衰减，温度越高衰减时间越快 。光纤通过定子将紫外线聚焦在转子表面荧光涂料环上， 使涂料发射荧光，同时接收光纤将这些带有温度信息的荧 光传输到监测系统，即可得到转子表面的温度分布。 发电机内部最高温度点测量技术目前尚不成熟。设计 和运行经验表明，定子端部绕组是发电机中的局部最热点 。发电机的整体热状态可以通过平均温度来反映，平均温 度测量可以通过热电偶测量人口和出口处冷却介质温度的 方法得到。发电机上都装有这样的测温装置，当发电机过 负荷或其冷却系统工作不正常时，可以及时显示出来。
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B 耦合电容法
耦合电容法是在发电机定子绕组的出线端通过一耦 合电容与脉冲高度分析器相连，对放电脉冲的时域特性进 行分析的一种方法。其测量原理如图10-6所示。
这里所用的脉冲高度分析器由阈值上下限电路与单稳等 电路构成，考虑到足以捕捉上升时间为1～10ms级的局部放电
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根据实测经验，对600MW左右容量的大型汽轮发电机 在用1MHz射频测试仪于中性点在线监测时，建议的判 别原则为： （1）正常时，射频测量仪的测量值常小于 300µV 。 （2）当达到500～100µV时，已可能有l～2根 导线断股，或者有电弧放电。 （3）当达到3000µV时，可能有6根左右导线断 股。 如果该射频测量仪的测量值大于lOOOµV时，宜进 一步观察此测量值是否随负荷而变动。如果当负荷减 小时此测量值显著降低，说明该发电机里有因电弧放 电而损伤的股线，需停机检修。
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图10-12所示的是一种将高频天线装在发电机转子 上的局部放电在线监测方法，它通过滑环将接收到的局 部放电信号送到信号处理单元。也有将高频天线安装在 发电机轴的中心线的延长线上，由于采用了很高的频段 (如1～6GHz)，常见的背景干扰已较小，能明显区分何 处。局部放电。
5.2.2 发电机温度的在线监测
电力传感与检测பைடு நூலகம்术
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5.2 发电机的在线监测
发电机转子绕组通过气隙与定子绕组进行电磁耦合 将机械能转化为电能，发电机的这种工作原理决定了其 结构和运行的弱点。发电机最常见的故障有定子铁心故 障、定子绕组故障、定子绕组股线故障、定子端部线圈 故障、转子本体故障、转子绕组故障、冷却水系统故障 等。 无论哪种故障都会按一定的模式或机制发展，即从 最初的缺陷发展成为故障，在劣化的过程中总有一些特 征量可以反映劣化的情况。对于发电机的绝缘来说，在 运行过程中它将受到电、热、机械以及环境的影响，使 其逐步老化，导致寿命终结。在这过程中均可通过一定 的方法进行监测，如图10-2所示。
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及其相应的测量装置可以在线监测其电流，其测 量原理如图10-3所示。
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测量回路中高频电流互感器(或罗可夫斯基线圈)套在定 子星形绕组的中性点引线上，通过电流互感器把放电产生的 电磁波信号取出来，再用一个准峰值的无线电干扰场强仪 (RIFl)或无线电干扰仪(RIV)来监测这个信号。电流互感器 的响应频率为30kH～30MHz。 在零序电流的频谱中往往可看出有三个比较明显的分别 由整相绕组的电感和电容所引起、由每个线圈的电感和电容 所引起和由一相绕组的电感和零序电流互感器的电容所引起 的频率分量。有资料介绍，对于容量为500MW及以上的汽轮 发电机，这三种频率分别为50kHz,370kHz及1MHz左右。不少 国家已在大型汽轮发电机上安装了固定频率(如1MHz)的中性 点射频在线监测仪。
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(2)表面防晕层放电 这时虽然正极性的脉冲也常大于 负极性，但放电过程比槽部放电缓慢，而且后期也往往发 展成槽部放电。 (3)绝缘层内部的局部放电 这时正、负极性的放电脉 冲大体上相同。 发电机放电的在线监测有中性点射频法、耦合电容法 和高频天线法等。
A 中性点射频法
当定子绕组线棒出现导线断股时，将出现间歇性电弧 ，产生频带很宽的按指数规律变化的高频衰减电流波形， 其中一部分传向定子星形绕组的中性点。采用装于中性点 上的射频电流互感器
发电机是电力系统的心脏，它能否可靠工作，直接影 响发供电的可靠性。发电机在制造过程中，绝缘可能受到 损伤；在运行过程中，会不断受到振动、发热、电晕、化 学腐蚀的作用，使其各个部件逐渐老化，直至损坏。为了 及早发现发电机的绝缘缺陷，对发电机进行预防性试验是 十分必要的，根据《规程》规定，发电机预防性实验主要 项目见表10-1（容量6000KW及以上的发电机） 发电机不但在出厂前要严格进行试验，而且必须根据 绝缘状况定期进行预防性试验，以免在运行中出现重大事 故。对大型发电机更希望有合适的在线监测装置，以便及 时发现缺陷。如果不是整台电机的绝缘寿命将尽，而仅仅 是局部或个别线棒绝缘性能低下，则可及时更换线棒。
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图10-9给出了一台已运行约8万h的高压电机的在线监测结果， 不但在更换绝缘前后，测得的最大放电量qm有很大差异，而且在更 换绝缘前后，其测值还随负荷电流而急剧增大，当起动时可出现最 大值。在这种情况下，此测值与固定是否结实密切相关。
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如前所述，局部放电的高频脉冲沿绕组传播过程将很快衰减，因此 如用耦合电容器配局放仪进行测量，最好尽量靠近局部放电源。如将耦 合电容器成对地接到差分放大器上，可将来自电源等的外来干扰大大削 弱，如图10—10(a)中，几乎没有输出。而当被试电机绕组绝缘中发生 局部放电时，如A点处的脉冲比B点早进入差分放大器，于是放大器将有 图10—10(b)所示的输出。
脉冲，分析器的响应带宽为80MHz。耦合电容器永久 地装在发电机的端部各相的环形母线上，安装上这种 耦合电容还可以保证系统免受外部供电系统的放电信 号所产生的干扰的影响。 利用这种方法可以定期对发电机进行监测，可以监 测到定子槽部放电和绕组绝缘劣化过程。用耦合电 容法进行局部放电测量，应尽量靠近局部放电源， 如将耦合电容器成对接地到差分放大器上，可大大 抑制来自电源等的外来干扰。
第五章 发电机的在线监测
发电机的基本结构包括定子、转子、轴承装置 、底板、其他附属结构等。同步发电机是当今主要 动力电源，无论是火力发电、水力发电、核能发电 等均采用同步发电机。目前汽轮发电机的最大单机 容量已达到1500MW，水轮发电机的单机容量已达到 700MW，额定工作电压已达到20kV以上。如图10-1 所示是一个氢气冷却(定子绕组为水内冷)的汽轮发 电机的结构示意图。
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如图10-11给出了一种基于高频天线法进行局部放电监测的 原理图。它从天线上接收信号，信号经放大后再监测。监测 器内有一带通滤波器，其通带在放电噪声的截止频率以上 (350MHz)。在大型汽轮发电机上，使用这种监测器，可以
l一衰减器 2一高频放大器 3一检波器 4一记录仪 5一信号处理单元 6一可调带通滤波器 7一高频天线
发电机额定容量通常是由绝缘所能承受的最高允许 温度所决定的，发电机出厂前主要性能试验之一是进行 温升试验。在运行中对发电机各部分进行温度监测是十 分重要的。
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发电机温度测量有两种基本方法，即用埋人式检 温元件测量发电机内部某些部位的局部温度和测量发 电机内温度分布并计算平均温升。 在设计和制造过程中，为了监测发电机有效部分 的温度，在定子绕组或定子铁心之中常预埋热电偶或 电阻式检测计类的测温元件，这些测温元件还可以埋 在运行的轴承中监测发热情况。这种方法的缺点是热 电偶和电阻式检温计必须与发电机的带电部分绝缘， 因为它们都是由金属构成的，不能直接安放在定子绕 组的最热部位，而不得不安放在定子线棒的绝缘层外 ，由此产生的温差可通过热阻公式进行计算。
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(1)定子绕组绝缘击穿 定子绕组绝缘击穿约占 发电机事故的30％以上，主要是由于绝缘老化、磨 损、受潮导致电气和机械强度降低引起的。 (2)定子相间短路 主要是由于定子绕组端部 绝缘有缺陷而造成相间击穿，定子绕组端部手包绝 缘是发电机绝缘的薄弱环节。 (3)定子绕组空心导体内堵塞 定子绕组空心 导体由于堵塞冷却水流通不畅，致使局部绝缘过热 。 (4)发电机定子、转子漏水 发电机的定子和 转子的引水管及连接件在运行中发生破裂，造