西門子發(fā)電機(jī)早期故障診斷分析

華能邯峰發(fā)電廠 李西哲

關(guān)鍵字：發(fā)電廠；局部放電；端部繞組振動；轉(zhuǎn)子繞組匝間短路

1 前言

西門子發(fā)電機(jī)狀態(tài)診斷分為離線診斷和在線診斷。離線診斷的測量具體內(nèi)容：停機(jī)前數(shù)據(jù)采集、專業(yè)工程師的可視檢查、絕緣電阻和極化指數(shù)、繞組直阻、直流充電電流和泄漏電流、直流耐壓、離線局部放電、介損試驗(yàn)、靜子線棒和鐵芯之間的接觸電阻、貫穿螺栓的絕緣電阻、靜子鐵芯低磁通試驗(yàn)、靜子鐵芯高磁通試驗(yàn)、槽楔松緊度試驗(yàn)、靜子端部繞組模態(tài)分析。轉(zhuǎn)子絕緣電阻、轉(zhuǎn)子繞組直阻、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路試驗(yàn)（RSO重復(fù)沖擊試驗(yàn)）、離線轉(zhuǎn)子磁通試驗(yàn)、阻抗試驗(yàn)、磁極平衡、護(hù)環(huán)著色和超聲波檢查、其它部件的無損探傷試驗(yàn)（軸頸、軸承殼、風(fēng)扇葉片）。在線診斷又分為連續(xù)在線測量和定期在線測量。本文重點(diǎn)介紹連續(xù)在線測量。

局部放電和端部繞組振動本身具有偶發(fā)性、間斷性、低電壓、交叉耦合的工作屬性，對早期發(fā)現(xiàn)增加了難度，而西門子SIEMON plus在線監(jiān)視系統(tǒng)可以有效地解決該問題，該系統(tǒng)可以將發(fā)電機(jī)、主變、高廠變和脫硫變局部放電的監(jiān)視整體納入其中。目前，全球超過100臺西門子發(fā)電機(jī)裝有該系統(tǒng)，值得我們學(xué)習(xí)、借鑒。

2 局放類型和干擾源

發(fā)電機(jī)中的局部放電主要有繞組主絕緣內(nèi)部放電(內(nèi)部空腔、內(nèi)部分層和“電樹枝”化)，端部放電（表面放電、相間放電和導(dǎo)電顆粒）及槽部放電(含槽部電暈)三種，都是由于局部強(qiáng)電場造成的，而弧光和火花現(xiàn)象是由于電流的中斷引起的，涉及到高能量和高溫度，將導(dǎo)致絕緣材料的快速劣化，產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖，也能被局放檢測系統(tǒng)檢測到。

對于在線局放的測量，一個重要的挑戰(zhàn)是：繞組局放要避免受到電噪音或外部干擾的影響。由于電干擾脈沖的頻率和量級甚至大于靜子繞組的局放脈沖，而且鎖相到交流電源電壓信號，如果不能適當(dāng)?shù)丶右砸种疲蛘咴囼?yàn)技師不能適當(dāng)?shù)罔b別什么是干擾、什么是靜子局放，就會存在誤判的風(fēng)險(xiǎn)，誤認(rèn)為靜子存在嚴(yán)重的絕緣問題，而實(shí)際上其狀態(tài)良好，我們將其稱之為“假陽性”。

2.1 噪音和干擾源

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TS－60034－27，噪音被定義為非靜子繞組脈沖信號，噪音也可能是局放檢測系統(tǒng)本身電子裝置產(chǎn)生的，例如熱噪音來自半導(dǎo)體裝置。噪音也可能來自無線電臺、無線發(fā)射機(jī)、手機(jī)、線路載波等，通過示波儀或過濾器，這些噪音信號很容易和局放脈沖信號區(qū)分開來。

干擾是持續(xù)時(shí)間較短的電脈沖,可能具有許多靜子繞組局放脈沖的特性，但事實(shí)上不是靜子繞組局放。一些干擾與交流周期分量同步，一些不同步。有時(shí)，依據(jù)相位角的位置，同步干擾脈沖能夠得到抑制。

同步干擾：電除塵器或套管放電引起的局放；使用電動工具，像弧焊、換向器火花（也可能不同步）；電子器件產(chǎn)生的瞬變現(xiàn)象，如變頻驅(qū)動電機(jī)、勵磁系統(tǒng)。這個干擾也可能和交流周期分量不同步；母線處連接不良（出現(xiàn)接觸火花）或旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電源電纜連接不良；發(fā)電廠其它地方存在連接不良，出現(xiàn)接觸火花；連接到電動機(jī)/發(fā)電機(jī)出口部件上的局放，如封閉母線、電纜、開關(guān)和變壓器；電動機(jī)/發(fā)電機(jī)內(nèi)部弧光或火花源頭，如靜子鐵芯層間火花。

非同步干擾：使用電動工具（弧焊、換向器火花）；電子器件產(chǎn)生的瞬變現(xiàn)象，如變頻驅(qū)動電機(jī)、勵磁系統(tǒng)；電機(jī)轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)火花；機(jī)房天車電源滑線打火。

以上所列干擾源產(chǎn)生的電脈沖很容易和靜子繞組局放相混淆。為了降低靜子繞組“假陽性”顯示的風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)開發(fā)出許多方法以幫助用戶手動/自動隔離干擾信號。

2.2 干擾隔離

干擾隔離包括頻域隔離（HF:3MHz－30MHz、VHF:30MHz－ 300MHz、UHF:300MHz－300GHz）、時(shí)域隔離、時(shí)域和頻域隔離的結(jié)合、門閘隔離、手動/自動放電模式辨識隔離。部分屬于快速發(fā)展的領(lǐng)域，本文不做詳述。

3 發(fā)電機(jī)SIEMON plus在線監(jiān)視系統(tǒng)

SIEMON plus在線監(jiān)視系統(tǒng)具有四個功能：局部放電監(jiān)視（PD）、端部繞組振動監(jiān)視（EWV)、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路監(jiān)視（ISC）、關(guān)聯(lián)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

圖1 SIEMON plus監(jiān)視縱覽

從圖中可以看出，SIEMON plus監(jiān)視系統(tǒng)主要由采集單元（AU）、振動傳感器、磁通探頭、射頻電流轉(zhuǎn)換器（耦合電容）、服務(wù)器、上位機(jī)診斷系統(tǒng)和遠(yuǎn)方控制診斷中心組成，同時(shí)，采集單元將故障信息上傳至DCS。采集單元（AU）有壁掛式和19英寸兩種型號可供選擇。服務(wù)器有獨(dú)立臺式機(jī)、18MF柜體（適用于19英寸采集單元）和便攜式電腦可供選擇，經(jīng)光纖電纜連接到采集單元，實(shí)現(xiàn)了電隔離。一個服務(wù)器可同時(shí)連接20個采集單元并和上位機(jī)診斷系統(tǒng)形成一體化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制診斷。

3.1 局放在線監(jiān)視

發(fā)電機(jī)每相安裝兩個局放傳感器，一個可選擇安裝在中性點(diǎn)柜體處，另一個安裝在遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)出線端處，以采集定向的脈沖信息。局放傳感器的安裝和連接應(yīng)注意：不能降低靜子繞組和出口母線的絕緣性能，而且要滿足帶電安全距離的要求。應(yīng)滿足現(xiàn)場溫度、振動和短路瞬態(tài)的要求。安裝環(huán)境滿足污染和濕度標(biāo)準(zhǔn)的要求，以防止表面污染放電甚至閃絡(luò)。局放傳感器本身的連接端頭不能產(chǎn)生局放。局放傳感器以及連接端頭不能存在電磁感應(yīng)線圈。連接到高壓端和接地端的局放傳感器的引線長度應(yīng)盡量縮短，電感要低，尤其要注意連接質(zhì)量，以防止振動引起的松動。局放測量裝置和傳感器之間采用光纖電纜連接，以防電磁噪音引入。

對局放量級或其他參數(shù)進(jìn)行趨勢化處理時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行信息也應(yīng)該自動采集并存儲，如靜子電流和電壓、有功功率/無功功率、繞組溫度（RTD）、一次水溫度、冷卻氣體的溫度和壓力、機(jī)內(nèi)冷卻氣體濕度，這些信息對于隨后評估靜子繞組的狀態(tài)有指導(dǎo)意義。機(jī)組的運(yùn)行信息是由多通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）從電廠DCS系統(tǒng)采集并連接到SIEMON plus服務(wù)器，最終接入終端PC。

連續(xù)在線局放測量系統(tǒng)投運(yùn)前，需要進(jìn)行初始基準(zhǔn)局放測量，它顯示的是絕緣系統(tǒng)的狀態(tài)，這就相當(dāng)于發(fā)電機(jī)絕緣材料局放的“指紋”，是將來趨勢分析的基礎(chǔ)，其大小取決于絕緣材料的好壞。對于新投運(yùn)發(fā)電機(jī)，最初的“指紋”是最好的，但需要注意的是：達(dá)到5000～10000運(yùn)行小時(shí)數(shù)后，新繞組的局放通常會穩(wěn)定下來。也就是說：隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化，新繞組的局放“指紋”數(shù)值可能比隨后的測量值高。

如果條件允許，在不同負(fù)荷和溫度條件下記錄局放的讀數(shù)。如圖二所示，可以被視為一個局放在線基準(zhǔn)測量的典型例子，依據(jù)測量順序改變發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，從點(diǎn)1開始增加負(fù)荷，從點(diǎn)3開始減負(fù)荷。

圖2 連續(xù)負(fù)荷和溫度狀態(tài)下，推薦的局放在線基準(zhǔn)測量試驗(yàn)步驟

（1）低負(fù)荷、熱穩(wěn)態(tài)繞組局放測量；

（2）快速升負(fù)荷后，高負(fù)荷局放直接測量；

（3）高負(fù)荷、熱穩(wěn)態(tài)繞組局放測量；

（4） 高負(fù)荷、無功明顯變化、熱穩(wěn)態(tài)繞組局放測量；

（5）快速降負(fù)荷后，低負(fù)荷局放直接測量。

快速升負(fù)荷到達(dá)點(diǎn)2，快速降負(fù)荷到達(dá)點(diǎn)5后，應(yīng)該立即進(jìn)行局放測量。待溫度穩(wěn)定下來后，應(yīng)該進(jìn)行點(diǎn)1、3、4局放測量，如果有功無法改變，則需改變無功，以提供最小的靜子電流變化。為了反映負(fù)荷變化對局放的影響，高低負(fù)荷的差值應(yīng)為額定負(fù)荷的50%。發(fā)電機(jī)首次并網(wǎng)前，如果條件允許，在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下測量其局放，此時(shí)，局放僅受到磁場分布的影響，更容易發(fā)現(xiàn)絕緣隱患。

3.2 在線局放測量的分析解釋

局放通常是一個故障過程的征兆，而不是直接原因。詳細(xì)說明一個局放量的等級是不可能的，但可以確認(rèn)該位置存在較高的絕緣故障風(fēng)險(xiǎn)。不管怎樣，利用各種信息對在線局放測量結(jié)果給出一個合理的解釋是完全可能的，這不僅包括在線局放測量數(shù)據(jù)，而且包括發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)知識、維修記錄、可視檢查、各種離線試驗(yàn)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和專家經(jīng)驗(yàn)等。

通常，在線局放測量的分析解釋分兩步完成，第一，如果有絕緣問題，重要的是知道下一步的維修計(jì)劃安排；第二，如果顯示有明顯的局放行為，要通過詳細(xì)評估確定局放源頭。劣化程度和絕緣故障風(fēng)險(xiǎn)主要取決于局放的類型，關(guān)鍵是有正確的局放信息。

在線局放測量的分析解釋就是：依據(jù)初始“指紋”來評估局放參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢。局放脈沖的量級Qm（V）、集成電荷、放電電流、放電時(shí)間（ToF）、二次率、局放功率、局放能量和統(tǒng)計(jì)量NQN，都可以被用作趨勢分析。通常，隨著時(shí)間的推移，如果繞組的狀態(tài)穩(wěn)定，那么趨勢參數(shù)也表現(xiàn)穩(wěn)定。如果發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間繞組劣化，Qm就會增加，如果一年內(nèi)Qm成倍增加，說明繞組出現(xiàn)了明顯劣化。接下來通過離線試驗(yàn)和可視檢查進(jìn)一步確認(rèn)。影響局放行為的主要運(yùn)行因素包括：負(fù)荷狀態(tài)、運(yùn)行方式、冷卻系統(tǒng)、內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)，不再詳述。

3.2.1 相控解析局放模式（PRPD）典型波形圖

相控解析局放模式的典型波形圖（見圖三），用于查找靜子繞組絕緣系統(tǒng)存在的缺陷。需要注意的是：下面未涉及到的局放波形圖也可能來自其它局放源，用戶應(yīng)該綜合考慮各種因素，特別是在線測量時(shí)，可能出現(xiàn)不同局放模式的疊加，也可能出現(xiàn)形狀、頻率或其它特征的變化。

a)電源頻率

b)內(nèi)部分層局放

c)槽內(nèi)表面局放

d)相鄰導(dǎo)體的局放

e)相間局放

f)相間局放

g)端部繞組金屬物

圖3 相控解析局放模式的典型波形圖

在線測量期間，檢測到的局放模式可能和上圖相比較有偏差，但大體可以判斷：

如果局放脈沖主要出現(xiàn)在電壓波形的負(fù)半波范圍內(nèi)，而且量級Qm（V）較大（見圖三c）），原因：槽內(nèi)線棒振動，造成線棒松動，損壞槽內(nèi)導(dǎo)電涂層。通常負(fù)荷較高時(shí)更明顯。

如果局放脈沖主要出現(xiàn)在電壓波形的正半波范圍內(nèi)，而且量級Qm（V）較大，原因： 估計(jì)局放點(diǎn)位于或靠近銅導(dǎo)線，而且主絕緣和銅導(dǎo)線之間粘接出現(xiàn)松脫（見圖三d）），對于多匝線圈，有可能是匝間絕緣和主絕緣之間粘接出現(xiàn)松脫。

如果局放脈沖出現(xiàn)在電壓波形的正、負(fù)半波范圍內(nèi)，而且量級Qm（V）相同（見圖三b）,e),f),g）），原因：估計(jì)局放點(diǎn)是端部繞組的表面放電，或者主絕緣內(nèi)部空腔或?qū)与x放電。

請注意圖三 e),f)，如果發(fā)生相間局放，在某一相檢測到的局放會傾向于右移（接近電壓波形零點(diǎn)），相反，在另一相檢測到的局放會傾向于左移（接近電壓波形峰值點(diǎn)）。

在線測量期間，可能出現(xiàn)非同相交叉耦合的情況，從而對局放模式產(chǎn)生明顯影響，通常使單個局放源的鑒別復(fù)雜化。

內(nèi)部空腔放電。在主絕緣內(nèi)留有一個氣隙，它們是制造過程中產(chǎn)生的，并不表明絕緣老化。正常情況下，內(nèi)部放電不會導(dǎo)致明顯老化。其PRPD模式波形圖主要特征是：正、負(fù)局放對稱，且呈現(xiàn)圓形。

內(nèi)部分層放電。在主絕緣內(nèi)留有一個縱向細(xì)長的氣隙。產(chǎn)生的原因：過熱或嚴(yán)重機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致主絕緣層的大面積層離。其PRPD模式波形圖主要特征是：正、負(fù)局放對稱，且呈現(xiàn)三角形。

導(dǎo)體和主絕緣之間的分層放電。在主絕緣和高壓銅導(dǎo)體之間留有一個縱向細(xì)長的氣隙。產(chǎn)生的原因和內(nèi)部分層放電的原因相同。此種缺陷一側(cè)為銅導(dǎo)體，另一側(cè)為絕緣，其PRPD模式波形圖也不對稱，負(fù)局放在幅值和數(shù)量大于正局放。

槽部局放。位于靜子線棒外表面和槽部鐵芯之間氣隙處，產(chǎn)生的原因：防電暈涂層（OCP）缺失；線棒外表面和槽部鐵芯之間出現(xiàn)電接觸，線棒和鐵芯表面之間的銹垢是長時(shí)間處于槽部局放環(huán)境所造成的。此種缺陷一側(cè)為線棒絕緣，另一側(cè)為鐵芯，相應(yīng)的PRPD模式也不對稱，正、負(fù)局放次數(shù)相同，正局放偏大，幅值大小約為1：3，圖形呈現(xiàn)三角形。但應(yīng)注意：其PRPD模式的不對稱性可能不明顯，這是因?yàn)閷?dǎo)電表面的電阻變大，而絕緣表面的導(dǎo)電性變強(qiáng)。

端部繞組放電。分為電暈、表面跟蹤放電和間隙型放電。如果磁場分級系統(tǒng)不合適，槽部涂層和端部應(yīng)力分級涂層的交接處就會發(fā)生電暈，導(dǎo)致局部電磁應(yīng)力偏高，電暈長期侵蝕會導(dǎo)致絕緣劣化，相對應(yīng)的PRPD模式不對稱，正局放明顯大于負(fù)局放，圖形呈現(xiàn)園形。其次，絕緣表面受到污染，沿著端部繞組懸垂部位就會出現(xiàn)表面跟蹤放電，其具有偶發(fā)性，主要受溫度和濕度的影響。最后，在端部繞組懸垂部位兩個線棒之間，或者靜子鐵芯壓指和某個線棒之間會發(fā)生間隙型放電，最終導(dǎo)致絕緣劣化，相對應(yīng)的PRPD模式的主要特征：幅值相對恒定的水平局放云，在電壓正、負(fù)半波范圍都會出現(xiàn)。

當(dāng)具備條件時(shí)，為了確保PRPD模式鑒別的真實(shí)性，應(yīng)進(jìn)行可視檢查以便于驗(yàn)證。PRPD模式是一個有用的工具，但是，用戶應(yīng)注意外部因素的影響，有時(shí)，多種局放模式的疊加、相間和噪音的交叉耦合對PRPD影響很大，使鑒別變的很困難。

3.3 端部繞組振動在線監(jiān)視

引起端部繞組振動的原因包括：靜子鐵芯以二倍頻振動（鐵芯橢圓）；端部繞組所受的電動力；軸和軸承振動；相間短路、雷擊和非全相運(yùn)行。端部繞組振動造成的危害：整體裝配松動，受影響部件的摩擦和破裂。

端部繞組振動傳感器采用12-16芯光纖加速度傳感器（FOA），汽、勵兩側(cè)各布置6-8個傳感器。靈敏度：100mV/g。測量范圍：0～40g。傳感器的安裝位置充分考慮了離線模態(tài)分析（敲擊試驗(yàn)）。

端部繞組振動檢測分析：同時(shí)采集16個通道的數(shù)據(jù)，振動測量單位μm。能夠?qū)崿F(xiàn)快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）。可將50/60、100/200HZ和任選諧波加入到振動趨勢中。振動趨勢可以關(guān)聯(lián)運(yùn)行參數(shù)（如有功、無功功率等）。實(shí)現(xiàn)端部繞組動態(tài)評估并確定其變化趨勢。可視化的柱形圖和旋轉(zhuǎn)瓣圖（模態(tài)插入MIW）。

振型的的模態(tài)插入：振動傳感器安裝在端部繞組的中間部位或繞組過線連接處，同時(shí)記錄所有的測量信號。振動傳感器的測量方向?yàn)閺较颉亩鴮?shí)現(xiàn)：在線模態(tài)分析；旋轉(zhuǎn)和靜止振動方式的可視化；端部繞組結(jié)構(gòu)的機(jī)械狀態(tài)顯示在振動趨勢中，同時(shí)關(guān)聯(lián)了機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。見圖四、圖五、圖六。

圖4 在線模態(tài)分析

圖5 振動趨勢

3.4 轉(zhuǎn)子繞組匝間短路在線監(jiān)視

匝間短路的原因：匝間絕緣相對移動引起的老化，主要是層間絕緣錯位和層間絕緣失效；污染（氯化銅）引起的層間導(dǎo)體短路；轉(zhuǎn)子端部支撐塊的松動引起繞組扭轉(zhuǎn)變形。

圖6 關(guān)聯(lián)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

實(shí)施背景：汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受到機(jī)械力、電磁力和熱應(yīng)力的共同作用，經(jīng)數(shù)年運(yùn)行后有故障損壞的風(fēng)險(xiǎn)，電氣故障包括匝間短路、線匝短路和繞組對地短路。

造成的后果：磁場強(qiáng)度降低，從而需要增加勵磁電流進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)造成溫度分布不對稱。磁場變形引起轉(zhuǎn)子受力不對稱。轉(zhuǎn)子振動增加，發(fā)電機(jī)效率降低。

匝間短路在線檢測分析：在靜、轉(zhuǎn)子之間氣隙處裝有磁通探頭用于監(jiān)視轉(zhuǎn)子繞組磁通量，通過極與極的磁通量比較進(jìn)行評估，可以顯示轉(zhuǎn)子繞組匝間短路槽的具體位置。采用100 KHz采樣頻率，24位分辨率。

4 案例

2015年6月份2號發(fā)變組局放監(jiān)視系統(tǒng)后臺診斷中心（PDC）發(fā)出報(bào)警，信息發(fā)至技術(shù)人員，分析顯示：部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)才有局部放電，并和溫度和震動有關(guān)。PRPD模式和波形發(fā)生不規(guī)律變化，不能確定局放特征，但可以排除靜子繞組局放的可能性。

放電時(shí)間（ToF）測量顯示局放源頭來自發(fā)電機(jī)內(nèi)部而非外部設(shè)備，可能的部件是出線套管。機(jī)組停運(yùn)后，離線局放試驗(yàn)證實(shí)：局放點(diǎn)位于出線套管。更換出線套管后局放行為消失。隨后解體出線套管發(fā)現(xiàn)：無頭接地螺栓接地效果不好是造成本次缺陷的原因(圖七)。

圖7 無頭接地螺栓局放

5 結(jié)論

陳述的內(nèi)容屬于國外電氣設(shè)備檢測及管理新技術(shù)（在線監(jiān)測、絕緣老化與壽命評估、故障診斷、帶電檢測）。SIEMON plus在線監(jiān)視系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)視發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)時(shí)提供端部繞組承受的熱應(yīng)力信息；幫助優(yōu)化發(fā)電機(jī)檢修計(jì)劃，縮短檢修時(shí)間，避免非計(jì)劃停運(yùn)，是狀態(tài)檢修的“好幫手”。大量的實(shí)例圖片未在本文體現(xiàn)，但其具有廣泛的代表性，對發(fā)電機(jī)故障的定性具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。