水輪機組診斷性試驗與狀態(tài)趨勢預(yù)測

蔣志松，李奇艷，羅周維，彭威龍

（1.湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

水電機組的安全可靠運行關(guān)系到電廠、電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性[1]，而發(fā)電機則是整個水電廠中最重要的設(shè)備之一，因此極有必要對發(fā)電機的狀態(tài)進行掌握和診斷，尤其是發(fā)電機絕緣的診斷和預(yù)測。我們常說的故障診斷是事后診斷，是在設(shè)備出現(xiàn)異常或故障后進行診斷和原因分析，往往這時已造成無法挽回的損失，這種方法也與當(dāng)前推行的狀態(tài)檢修理念背道而馳。

一般情況下，設(shè)備的故障多是漸變發(fā)生的，由量變逐步發(fā)展到質(zhì)變，最后引發(fā)故障。因此，我們可以通過發(fā)電機的診斷性試驗以檢測發(fā)電機的絕緣情況及預(yù)測未來一段時間內(nèi)發(fā)電機的狀態(tài)趨勢，提早發(fā)現(xiàn)故障征兆，及時進行相關(guān)處理和修復(fù)，可避免發(fā)電機發(fā)生重大事故，提高發(fā)電機運行的可靠性和安全性，保障電力系統(tǒng)安全運行。

2 水輪發(fā)電機的絕緣狀態(tài)診斷方法

水輪發(fā)電機的診斷性試驗主要圍繞發(fā)電機定子繞組的絕緣而展開。我們知道，絕緣結(jié)構(gòu)是電氣設(shè)備的重要組成部分，它的作用是當(dāng)電氣設(shè)備通電后，隔離導(dǎo)電部分與地，形成電壓差，絕緣結(jié)構(gòu)上承受工作電壓。絕緣結(jié)構(gòu)能否承受工作電壓以及可能產(chǎn)生的過電壓，其性能直接影響到電氣設(shè)備的運行安全和使用壽命。絕緣材料在長期運行后其性能會漸趨劣化，對發(fā)電機定子繞組進行診斷性試驗，可以發(fā)現(xiàn)絕緣結(jié)構(gòu)是否存在缺陷及老化現(xiàn)象，通過評價定子繞組絕緣的狀態(tài)趨勢，可為現(xiàn)場檢修和改造提供重要技術(shù)支撐。

2.1 定子繞組的絕緣電阻阻

絕緣電阻測試是我們最常進行的試驗項目，現(xiàn)場使用最廣泛，它的原理是以絕緣電阻值來表示的穩(wěn)態(tài)漏導(dǎo)電流。

當(dāng)發(fā)電機的絕緣結(jié)構(gòu)清潔、干燥、性能良好時，漏導(dǎo)電流很小，吸收電流則相對較大，測得的絕緣電阻值隨時間的延長而增大，吸收比、極化指數(shù)也較大，這時我們判斷繞組絕緣良好。當(dāng)發(fā)電機的絕緣結(jié)構(gòu)沾污、受潮、老化時，漏導(dǎo)電流增加很多，遠遠大于吸收電流初始值，這時所測發(fā)電機絕緣的吸收比、極化指數(shù)值就會明顯下降，我們認為繞組絕緣不良或有缺陷。測量絕緣電阻對于檢查發(fā)電機絕緣的臟污、整體受潮與貫穿性缺陷反映靈敏。大型發(fā)電機由于電容量較大，其絕緣的吸收過程相對較為慢，可能長達數(shù)分鐘甚至數(shù)十分鐘，故采用吸收比或極化指數(shù)更能準(zhǔn)確的反映絕緣結(jié)構(gòu)的受潮情況。在現(xiàn)場測試時，預(yù)防性試驗規(guī)程要求環(huán)氧粉云母絕緣的發(fā)電機每相定子繞組的吸收比不應(yīng)小于1.6或極化指數(shù)應(yīng)不小于2.0。

2.2 泄漏電流和直流耐壓

泄漏電流試驗也是施加直流電壓，基本原理和絕緣電阻測量一樣，只是施加的電壓高得多，直流耐壓試驗一般與泄漏電流試驗一同進行。由于泄漏電流和直流耐壓試驗電壓較高，它比絕緣電阻試驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)更多的問題，特別是定子繞組的端部缺陷問題。

直流泄漏電流大小通常與絕緣材料的種類、試驗時的現(xiàn)場溫度、絕緣結(jié)構(gòu)的受潮、老化等情況有關(guān)。絕緣良好時，在規(guī)程要求的電壓范圍內(nèi)，發(fā)電機絕緣的泄漏電流隨施加電壓的升高而增大，兩者之間表現(xiàn)為線性關(guān)系。如果發(fā)電機絕緣結(jié)構(gòu)中存在集中性缺陷，當(dāng)施加電壓達到一定數(shù)值后，絕緣的泄漏電流將迅速增加，泄漏電流與外施電壓表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系。發(fā)電機絕緣的缺陷越嚴(yán)重，泄漏電流非正常增加的電壓值就會越低，當(dāng)外施電壓持續(xù)升高，所測泄漏電流會急劇增加，絕緣發(fā)熱，損耗增加，最終可能導(dǎo)致絕緣熱擊穿。一般來說，我們可以通過泄漏電流的表現(xiàn)來判斷定子繞組端部的絕緣故障種類。

檢修時，定子繞組的泄漏電流和直流耐壓試驗應(yīng)在發(fā)電機停機后，還未清除污穢前的熱狀態(tài)下進行，這樣能夠較為真實的反映發(fā)電機運行時的絕緣狀態(tài)。

2.3 端部手包絕緣表面電位檢測

表面電位法是直流泄漏電流測試的一種有效的補充測試方法。即是對需要檢查的絕緣表面包上臨時的測量電極（0.01～0.02 mm的鋁箔紙），并串聯(lián)100 MΩ的接地電阻，在該電極和繞組導(dǎo)線之間施加額定電壓值的直流高壓，測量該電阻上的電壓降或泄漏電流值。該方法具有直流耐壓試驗不可替代的優(yōu)點。

當(dāng)發(fā)電機定子繞組端部手包絕緣存在的工藝缺陷時，采用整相加壓的泄漏電流和直流耐壓試驗數(shù)據(jù)很可能變化不大，三相繞組泄漏電流平衡且合格，但是手包絕緣接頭處仍存在嚴(yán)重的工藝缺陷。表面電位測試方法具有很強的針對性，專門測試端部絕緣情況，可有效的檢測出端部絕緣的局部缺陷。該試驗最初主要是針對汽輪發(fā)動機而制定，但目前該方法已在水輪發(fā)電機上得到推廣和運用，部分水電站已將其做為了大修項目，不只滿足于通過直流耐壓或目測檢測發(fā)現(xiàn)情況后再采用該方法定位或確定。

2.4 繞組介質(zhì)損耗角正切及增量的檢測

介質(zhì)損耗是在交流電場作用下絕緣材料的電能損耗。介質(zhì)損耗包括了以下幾個方面：（1）電導(dǎo)損耗，由漏導(dǎo)電流引起的；（2）偶極性損耗，這是外電場作用下偶極子定向所引起；（3）附加損耗，是由介質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻引起的，如介質(zhì)中含有水分、氧化鐵、氣體等[2]。

絕緣材料的介質(zhì)損耗角與絕緣材料、溫度、濕度、試驗頻率和電場強度有關(guān)。當(dāng)電場強度較低時，外施電壓對介質(zhì)損耗角正切值無影響，這時的tanδ和初值tanδ0相當(dāng)。隨著外施電壓達到某一臨界值，絕緣層內(nèi)夾雜的氣體開始電離，tanδ開始急劇增大。當(dāng)絕緣受潮時，漏導(dǎo)電流將增加；絕緣老化時，極化現(xiàn)象將加重，這些都將使tanδ和△tanδ增加。因此，在同一條件下測定tanδ和△tanδ，就可以掌握絕緣老化和受潮程度，并可作絕緣趨勢分析[3]。DL/T 492《發(fā)電機定子繞組環(huán)氧粉云母絕緣老化鑒定導(dǎo)則》中規(guī)定，當(dāng)額定電壓下的tanδ≥6，同時，額定電壓下的tanδ與起始游離電壓下tanδ之差≥4時，表明發(fā)電機絕緣已老化。額定電壓下的tanδ與起始游離電壓下tanδ之差達到2.5%時，應(yīng)加強監(jiān)視。

2.5 離線局部放電測量

發(fā)電機在電、熱、機械應(yīng)力等的作用下，絕緣材料會緩慢老化，這些因素的聯(lián)合作用會使繞組松動和絕緣分層，嚴(yán)重時甚至?xí)诶@組端部產(chǎn)生導(dǎo)電的通道，最終導(dǎo)致定子繞組絕緣故障。局部放電現(xiàn)象是發(fā)電機定子繞組老化的重要特征。

當(dāng)絕緣層內(nèi)部或絕緣層與繞組銅線之間、絕緣層與鐵心槽部形成氣隙時，隨著電壓的升高，存在氣隙的部位將產(chǎn)生不同程度的放電現(xiàn)象，由于放電引起絕緣的腐蝕，隨著放電的集中使腐蝕孔加深，而其他部分的橋接又使劣化規(guī)模擴大，直至絕緣破壞。

發(fā)電機離線局部放電檢測通常采用脈沖電流法，所測量的是視在放電量。發(fā)電機局部放電的測量系統(tǒng)由試驗電壓施加裝置和局部放電檢測單元兩部分組成。試驗電壓施加裝置部分的原理與工頻交流耐壓試驗完全相同，僅區(qū)別于所施加電壓大小的不同。在局部放電檢測單元部分，局部放電信號通過耦合電容器、耦合裝置拾取，采用局部放電測量儀測量和記錄局部放電電荷量Qmax，其最高試驗電壓為額定相電壓。

不同制造廠的設(shè)計、生產(chǎn)條件和絕緣結(jié)構(gòu)不同，不同類型的發(fā)電機的試驗結(jié)果采用絕對值進行直接比較不準(zhǔn)確。一般認為，在額定相電壓下測得的局部放電量值小，同時局部放電起始電壓較高，我們認為該發(fā)電機的局部放電水平是可以接受的、正常的；當(dāng)在額定相電壓下所測得的局部放電量較大，而局部放電起始電壓又較低時，則說明發(fā)電機的局部放電比較嚴(yán)重，需進一步查找主要放電部位和診斷其發(fā)生原因。

2.6 端部電暈檢測

發(fā)電機端部電暈的檢測是發(fā)現(xiàn)定子繞組端部絕緣缺陷的有效方法，有暗室目測法和紫外成像裝置檢測法，檢測結(jié)果和圖譜直觀，便于判斷。發(fā)電機的電暈現(xiàn)象是由于發(fā)電機內(nèi)定子繞組絕緣表面的某些部位，由于電場分布不均勻，導(dǎo)致局部的場強過強，就會造成附近空氣電離，從而引起輝光放電等現(xiàn)象。發(fā)電機的電暈現(xiàn)象就是發(fā)電機局部的放電現(xiàn)象。雖然電暈現(xiàn)象發(fā)生時，發(fā)電機本身局部放電的強度并不高，但是這種現(xiàn)象發(fā)生會對絕緣體的材料產(chǎn)生相對影響，可以降低絕緣體材料的相關(guān)性能。發(fā)電機的電暈現(xiàn)象是造成發(fā)電機內(nèi)定子線圈絕緣體損壞的主要原因之一。

3 發(fā)電機絕緣狀態(tài)評價與預(yù)測

以電氣量試驗因子作為權(quán)重量化取值的主要模塊，結(jié)合電力系統(tǒng)發(fā)電機試驗專家系統(tǒng)，建立發(fā)電機絕緣狀態(tài)水平指數(shù)層次分析模型，量化評估發(fā)電機當(dāng)前的絕緣老化狀態(tài)。參照ICEMENERG統(tǒng)計的診斷絕緣狀態(tài)的評價標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。

表1 發(fā)電機絕緣狀態(tài)的分類

3.1 應(yīng)用絕緣電阻系數(shù)來評價絕緣狀態(tài)

應(yīng)用測量的絕緣電阻數(shù)據(jù)進行評價，計算出吸收比和極化指數(shù)作為評價參數(shù)。

表2中，極化指數(shù)表示針對B、C和H等級絕緣的限值，對A級絕緣的極化指數(shù)限值為1.5。

表2 應(yīng)用絕緣電阻系數(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)

放電指數(shù)=I放電1min/（UC），其中I放電1min表示經(jīng)過10 min的絕緣電阻試驗后，繞組對地放電1 min以后測量的放電電流，單位為nA；U表示試驗電壓，單位為V，C表示試驗繞組的相電容，單位為pf[4]。

表3 應(yīng)用放電指數(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2 應(yīng)用直流電壓與傳導(dǎo)電流的曲線關(guān)系評價絕緣狀態(tài)

試驗每階段2 kV的增量升高電壓，讀取15 s、30 s、60 s時的電流。

傳導(dǎo)電流由如下公式計算：

計算出傳導(dǎo)電流后需作出直流試驗電壓與傳導(dǎo)電流的變化關(guān)系曲線圖，電壓一直升高到曲線出現(xiàn)拐點，最高電壓不超過直流耐壓試驗電壓。

表4 應(yīng)用直流電壓與傳導(dǎo)電流曲線關(guān)系的評價標(biāo)準(zhǔn)

3.3 應(yīng)用介質(zhì)損耗值tanδ評價絕緣狀態(tài)

△tanδ= tanδ0.8UN- tanδ0.2UN

函數(shù)tanδ=f（U）曲線斜率，即曲線上升部分漸近線與電壓軸之間的夾角[4]。

電離閾值電壓，即曲線tanδ=f（U）上的拐點[4]。

0.2UN和0.8UN之間的局部對地電容變化量，與0.2UN時的電容之比[4]。

表5 應(yīng)用tanδ評價絕緣狀態(tài)的評價標(biāo)準(zhǔn)

3.4 應(yīng)用離線局部放電測量評價絕緣狀態(tài)

在0.6UN的電壓下測量視在局部放電量可以對絕緣的狀態(tài)進行評價。

表6 應(yīng)用在0.6 UN時視在放電量評價標(biāo)準(zhǔn)

3.5 綜合各項試驗的歷史數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評判標(biāo)準(zhǔn)

收集電廠歷年極化指數(shù)、電容增量、交流電流、局部放電量等數(shù)值，根據(jù)前述發(fā)電機絕緣狀態(tài)評價與預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)評判是否合格，統(tǒng)計不合格點數(shù)的和，掌握絕緣狀態(tài)與趨勢。

表7 綜合評價標(biāo)準(zhǔn)

4 總結(jié)

隨著我國水電建設(shè)高峰期已過，先投產(chǎn)的機組運行年限較長，對發(fā)電機絕緣老化的狀態(tài)診斷、預(yù)測非常必要。近年來的發(fā)電機絕緣診斷方法更加豐富多樣，如超聲波、動態(tài)力學(xué)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機技術(shù)的剩余擊穿電壓預(yù)測等[6]。新方法的使用并沒有讓發(fā)電機絕緣狀態(tài)診斷出現(xiàn)質(zhì)的突破。因此，建議多個參數(shù)進行測試與診斷，利用平時的發(fā)電機各級檢修進行多參數(shù)檢測，結(jié)合局部放電、端部振動、氣隙等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，建立變化趨勢分析，全面診斷水輪發(fā)電機狀態(tài)。