基于状态监测基础的发电机绝缘性能判断

摘要：同煤大唐塔山电厂一期工程包含2台QFSN-600-2YHG汽轮发电机，为了防止机组在运行中发电机内部局部放电和过热损害发电机绝缘性能，机组装配了FJRⅡA型绝缘过热监测装置和SJY-5型射频监测仪。本文介绍了FJRⅡA型绝缘过热监测装置和SJY-5型射频监测仪的原理、结构及异常情况的处理方法。

关键词：发电机；局部放电；绝缘

中图分类号： TB857 文献标识码： A

1.概述

发电机的绝缘状况关系到发电机组的安全稳定运行，如果一旦出现绝缘被破坏的情况，将会对电厂的生产造成很大的损失，为此如何在发电机运行中判断绝缘状况关系到发电机的安全稳定运行。从多年来国内外的研究结果可以看到，发电机绝缘损坏必将伴随着绝缘材料的高温聚合物裂解和局部放电信号产生的现象，这也是目前为止最可靠的反映发电机绝缘系统状况的指标参数。

经过对发电机端部绝缘损伤、槽部线棒磨损、手包绝缘泄漏、线棒漏水、封母结冰等故障经过与原因的分析，发现在此故障前期均伴有一定程度的局部放电。局部放电的根本原因为绝缘材料内部因生产、制作、加工产生的气隙、油膜或气泡在电压的作用下发生非贯穿性放电现象；同时，发电机在长期运行中不可避免的会由于铜耗、铁耗及其他损耗的热量持续作用于绝缘材料，导致绝缘材料在热作用下产生不可逆的聚合物裂解，产生微小的气隙，在过负荷过电压的作用下形成局部放电，最终导致绝缘的损坏。绝缘过热监测装置和射频监测仪正是对发电机绝缘损坏产生的微弱信号进行捕捉，在故障前期进行报警，预防故障扩大的监测仪器。

2.绝缘过热监测装置

2.1工作机理

FJRⅡA型绝缘过热监测装置能判断发电机内部绝缘过热事故隐患，它是早期诊断发电机绝缘过热故障的一种较灵敏装置部位的绝缘过热故障。如果在发电机运行中，其部件绝缘有局部过热时，过热的绝缘材料热分解后，产生冷凝核，该冷凝核的直径在0.001―0.1µm，远比气体介质分子的体积大而重，当带着冷凝核的气体通过此绝缘过热监测装置内离子室时，受到离子室内241Amα放射源发射α射线轰击，使冷却气体介质电离， 产生正、负离子对，负离子附着在冷凝核上，负离子运行速受阻，从而使电离电流大幅度下降，机内绝缘局部过热面积（包括绝缘漆退色）为12²2 时，电流下降百分率不小于30％，电离电流下降率与发电机绝缘过热程度有关。经试验确定，当电流下降到某一整定值时，代表着绝缘早期故障隐患的发生和存在，装置及时发出报警信号。运行人员可根据报警信号频度，结合其它检测仪表指示，综合判断故障隐患的发生和发展，有计划地提早采取相应措施，避免因绝缘过热故障的扩大而导致后期烧毁发电机的重大事故，以此提高发电机的运行安全性。

2.2 结构组成

FJR－ⅡA型装置在线检测需接通冷却气体管路，将联接管路与发电机本体构成密闭循环系统。在发电机风扇压力作用下，使机内的冷却气体流经装置内部。冷却气体介质经过阀门1、2，经过油气分离器UB，进入该绝缘过热监测装置，在装置内部受到离子室内α射线的轰击，使冷却气体介质电离，产生正、负离子对，又在直流电场作用下，形成极为微弱的电离电流（10-12A）。电离电流经放大器（约1010倍）放大后，送电流表显示。如下图

FJR－ⅡA型发电机绝缘过热监测装置主要包括如下组件:油水分离器UB，过滤器、三通电磁阀、离子室、检测流量计、取样电磁阀、取样管、取样流量计、信号放大器、微型控制器及指示电路如电流显示等。

3. SJY-6型射频检测装置

3.1 工作机理

发电机绝缘内部的气隙或气泡等，在一定的外施电压下发生局部放电现象，如果长期在此工作状况会导致绝缘的击穿。为预防这类灾难性事故的发生，在发电机组正常运行情况下对绝缘系统进行状态监测就显得十分必要，为此，塔山电厂采用了SJY-6射频监测装置。

该装置是通过高频电流互感器监测发电机中性点上的电弧的高频信号，以发现定子线圈内部放电现象。射频监测仪耦合到来自高频电流互感器的射频信号，通过将微弱的射频信号放大、处理，可以监测到放电电流的强弱，以此来探测发电机局部放电的程度，实现对发电机定子绝缘的状态监测及故障报警。

3.2 装置结构

SJY-6射频监测装置包括高频电流互感器、监测仪主机及遥控板。如下图

射频信号与发电机系统绝缘状态对应关系：

射频监测仪信号指示值及其发展趋势对发电机的状况的关系，划分为良好、中介过渡、注意、警告、危险几个区域。

当射频监测仪信号低于50%（即射频仪输入信号小于300μV）时，表明发电机系统绝缘状态是良好的，用绿色表示；当信号在66.6-80%之间（即对应射频仪输入信号在1000-3000μV范围），应对发电机系统的绝缘状况引起注意，观察其变化趋势，仪表上以橙色表示；当信号大于80%，在此区域内属于警示或危急的状态，用红色表示，应当引起高度重视，密切注意其变化情况，预报警及报警门限值分别设在75%和90%。当报警时，改变负荷观测其与负荷变化的依赖关系，必要时停机处理。

4.运行实例

当发电机定子线棒端部、定子线棒槽部磨损，绝缘过热老化，定子线棒漏水、引线及手包绝缘处磨损绝缘破坏，定子断股、定子线圈表面受潮、导流部位接触不良等设备绝缘下降、局部放电等故障时，该故障均会产生微弱信号，引发监测装置的报警，再由专业人员进行判断、检查，并采取安全有效的措施，防止故障扩大造成事故。如下实例

4.1 报警实例

4.1.1***电厂2号发电机在2005年8月射频监测装置出现了预报警，分析认为是线圈表面放电引起。9月，#2机停机消缺做电位外移试验时，发现在气侧#16，#21，#23，#25，#55线棒槽锥头处有重大缺陷，外露电位分别为：5000V，3400V，10000V，3600V，8400V。出线C相中性点引水管锥头4200V。2005年9月7日，该厂2号机SJY射频监测装置出现间断性报警，机组停运后试验发现B、C相出线套管与引线并头接封处，外露电位分别是：13200V、7200V。

4.1.2 2000年3月、7月至8月中旬，**电厂1号机的射频仪报警，其指示信号在75%左右，有时值在20%-50%之间摆动，瞬间达80%报警，之后又回落到30%附近，且与环境温湿度相关，经检查为封闭母线绝缘下降放电引起。2001至2002年，1号机曾发生多次类似射频仪报警情况，都为封闭母线放电所致。

4.1.3 2002年8月初，**发电厂1号机射频仪预警，同时运行中发现定子水箱中有氢，日排氢量达20-25M3,9月11日，停机检查发现在励侧定子线圈进水汇流管下面排放管角尺弯处焊口有裂缝。在水压试验时，当水压在0.55Mpa时，在尚未剥去绝缘时，就有水漏出。当剥去绝缘时形成水喷,且整条焊缝中有好几处喷水。

4.1.4***电厂的4号机组自2008年3月9日发电机绝缘过热监测装置报警后，2008年3月9日到2008年5月4日报警28次，期间进行了色谱分析5次，质谱分析2次，从色谱质谱分析看机内绝缘存在过热部位，而且过热现象在发展，初步判断过热部位为定子部分。2008年5月10日抽出转子对该机进行了仔细检查，发现发电机定子铁芯励端5#槽处测温的热电偶引线在线圈R处短路烧焦；由于该热电偶引线短路在外部形成一个回路，引起了环流造成发热，故将引线外绝缘层烧毁，使得定子线棒相应部位的绝缘表面变黑，由此产生绝缘的热裂解产物，使得发电机绝缘过热监测装置报警。

图 定子线棒绝缘烧坏变黑

5.装置常见问题及解决方法

当发电机绝缘过热监测装置与发电机射频装置报警时，应该检查的范围很广，包括发电机各运行参数，氢水压差、氢水温差、补氢量、氢气露点、发电机各部位温度、发电机中性点连接部位、中性点接地变压器、报警时天气情况（环境温度、湿度）及装置本身状况等等，综合上述情况进行分析判断。如下列我厂该装置报警后检查情况：

5.1 塔山电厂的两台发电机组在运行中曾经发生过多次绝缘过热监测装置报警情况，通过观察，发现当天气闷热、潮湿、突降暴雨、温度的突变、发电机由于氢气纯度下降和气体置换时，均会导致该装置误报警，当外界状况恢复后，该报警消失。

5.2 2013年3月，1号机组绝缘过热监测装置出现报警情况，但显示数值为零。经检查，发现为放大器的15V电源烧损，故没有显示数值。更换了放大器的15V电源后，显示数值在进气流量正常时，显示准确；当关闭进气流量后，显示数值仍旧为56%，明显与实际情况不符。经再次检查，发现放大器由于长期运行，出现了性能下降的情况，零位存在飘移，再次更换放大器后装置工作正常。

5.3 2012年9月，1号机组射频检测装置在运行中报故障，但射频监测仪信号为正常（大约在9%左右波动），经复位和重新上电后，现象依旧。后由厂家对装置进行了检测，发现装置的自校功能不正常，逻辑控制器老化射频接收器的数值偏离正常值甚多，射频监测仪就不能正确的监测发电机组局放的真实情况，同时逻辑控制器也出现了故障，导致故障报警同时射频监测仪信号出现零点漂移，更换射频监测仪的逻辑控制器和射频接收器后，故障报警信号消失，射频监测仪信号指示在零位，装置运行正常。

6 注意事项

6.1 由于FJRⅡA型绝缘过热监测装置离子室内部安装有241Am α源，是四类放射源，为低危险源。基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤。所以对绝缘过热监测装置要加强管理，定期维护保养；如因外界原因造成污染不能继续使用（进油或进水等），必须通知生产厂家技术人员处理，现场不能自行拆卸，更不允许拆开离子室，以防射源丢失。

6.2 由于FJRⅡA型绝缘过热监测装置安装在发电机的下部，所以难免会有装置进油的情况发生，遇到这种情况，气路自动关闭，运行人员应首先通知专责人员进行放油处理，以防止装置内部进油造成设备损坏。

7.结束语

发电机是发电厂的核心设备，它能否安全运行关系到整个电力系统的安全，但如何对发电机绝缘状况做出准确的判断是一个极为复杂、困难的课题，国内外各发电机生产厂家和科研机构都在从事此项研究。对绝缘材料的高温聚合物裂解和局部放电信号的状态监测可以比较全面的对绝缘性能和状况做出一个判断。

SJY-6射频监测装置和FJRⅡA型绝缘过热监测装置都是直读型在线检测装置，在实际运行中对发电机的绝缘性能的状态监测比较有效。SJY-6射频监测装置对发电机本体及封闭母线存在的放电情况较为敏感；FJRⅡA型绝缘过热监测装置对检测发电机绝缘损坏分解出的冷凝核反映灵敏；所以通过对两种装置的综合比对和状态的确认，可以对发电机的绝缘状况有一个宏观的判断，对发电机绝缘状况的动态评估有指导性的作用，同时结合机组的定期的检修工作，必将会极大的提高发电机安全稳定运行的可靠性。

参考文献

1.FJR-IIA型发动机绝缘过热监测装置说明书。华北电力科学研究院华科兴盛有限责任公司

2. SJY-5射频监测装置说明书。上海居能科技有限责任公司

作者简介：

张立义：男（1971-）助工、技师从事发电厂电气点检工作

耿基明：男（1968-）高级技师 张家口发电厂塔山分厂设备部电气点检长

侯杰：男（1980-）助工从事发电厂电气点检工作