【摘要】 局部放电在线监测是诊断高压电机定子绕组绝缘故障的有效方法之一。文中概述了国外高压电机局部放电在线监测的几种方法：基于汇流环上成对耦合电容器的监测法，基于中线射频监测法，基于电机引出线上耦合器的监测法，基于定子槽耦合器的监测法，基于埋置在定子槽里的电阻式测温元件导线的监测法等。其中主要介绍耦合器或传感器的设置、噪声抑制方法以及它们的应用情况。
【关键词】 局部放电，在线监测，高压电机
1 前言
定子绕组绝缘故障是高压旋转电机的主要故障之一。为了提高运行可靠性，应当加强对电机定子绝缘运行状态进行监测。电机在发生绝缘故障前往往会有征兆，其中局部放电(PD)与电机定子绕组绝缘状况有着密切地联系。由于电机绝缘介质长期承受热、电、机械应力及环境影响，导致绝缘发生劣化，使得电机在运行时绝缘产生局部放电。反过来，局部放电又加速了绝缘的劣化，若局部放电继续扩大与发展，最终将导致绝缘被破坏。因此，对局部放电作连续地监测，是诊断绝缘状况的有效方法。
2 局部放电监测的几种方法
2.1 基于汇流环上成对耦合电容器监测法
国外在70年代就已开发了高压电机绝缘在线监测装置。如Kurtz M.等开发了适合水轮发电机使用的局部放电分析仪(PDA)［1］，并已成功地应用于北美的140多台机组的局放监测试验上［2］，取得了重大经济效益。它的局放信号是通过安装在发电机定子绕组上的高压耦合电容器(其额定值为80pF,30kV)获取的，每相各有一对耦合电容器，并将耦合器安装在各相汇流环(过桥线)的合适位置上，以便消除来自电机外部的干扰。假设一个来自电力系统的干扰脉冲，从某一相的端接线端进入，这时干扰脉冲将分成两路，分别沿该相的汇流环两边传送至两个耦合电容器，若汇流环两边等长，而且由这两个耦合电容器联接到电机外部供PDA分析仪监测用的固定测点的同轴电缆线也等长，这样干扰脉冲沿该相汇流环两边通过耦合电容器和同轴电缆传送至电机外部测点时的信号是相同的，这两路相同的脉冲信号送入PDA分析仪前级的高速差动放大器后，其结果是输出为零，即来自电机外部的干扰脉冲将不产生输出，如图1(a)所示。
另一方面，发生在电机内部的局放脉冲，例如靠近图1(b)中的A处局放脉冲将使差动放大器产生非零输出，因为靠近A处的局放脉冲很快被A处的耦合器监测到并先送到差动放大器的正输入端，而局放脉冲沿汇流环要经一定时间才被另一耦合器监测到并后送到差动放大器的负输入端，于是差动放大器会有输出电压。
(a)来自电力系统的干扰脉冲同时到达差动放大器的两个输入端使输出为零；(b)靠近A处的局放脉冲产生非零输出，因局放脉冲先到达差动放大器的正输入端，而后到达负输入端。
图1 成对耦合电容器监测原理图
PDA监测仪是便携式的，可以用于监测那些安装有耦合电容器的发电机。通常电机的每相有一对，或者每对并联支路有一对耦合器，一台电机至少三对耦合器，而各耦合器都通过同轴电缆线连接到电机外部的固定接线盒内。测试一台电机平均只需5～10分钟。
这种监测法适用于水轮发电机，因水轮发电机相对体积大，便于耦合器安装，汇流环母线相对较长，使得有可能识别出局放脉冲传播时间的差别。此法是以成对耦合器上的两并联支路完全对称来消除干扰的，实际上使两支路参数完全对称是很难的，因此应尽可能减少这种不对称或采用延时线进行补偿，以提高抑制干扰的能力。
2.2 基于中线射频监测法
在大型电机的在线监测中，还有一种是从发电机定子绕组的中线监测射频(Radio Frequency)信号，其信号通常是用高频宽频带的电流传感器拾取的，如图2所示。Emery F.T.等利用射频(RF)监测仪来监测大型汽轮发电机的电弧放电［3］。
图2 中线RF监测原理图
Gruenewald P.等也用中线射频监测方法对70多个电厂进行局部放电在线测量［4］，其中有21台汽轮发电机组使用所研制的射频监测仪来进行连续地监测，这些发电机组运行时具有相当强的背景噪声，若不采用信号处理方法来消除或抑制噪声，很难发现内部局部放电现象。
这种监测法的优点是中性线对地电位低，高频CT传感器制作与安装相对容易；缺点是对信号处理技术要求较高。必须采用较高精度的消除或抑制干扰信号技术和局放信号识别方法。
2.3 基于电机引出线上耦合器的监测法
这种方法是把每相两个耦合器(每台电机装六个耦合器)安装在电机接线端与电源引线上，如图3所示，靠近电机的耦合器记为N，远离电机的耦合器记为F。这种耦合器一般采用高压耦合电容器(80pF,15kV)，两个耦合器之间至少相距两米［5］；而在电动机监测中有时是采用高频电流互感器。
图3 电机引出线一相所装的耦合器
由图3可以看出，当定子绕组产生局部放电脉冲时，耦合器N先检测到局部放电信号，经过一定延时后，耦合器F才检测到局放信号；反之，来自电机外部的噪声，则耦合器F比耦合器N先检测到。因此，根据装于同一相上的哪一个耦合器先检测到脉冲信号，就能区别是定子的局部放电还是外部噪声。这种方法已应用于大约500台电机上。
Stone G.C.等研制了一种汽轮发电机分析仪(TGA)［6］，它能比较脉冲到达同一相上耦合器N和F的时间，自动地确定哪些是外部噪声，哪些脉冲是来自定子的局部放电脉冲，并进一步确定其大小、数量及相位。
在实际应用中耦合器N通常装在电机的出线端的接线盒内，耦合器F则装在开关柜内或PT箱内。而对于高压电动机耦合器F有时就不装了，即每相只装一个耦合器N于出线端盒内，因为多数电动机与开关柜之间的电缆线很长，长电缆线对电机外部噪声起到了滤波的作用。当然，如果外部噪声太强，对监测还是有影响。
这种监测方法适用于高压电动机、水轮发电机、同步调相机和容量较小的汽轮发电机，也就是说适用于那些噪声源于外部的高压电机。此法优点是耦合器不用安装在电机内部，局放信号与外部噪声信号便于区别；缺点是不便识别源于电机内部的噪声，因此不适用于大型汽轮发电机的监测。
2.4 基于定子槽耦合器的监测法
大型汽轮发电机内部产生的噪声有：(1)发电机转子励磁绕组滑环与碳刷间产生电弧；(2)汽轮发电机转子上用于消除静电荷、不对称磁场及轴向磁通的轴接地电刷产生电弧；(3)发电机各相连接线及引线上的螺栓氧化或接触不良产生的电弧；(4)定子铁芯叠片与定位筋接触不良产生电弧等。
不同的电机有不同种类的噪声干扰。高压电动机、水轮发电机、同步调相机和容量较小的汽轮发电机主要受电机外部噪声干扰，而大型汽轮发电机既受外部噪声干扰又受内部噪声干扰。因此，用于大型汽轮发电机的局部放电监测装置很重要的是要采取措施来抑制或消除这些噪声。
为了能在大型汽轮发电机有效地检测到局部放电脉冲，Stone G.C.等人提出了在定子槽内安装耦合器的办法［5］。这种定子槽耦合器(SSC)是一种用于检测局放信号的“天线”，它装在靠近相端的定子槽的槽楔下面，如图4(a)所示。每个SSC大约是50cm长、1.7mm厚，与定子槽等宽，其材料为环氧玻璃层压薄板。薄板的上平面固定一根检测线，其两端各接有一根输出同轴电缆；薄板的下平面为接地面，如图4(b)所示。定子槽耦合器在频率从10MHz～1000MHz范围内有相当好的频率响应，因此它能检测沿定子槽的任何高频信号的真实脉冲波形，每台发电机通常装6个SSC。
(a) (b)
(a)1-层间绝缘 2-槽上部垫条 3-槽楔 4-定子铁心 5-上层衬垫／弹性波纹板
6-定子槽耦合器 7-定子线棒或线圈 8-侧面绝缘
(b)1-接地面 2-绝缘板 3-检测线 4-同轴电缆
图4 定子槽耦合器
定子槽耦合器的重要特点是对局部放电和电噪声能产生不同的脉冲响应。理论研究与实际测量表明，定子绕组产生的局部放电脉冲约以1～5ns宽的脉冲被SSC检测出来，而所有的各种内部与外部噪声则以大于20ns宽的脉冲被检测出来，这是因为噪声经绕组传播时定子绕组起自然滤波作用的结果。脉冲宽度的这种明显差别使得很容易把定子局部放电和所有的噪声区别开来。TGA仪器可测来自于SSC的所有信号的脉冲宽度，如果脉冲的宽度大于8ns，那么把该脉冲归类为噪声；如果脉冲的宽度小于8ns，那么该脉冲归为局部放电，并进一步确定这些局放脉冲的大小、数量和相位等。大约150台发电机与重要的电动机(如核反应堆的冷却泵用电机)已经装有这种SSC［6］。
这种方法适用于大型汽轮发电机的监测，其优点是便于把局部放电和所有噪声区别开来；但此法要求在电机内部槽楔下面埋设特制的SCC，故在耦合器的制作与埋设上所付代价较大。
2.5 基于埋置在定子槽里的电阻式测温元件导线的监测法
这种方法是把埋置在定子某些槽里的电阻式测温元件(RTD)导线作为局部放电传感器［7］。这种局放传感器频率特性很宽，便于将局放脉冲与噪声脉冲区别开来。因为在高频(3MHz～30MHz)范围内局放脉冲与噪声脉冲之间在频率特性和灵敏度方面存在着某些差别，故可利用其差别来区分噪声。
Itoh K.等提出了基于逐个脉冲的两种噪声舍选新方法：第一种是利用局放脉冲与噪声脉冲之间频率特性上的差别来区分，如取以f1和f2为中心的两个窄带频率内的幅值作比较(假设f2＞f1)，局放脉冲的幅值变化小，而噪声脉冲的幅值变化大，因噪声脉冲传播过程中高频分量比低频分量衰减得多。故以f2的幅值比f1的幅值，比值小的为噪声脉冲，比值大的为局放脉冲。于是可选择某一合适比值作为判据；第二种是利用局放脉冲与噪声脉冲之间灵敏度上的差别来区分，如选取两个不同槽内RTD导线作为局放传感器，对于噪声脉冲来说，这两个局放传感器测到的噪声脉冲在幅值和波形上是相似的，因为从噪声源到这两个局放传感器的传播路径长度差别不大；而对于局放脉冲来说，这两个局放传感器测到的脉冲在幅值和波形上相差较大，这是由于局放脉冲源离一个局放传感器近，离另一个局放传感器远。于是，可利用两个局放传感器测到的幅值比来区分噪声脉冲还是局放脉冲，比值接近1的为噪声脉冲，比值远离1的为局放脉冲。(局放脉冲源与两个局放传感器等距离的，该方法失效)。最好是把以上两种方法结合起来使用，以便更有效地区分噪声。
这种方法适用于大型汽轮发电机，其优点是利用原埋置于定子槽里的RTD导线做为局部放电传感器，而不另装其它传感器；两种噪声舍选方法能区分局放脉冲与噪声脉冲，但在定子绕组某些部分其局放与噪声脉冲难区分。此法属实验阶段，尚无推广应用的报道。
3 结论
1.局部放电在线监测是诊断高压电机定子绕组绝缘故障的有效方法之一；
2.局部放电在线监测的关键是把定子的局部放电信号与噪声信号区别开来，尽可能地把噪声抑制与消除。这涉及到两个方面：一是耦合器(或传感器)的研制与设置，应有利于局放信号的提取，便于区分与消除噪声；二是信号处理技术，首先是分离与消除噪声，然后对局放信号作进一步处理，以便对定子绕组绝缘状况作出诊断，并给出处理意见；
3.局部放电在线测试是在不停机的情况下进行的。一是更能反映定子绝缘的实际状况，因为有些缺陷只有在电机运行时才会显露出来；二是与常规的绝缘测试(离线)相比它对绝缘是无损伤的；因此局部放电在线测试是进行高压电机预知维修的有效手段。
