电气设备绝缘检测与诊断9

1、第九章 发电机检测与诊断第一节 发电机绝缘结构特性第二节 发电机预防性试验技术第三节 发电机在线检测与诊断技术1第九章 发电机检测与诊断 发电机是一种将机械能转换成电能的设备，发电机是根据感应电动势定律和电磁力定律而设计的。发电机内部实现能量转换包括机械系统、耦合系统和电系统三部分，发电机要进行能量交换必须具备有相对运动的两个部分，一个是产生磁场的磁感应部件，另一个是感应电动势和流过工作电流的被感应部件。当被感应部件的绕组中流过电流所建立的磁场与励磁磁场间，在极数相等、相对静止条件下，就能产生有效的电磁转矩。2第一节 发电机的绝缘结构特性 一、发电机绝缘结构 1、基本结构：定子、转子、轴承装置

2、、底板、其他附属结构等。 2、绝缘结构：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。 二、发电机绝缘老化 发电机的绝缘结构要承受电、热、机械和环境等因素的联合作用，工作环境极其恶劣。绝缘老化是在这种恶劣环境中绝缘结构劣化的综合表征。图9-2给出了高压电机绝缘劣化过程。34 影响绝缘老化的主要因素： 1、热因素引起绝缘材料的热老化，使绝缘材料变脆，丧失机械强度，同时铜线、绝缘、铁心的热膨胀系数不一样，当温度变动时会产生热应力。 2、机械因素形成机械老化，导致绝缘结构的疲劳、裂纹、散弛、磨损等。 3、电因素引起电老化，这将导致局部放

3、电、漏电、和电腐蚀。 4、环境因素引起环境老化，环境老化将导致绝缘污染和侵蚀、绝缘吸潮和表面污染。 5 三、发电机绝缘故障 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： (1) 定子绕组绝缘击穿。定于绕组绝缘击穿约占发电机事故的30以上由于绝缘老化、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端部手包绝缘是发电机绝缘的薄弱环节。6 (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。发电机的定于和转

4、子的引水管及连接件在运行中发生破裂，造成漏水引发绝缘击穿事故。 (5) 定子端部焊接不良：定于绕组端部并头套焊接不良(假焊、虑焊)以及断股，运行中发热开焊烧损绝缘。 (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，引起匝问短路。7第二节 发电机预防性试验技术8 一、发电机绝缘电阻测量 目的：主要是判断绝缘状况，发现绝缘严重受潮、脏污和贯穿性绝缘缺陷。 1、定子绕组绝缘电阻 测量发电机定子绝缘电阻的测量方法如图9-4所示，试验时被试相接L端子，非被试相短接接地，再接E端子，屏蔽接G端子。测量用2500V兆欧表，量程一般不低于10000 兆欧。 9

5、 对直接水内冷发电机定子绕组，其绝缘电阻可用图9-5所示的接线进行测量。该系统对放出和不放出内冷水的情况均适用。 影响定子绕组绝缘电阻的因素：测量电压、测量时间、温度、湿度以及绝缘材料的质量、尺寸等。 判断方法：比较法，即进行相间比较、与过去值比较，当绝缘电阻值降低到历年正常值的1/3以下时，应查明原因。 温度的影响：温度每上升10，绝缘电阻就下降一半。通常采用75 作为计算发电机绕组热状态下绝缘电阻的标准电阻。电阻温度换算经验公式为：1011 注意：实验前后都应充分放电，以保证测量数据的准确性。 2、转子绕组绝缘电阻 测量发电机转子绕组绝缘电阻采用1000V兆欧表，测得的绝缘电阻在室温时一般

6、不低于0.5兆欧，对于水内冷转子绕组绝缘测量采用500V兆欧表，电阻值在室温时一般不应小于5千欧。对于300MW以下的隐极式电机，当发电机定子绕组已干燥完毕，而转子绕组未干燥完毕，如果转子绕组的绝缘电阻值在75 时不小于2千欧，或在20 时不小于20千欧，允许投入运行；对于3000MW及以上的隐极式电机，转子绕组的绝缘电阻值在1030时不小于0.5兆欧。12 3、其他部分绝缘电阻的测量 测量发电机或励磁机的励磁回路连同所连接设备的绝缘电阻，小修时采用1000V兆欧表，大修时采用2500V兆欧表，测得的绝缘电阻值不应低于0.5兆欧。 测量发电机、励磁机的绝缘轴承和转子进水支座的绝缘电阻，应在装好

7、油管后进行。测量时采用1000V兆欧表，测得的绝缘电阻值不应低于0.5兆欧。 测量埋入式温度计或水内冷定子绕组引水管出水温度计的绝缘电阻时采用250V兆欧表，对测得的绝缘电阻值不作规定。13 二、定子绕组的直流耐压及泄漏电流试验 直流耐压试验，能够有效地发现其端部缺陷。进行直流耐压的同时测量泄漏电流可以比测量绝缘电阻更有效地发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。 1、方法和标准 发电机定子绕组直流耐压及泄漏电流试验的方法如图9-6所示。实验完毕后，应将放电电阻直接并联到被试绕组上放电，消除发电机绕组上的剩余电荷，以保证安全。14 发电机定子绕组的直流耐压试验电压的标准如表9-2所示。试验电压按每级

8、0.5倍额定电压分阶段升高，每阶段停留1min并读取泄漏电流值，进行分析。 在规定的试验电压下测得的各相泄漏电流的差别应不大于最小值的100%，最大泄漏电流在20微安以下者，相间差值与历次试验结果比较，不应有显著的变化，同时泄漏电流不应随时间的延长而增大。 对水内冷发电机采用低压屏蔽法接线如图9-7。1516 2故障判断 根据直流耐压试验和泄漏电流测量现象和结果可以对发电机的绝缘状态进行判断。 (1)绝缘正常者，泄漏电流应随电压成比例上升，三相泄漏电流的差别不应大于最小值的100，且泄漏电流不随时间的延长而增加。17 (2)绝缘受潮或脏污时，相邻电压下随电压升高泄漏电流不成比例上升，或随时间延

9、长泄漏电流升高。 (3)有贯穿性缺陷时，升压过程中无吸收现象，且泄漏电流很大，当电压升高到某一数值时微安表大幅度摆动 (4)有高阻缺陷时，泄漏电流随电压不成比例上升，在达到某一电压后泄漏电流增长很快。 图9-8给出了发电机直流耐压试验过程中泄漏电流变化的典型曲线。图中曲线1表示绝缘良好的情况，曲线2所示的是绝缘受潮的情况，曲线3表示绝缘中有集中性缺陷存在；如果在0.5Un附近泄漏电流已迅速上升，曲线4所示，那么这台发电机在运行时即使无过电压也有被击穿的危险。18 3试验注意事项 试验时应注意以下事项： (1)应在停机后清除污秽前发电机处于热状态下进行自流耐压和泄漏电流试验备用状态的发电机可在冷

10、状态下进行试验。 (2)对氢冷发电机，必须在充氢后含氢量96以上或排氢后氢含量在3以下时进行试验严禁在置换氢气过程中进行试验。19 (3)规程规定冷却水质应透明纯净，无机械混杂物，导电率在水温20时要求：对于开启式水系统不大于5.0 x102微秒每米，对于独立的密闭循环水系统为1.5x102微秒每米。 (4) 测量时微安表出现摆动时，应采取在被试品上并联12微法的电容器，或采取提高水阻的方法消除。 (5) 图9-7中J部分是极化电势补偿电路，用于补偿冷却水流经进出水管两端产生的极化电势，减少对泄漏电流测量的影响。20 三、交流耐压试验 1、工频交流耐压试验 交流耐压试验一般应在停机后消除污秽前

11、的热状态下进行。 其主要优点：试验电压和工作电压波形、频率一致，使绝缘内部的电压分布及击穿性能符合发电机的工作状态。实验接线如图9-9。21 为了减少试验变压器的容量，现场试验常采用谐振试验方法，常见的谐振试验方法有： (1) 串联谐振法。如图9-10所示。被试绕组击穿(谐振条件破坏)后不会发生暂态过电压。串联谐振输出电压的稳定性较差。 (2) 并联谐振法。如图9-11所示。并联输出电压稳定、升压安全，但被试绕组击穿时，输出端有可能产生暂态过电压。22 （3）谐振变压器。谐振变压器是根据上述谐振原理而制成的谐振装置，它是在谐振电抗器上绕上励磁绕组，把电源变压器和谐振电抗器合二为一。 在耐压过程

12、中，若无异常声响、气味、冒烟以及仪表摆动等现象可以认为绝缘耐受住了试验电压的考验。 四、直流电阻测量 目的：定期测量定子、转子绕组的直流电阻可以及早发现个别接头的缺陷或断股。 测量：采用精确度在0.5以内的双臂电桥测量，且使通过被测绕组的电流远小于额定运行电流的10，以避免被测绕组发热影响测量准确度。 23 注意：记录电阻值的同时记录绕组各部分的温度，把测得的值换算到75时的电阻值。 式中：R75为换算到75的电阻值(欧姆)；R为实际测的电阻值；t实际测绕组的平均温度()。 定子绕组各相(各分支)换算到75 的直流电阻值，扣除引线长度不同而引起的误差后，相互间的差别不得大于最小值的1.5(水轮

13、发电机为1)，与以前测量的直流电阻相比，其变化率不得大于1。转子绕组的直流电阻与基准值(数次测量的平均值)比较，不得大于2。 24第三节 发电机在线检测与诊断技术 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。如图9-15给出了发电机绝缘老化过程及检测方法。 一、发电机放电在线检测技术 由于各种因素产生的电气故障，都呈现出放电现象，所以发电机绝缘在线检测实际上就是局部放电的在线检测。 发电机的主要内部放电： (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

14、负极性，而且放电次数随负荷而变动。 2526 (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。 检测局部放电的方法： 1、中性点射频法 原理如图9-16所示。27 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300微伏； 2) 当达到500 1000微伏，已可能有12根导线断股； 3) 当达到3000微伏时，可能有6根左右导线断股。 如果该射频测量仅的测量

15、值大于1000微伏时，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。28 2、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9-17所示。利用这种方法可以定期对发电机进行检测，可以检测到定子槽部放电和绕组绝缘的劣化过程。 注意：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地接到差分放电器上，可大大抑制来自电源等的外来干扰。 2930 图9-18进一步给出了一种专门用于在线监测槽部局部放电的测量装置原理

16、图，它用耦合电容器采集信号后经高滤波，分别将信号送到局部放电测量单元和频谱分析仪，利用该仪器可以记录放电区分放电的部位。 3、高频天线法 如图9-19给出了一种基于高频天线法进行局部放电检测的原理图。它从天线上接收信号，信号经放大后再检测，检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。使用这种仪器可以检测到绕组股线的电弧放电与其它危害性放电。但缺点是仪器接收到的信号与放电量没有直接的联系，难以定量。 3132 图9-21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

17、用了很高的频段(如16GHz)，常见的背景干扰已较小，能明显区分出局部放电。 3334 二、转子绕组接地及匝间短路故障诊断 1转子绕组接地故障检测与诊断 导致接地故障的原因：滑环绝缘损坏、引线绝缘损坏、转子绕组端部积灰和槽口绝缘损伤造成的，也有一些是因为槽绝缘损坏引起的。 检测方法： 在线检测转子接地故障可以用一个电位计，经一个灵敏的检流计构成一个电桥电路，检流计的一端接地，如图9-22所示。当接地故障点的位置变化时，或出现第二接地点时，电桥就失去平衡，检流计出现指示。35 一个更灵敏的检测方法是采用直流电压降法，其原理接线如图9-23所示，这种方法不仅能够检测到接地故障，而且可以进行故障定位

18、。36 这种方法是在滑环上通以直流电流，测量正、负滑环对转子本体的电压和正、负滑环之间的电压。根据测得的正、负滑环对地电压值可以求出转于绕组接地点距正、负滑环的距离分别为： 式中：l+、l-分别为接地点距正、负滑环距离与转子绕组总长度l的比值。37 为准确确定接地点的轴向位置，常采用直流法，其原理接线图如图9-24所示。测量时将探针沿转子表面轴向移动，当移动到检流计的指示值为零(或接近于零)时，该处即为绕组接地点所在断面的轴向位置。该方法的准确性决定于所通电流的数值、检流计的灵敏度以及转子与测试设备远离电磁场的程度。38 利用冲击波技术既可检测发电机转子的接地故障，又可检测匝间故障。其测量电路

19、如图9-25所示，绕组可近似地看成一简单的传输线，冲击波在其上的传播主要是由绕组导体在槽中的几何形状和绝缘性质决定的。39 2、转子绕组匝间短路故障检测与诊断 造成匝间短路的原因： (1)结构设计不良； (2)加工工艺不良； (3)运行中受热和机械应力的作用，使绝缘受损或绕组变形； (4)运行年久，绝缘老化。 检测方法： 检测静态匝间短路故障可采用直流电阻比较法，用电压电流法或双臂电桥测量转子绕组的直流电阻，和原始数据比较，如变化不超过2，则认为匝间无短路现象，如超过2，则应进一步查找有无匝间短路现象。试验表明当匝间短路数量超过总匝数的4-10时，用直流电阻比较法比较有效。40 感应电势相量法

20、是根据转子上各齿间合成漏磁通的分布来判断转子绕组有无匝间短路的方法，它可以决定匝间短路的具体槽号。 具体测量方法有单开口变压器法和双开口变压器法。单开口变压器法测试接线如图9-27所示。双开口变压器法是在同一线槽上或同一绕组相对应的两个槽上放置两个开口变压器，一为发射变压器，一为接受变压器，如图9-28所示。4142 发电机转子绕组匝间短路在线监测的基本原理是对同步发电机气隙中的旋转磁场进行微分，根据微分所得的波形，分析、诊断转子绕组是否存在匝间短路故障，并准确判断故障所在的槽位。43 三、发电机温度在线检测 发电机绝缘所能承受的最高温度决定着它的额定容量，温升试验是出厂前必做的试验之一，在运

21、行当中对温度进行检测是十分重要的。 方法：用埋入式检温元件测量发电机内部某些部位的局部温度、测量发电机内温度分布并计算平均温升。 随着科学技术的发展，光纤温度传感器开始用于发电机内部转子温度测量，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。44 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入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。

22、4、发电机绝缘劣化的化学检测技术 绝缘劣化后都会产生微粒或气体，可以通过检测冷却气体中有无微粒存在，或测定某些比较简单的气体成分，实现对发电机的在线检测。45 1、微粒在线检测技术 适用范围：大型氢冷等密封循环系统的发电机。 如图9-31是一种基于测量离子电流的发电机内部过热测量方法。试验时用 射线使氢气电离，电极将捕获氢离子而使其形成离子流，经放大后可检测到。这种方法已用于检测发电机铁心故障。 同时也存在一些缺点，即监测装置输出的大小随冷却气体的压力和温度而变化，且对油雾也有反应，它不能区别是哪种绝缘材料的过热。 4647 改进措施： (1)采用差动技术。 (2)将离子室放在120的高温环境中，可以消除油雾的影响，防止监测器的误报警，但这时仪器的灵敏度下降了20。 (3)在微粒监测器后加装气样采集装置，当