大型水轮发电机定子绕组放电...基于真实线棒模型的仿真研究_黎宏飞.pdf

电力科技与环保2023,39(3):207 214Electric Power Technology and Environmental Protection207大型水轮发电机定子绕组放电故障分析及基于大型水轮发电机定子绕组放电故障分析及基于真实线棒模型的仿真研究真实线棒模型的仿真研究黎宏飞，高宗宝，蔡有为，吴 达，岳金山(国家能源集团科学技术研究院有限公司成都分公司，四川 成都610073)摘要：大容量、高电压水轮发电机投运后，部分发电机端部可能出现严重放电现象并发展成为较大安全事故，给发电企业的安全稳定运行带来了巨大挑战，为及时发现和处理这种发电机局部放电异常情况，本文首先通过制作线棒放电模型对 3 种最典型放电进行模拟，形成了具有参考价值的脉冲电流法局部放电图谱。其次，通过一个实际发电机故障案列的分析，以局部放电试验来验证放电图谱对放电类型判断的准确性。结果表明，脉冲电流法局部放电图谱的具有重要参考价值，局部放电试验和该图谱法对比显示准确性达到 83%，基本满足现场有干扰情形下的应用要求。所述发电机故障分析方法为专业人员处理类似问题提供了参考方案，放电特征图谱对判断放电故障的类型具有明确的指导意义。关键词：发电机线棒;缺陷处理;局部放电;放电类型;仿真中图分类号:TM591；TM835文章编号:1674-8069(2023)03-207-09文献标识码:BDOI 编号:10.19944/j.eptep.1674-8069.2023.03.004引用本文格式黎宏飞,高宗宝,蔡有为,等.大型水轮发电机定子绕组放电故障分析及基于真实线棒模型的仿真研究J.电力科技与环保,2023,39(3):207-214.LI Hongfei,GAO Zongbao,Cai Youwei,et al.Analysis of discharge faults in stator windings of simulated large hydroelectric generators andits application simulation research on real wire rod modelJ.Electric Power Technology and Environmental Protection,2023,39(3):207-214.Analysis of discharge faults in stator windings of simulated large hydroelectricgenerators and its application simulation research on real wire rod modelLI Hongfei,GAO Zongbao,CAI Youwei,WU Da,YUE Jinshan(China Energy Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu Branch,Chengdu 610073,China)Abstract：After the large capacity and high voltage hydro generators are put into operation,serious discharge may occur atthe ends of some generators and develop into a major safety accident Itposes a huge challenge to the safe and stableoperation of power generation enterprises.In order to timely discover and deal with this abnormal situation of generatorpartial discharge,this paper first simulates the three most typical discharges by making a bar discharge model,A pulsecurrent method partial discharge graph with reference value has been formed.Secondly,through the analysis of an actualgenerator fault case,the accuracy of the discharge pattern in determining the discharge type is verified through partialdischarge tests.The results indicate that the pulse current method has important reference value for the partial dischargespectrum The accuracy of the partial discharge test compared to this spectrum method reaches to 83%is relatively high.The generator fault analysis method described provides a reference scheme for professionals to handle similar problems,and the discharge characteristic graph has clear guiding significance for determining the type of discharge fault.Key words:generator bar;defect treatment;partial discharge;discharge type;simulation收稿日期：2023-05-16基金项目：水轮发电机定子线棒绝缘老化机理分析及处理新技术的研究(CD2022SK115 号)2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期2081引言随着中国清洁能源的大力发展，大容量水轮发电机的投运数量与日俱增。大型水轮发电机的线圈一般采用条状线棒，在现场进行组装，两根线棒之断点需要并浇筑环氧材料进行覆盖，以形成一个绝缘盒。线棒的制作工艺较为复杂，需要采用一系列工艺，如在特制铜条上绕制云母带、浸渍环氧树脂、涂刷半导体材料、涂刷绝缘漆以及烘干处理等步骤方可完成整根线棒的制作。发电机由几百上千根线棒现场组装，其是否发生局部放电与线棒的额定电压、加工工艺、线棒的设计间隙以及线棒安装工艺等因素有关。在其他条件不变的情况下，额定电压从 10.5 kV 到 24 kV，电压越高，线棒发生局部放电的风险也越大1-3。线棒端部表面凹凸不平，同时随着运行时间的增加，线棒表面会积累较多灰尘和油污，表面容易产生电晕放电；长时间的电晕放电可能会对线棒表面形成腐蚀4-5。在高电压条件下（例如 20 kV 到 24 kV），相间电位差较大的情况下也是产生电晕和电晕腐蚀的又一个原因，这类原因的关键在于定子绕组端部电气距离设计未能满足绝缘要求6。大型机组检修时外委人员的技术水平参差不齐，不规范的拆装线棒槽作业可能导致线棒防晕层、绝缘层损伤，带入金属异物造成悬浮放电或金属性放电。如果不能及时发现和处理发电机局部放电异常情况，有可能发展成为较大的安全事故，对发电企业的安全、稳定运行带来巨大挑战。经过研究目前水轮发电机线棒最常见的放电类型有三种：电晕放电、金属性放电、悬浮性放电6-7。作者制作了对应的线棒放电模型，对三种典型放电现象进行模拟，并通过大量测试、分析，得出了三种特定放电图谱，从波形的放电相位、幅度和放电增量的差异性，对放电类型进行区分和识别。通过一个实际故障案例的验证，表明放电图谱对放电类型的判断具有较高的准确性。2试验方法2.1放电模型制作发电机线棒放电缺陷主要存在以下几种情况：一是线棒上的金属毛刺形成高电场、拐角 R 部电场集中、直线部位防晕漆损伤形成电晕放电；二是金属性异物进入线棒破坏部分云母材料后形成金属放电；三是线棒表面有导电性物质形成悬浮性放电8。针对线棒内上述缺陷对应设计了 3 种缺陷模型，如图 1 所示。图 13 种典型放电模型Fig.1Three typical discharge models图 1 中，模型中支架由绝缘性能较高的环氧树脂绝缘筒支撑，绝缘筒通过 30 kV 高压 10 min 耐压测试。线棒采用 950 mm 长，宽 30 mm、高 5mm 矩形铜导体，所有边角进行导圆打磨，中部采用云母带半叠包紧密绕制，长度 900 mm。全部并浸渍环氧树脂形成 5 mm 主绝缘层，通过 48 h、130 热风持续固化收紧，主绝缘厚度为 4.8 mm。防晕层长度 700mm，采用中部涂抹低阻漆长度 500 mm，低阻漆两端各涂沫 100 mm 高阻漆。通过耐压测试，线棒能承受 20 kV 耐压 1 min，测试线棒均为 3 根。金属性放电模型针电极采用钨合金材质，该电极可维持在较长试验时间，避免普通金属电极易发生放电即烧损电极的情况。在线棒主绝缘上插入 3mm 后固定外部紧密覆一层盖锡箔纸，使用铜带将锡箔纸接地如图 1(a)所示。悬浮放电模型针电极采用长度 20 mm 铁针贴在低阻漆表面，锡箔纸不覆盖铁针，使用铜带将锡箔纸接地如图 1(b)所示。悬浮放电模型设计为低阻和高阻防晕漆交接面挖除 25 mm25 mm 矩形区域，锡箔纸不覆盖挂除区域，其余部位使用铜带将锡箔纸接地如图 1(c)所示，无局放测试系统示结构示意如图 2(a)所示。测试系统均采用无局放设备（放电量10 pC），如图 2（b）所示。试验电压分为 6 个阶段,每个 2 kV 为一个阶段，每个阶段均在放电量基本稳定后读取放电量值并进行录波。局部放电量测试采用电流脉冲法测试，放电量均为视在放电量，校准信号为 500 pC，同步2023 年黎宏飞 等：大型水轮发电机定子绕组放电故障分析及基于真实线棒模型的仿真研究第 3 期209信号取自试验变压二次信号，测试过程中保证高压信号零位能固定，便于对放电图谱进行记录和分析。采用最直观可行的方法记录相位（P）-幅度(Q)特征图谱（简称 PQ 特征图谱）进行放电类型识别，经过多次测试和分析提取最具代表性的图谱并对放电类型分类9。因现场试验存在较大干扰，放电图谱存在很大不确定性，PQ 特征图谱的测试可弥补目前电流脉冲局放放电检测技术上的不足。PQ 特征图谱采用椭圆观察模式，其象限分布如图 3 所示。(a)无局放测试系统示意图(b)无局放测试系统布置图Fig.2Schematic and layout diagram of non partialdischarge testing system图 3PQ 放电图谱象限划分Fig.3Quadrant division of PQ discharge graph2.2线棒金属放电仿真图谱为便于对比分析，制作了无故障的参考线棒，其在整个试验电压阶段放电特征变化平缓，未出现较大突变，最大放电量 1 232 pC，放电变化趋势如图 4 正常参考线棒所示，从图中可以看出,额定电压12 kV 下定子线棒的局部放电量远低于中国电机工程学会标准T/CSEE 0042-2017中不大于4 000 pC的要求。金属性放电试验前期（04 kV），绝缘未被电场穿透，呈现出良好线棒的特性，电压大于 5 kV后一旦被电场穿透，则发生部分绝缘崩塌，放电量将急剧增加如图 4 金属放电线棒10-11，电压超过 6kV 之后放电量快速增加，8 kV 放电量达到 8 925pC，放电波形具有典型的金属性放点特性，放电增量大于 2 600 pC/kV。