韩剑波，刘学忠，陈正华，赵 勇，韩 斌，马 勇

风力发电机绝缘状态一体化检测装置研发

韩剑波1，刘学忠1，陈正华2，赵 勇3，韩 斌3，马 勇3

（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049；2.华能江苏清洁能源分公司，江苏 南京 210000；3.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

风力发电机绝缘状态现场检测对提高风电机组运行可靠性具有重要意义。本文通过分析双馈风力发电机绝缘电阻、介质损耗因数、局部放电和脉冲电压波形等非破坏性绝缘状态特征参数的现场检测技术，设计并开发了一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，该装置主要包括电源模块、信号测量模块、数据采集模块和软件分析模块，通过电源模块提供多参数检测所需的高压试验电源，对各参数分别进行测量分析。实际应用结果表明，该装置能实现对风力发电机绝缘电阻及极化指数、介质损耗因数、电容、局部放电和脉冲波形等多种绝缘状态特征参数的检测，检测精度满足实际要求。而且，在实际应用中可综合评估发电机的绝缘状态，避免单一参数评估的片面性，且一体化程度高。

双馈风力发电机；绝缘状态；检测装置；绝缘电阻；介质损耗因数；局部放电

自2012年以来，我国风电的累计装机容量已经超过美国跃居世界第一[1]。根据我国能源局统计结果，2018年我国风电发电量达到3 660 亿kW h，占总发电量的5.2%[2]，风电在我国发电领域越来越受重视。双馈风力发电机作为风电机组的重要部件之一，其可靠性直接影响风电机组的运行安全[3]。

目前我国双馈风力发电机投运后其绝缘故障率一直较高。发电机在运行过程中承受电、热、机械和环境应力的联合作用[4]，直接影响绕组绝缘状态的劣化过程。绝缘劣化不仅会降低发电机的长期绝缘强度，而且会引发发电机运行故障[5]，甚至可能造成突然停机的意外事故。风电场多处于高原、草原或者海上等偏远地区，绝缘劣化使风力发电机运维费用较高[6]。因此，对风力发电机绝缘状态进行现场检测，对保证风电机组的平稳运行和降低风电场的运维成本有重要意义。

现场检测风力发电机绝缘状态时，需要将检测设备运到风塔上。由于检测设备总体体积大且较重，同时接线换线复杂，导致现场检测效率低。为此，本文设计了一种便携式风力发电机绝缘状态一体化检测装置，该检测装置可实现多个绝缘特征参数的现场检测和分析。

1 绝缘状态特征参数及现场检测技术

电力设备绝缘检测包括破坏性和非破坏性两种[7]。为准确评估运行中风力发电机的绝缘状态，需选择既能有效反映发电机真实绝缘状态又适宜风电场现场检测的非破坏性绝缘特征参数。

1.1 绝缘状态特征参数

本文选择适合进行风力发电机现场检测的非破坏性绝缘特征参数分别为：1）绝缘电阻及极化指数作为反映发电机绝缘受潮程度、电导性缺陷和表面泄漏的参数；2）介质损耗因数及电容作为反映发电机绝缘整体老化程度的参数；3）局部放电作为反映发电机绝缘分层、剥离或断裂导致内部出现气隙性局部缺陷的参数；4）脉冲电压波形比较作为反映发电机绕组匝间绝缘故障的参数等。

1.2 现场检测技术

分析对比所选取各绝缘特征参数现有测量方法的现场适用性，确定选取的各绝缘参数的现场检测方法分别为：1）绝缘电阻采用电压电流测量法；2）介质损耗因数及电容采用谐波分析的数字化测量法[8]，其测量回路为“反接法”[9]；3）局部放电采用并联测量回路的脉冲电流法[10]；4）脉冲波形比较采用阻容分压的测量方法等。

2 一体化检测装置研发

2.1 整体结构

一体化检测装置需实现多个绝缘特征参数的现场检测，结合各参数的测量原理与适宜风电场的检测技术，基于前期工作的基础[11]，设计了风力发电机绝缘状态一体化检测装置整体结构（图1）。该装置主要分为电源模块、信号测量模块、数据采集模块和软件分析模块。信号测量模块包括温度和湿度测量模块，用于现场检测时记录被测发电机绕组的环境温度与湿度，便于更准确评估发电机的真实绝缘状态。为了提升一体化检测装置的便携性，该装置采用USB型数据采集卡实现4种绝缘参数检测所需的数据采集功能，数据采集卡通过USB传输线与便携式笔记本电脑中的软件分析模块相连接，通过软件分析模块实现对检测数据的现场分析处理，从而实现风力发电机绝缘状态特征参数的现场检测。

图1 风力发电机绝缘状态一体化检测装置整体结构

2.2 电源模块

电源模块利用风电机舱上的220 V供电，通过转化实现各绝缘参数检测所需的高压交流、直流和脉冲电压，其中交流电源应满足局部放电（局放）检测时对试验电源的无局放要求。电源模块结构如图2所示。交流电源通过无局放升压变压器获得高压交流，在高压交流的基础上通过整流滤波获得高压直流，然后通过储能电容充电、放电获得高压脉冲，充分利用各种高压电源之间的重复部分，以减小一体化装置的体积与重量。同时，电源模块设置完整的电源控制部分，包括电源保护、电源切换和电压显示电路。电源保护主要由过电流保护实现对检测人员和装置的安全保护；电源切换实现试验电源之间的转换；电压显示实现对3种电源输出 电压的显示。

图2 电源模块结构

2.3 绝缘电阻检测模块

风力发电机绝缘电阻现场检测原理如图3所示。分别提取被测发电机绕组主绝缘上所加载直流电压与流过发电机绝缘的泄漏电流信号，计算得到被测发电机绕组绝缘电阻值R，然后由1 min与10 min绝缘电阻计算极化指数。

图3 绝缘电阻及介质损耗现场检测原理

2.3.1信号提取

电压信号提取采用1 000:1的精密高压分压器（1，2）将高压直流转换为低压直流信号。由于双馈风力发电机定子、转子铁心均直接接地，无法在被测发电机的接地端串入取样电阻或电流互感器来测量电流，同时由于试验电压较高，在高压端串入取样电阻会导致测量过程较危险。因此，采用在直流电源负端（低压端）串入取样电阻（f）来测量流过被测发电机绝缘系统的电流信号。对于被测发电机不同的绝缘阻值范围，需要不同取样电阻，通过检测软件数据采集卡的数字量输出端口，输出信号控制微型继电器实现不同取样电阻之间的切换，实现测量量程的自动切换。

2.3.2信号处理

由于分压器与取样电阻提取的电压和电流信号不能直接送入数据采集卡，需要信号调制电路转换后才能进行数据采集。绝缘电阻检测信号调制包括低通滤波器、程控放大电路、电压跟随电路和输出保护电路，由信号调制电路将所提取信号预处理后送入数据采集卡实现A/D转换，转换后的数字信号送入绝缘电阻检测软件，计算得到绝缘电阻及极化指数。

2.4 介.质损耗因数及电容检测模块

风力发电机绕组绝缘的介质损耗因数及电容现场检测原理如图3所示，同样由分压器并联在交流电源输出端提取所加载电压信号，电流传感器（CT）串联在交流电源高压输出端提取电流信号。通过软件对电压和电流信号进行加Hanning窗插值的离散傅里叶变换（DFT）[8]，得到电压和电流基波的相位与幅值，进而求得绕组绝缘的介质损耗因数和电容值。

2.4.1信号提取

采用型号为BCT-2小电流传感器提取工频电流信号，其检测范围为100 μA~700 mA工频电流，相位变换误差不大于0.01°[12]。

2.4.2信号处理

介质损耗因数及电容检测方法信号调制电路主要包括输入保护、500 Hz低通滤波器、电压跟随电路与输出保护电路。经处理后的测量信号由介质损耗因数及电容检测软件计算得到绕组绝缘的介质损耗因数及电容值。

2.5 局部放电检测模块

在双馈风力发电机现场局部放电检测时，由于不能拆解电机，加上电机机壳的屏蔽和发电机铁心直接接地，因此采用并联测量回路的脉冲电流法检测局部放电，其检测原理如图4所示。交流试验电压经过低通滤波器Z后施加于被测发电机定子或转子绝缘系统Cx上，绕组绝缘系统产生的局放信号经耦合电容Ck耦合到检测阻抗Zm上，检测阻抗将局放脉冲电流信号转换为脉冲电压信号后送入信号处理系统M。

图4 局部放电检测原理

2.5.1 信号提取

局放检测采用无局放耦合电容器，额定工作电压为5 kV，电容为1 000 pF。根据常规兆瓦级双馈风力发电机整机定子和转子的容量，选择可检测容量范围为25~400 nF的LCR型检测阻抗[13]，提取被测发电机绝缘系统上的局放信号。

2.5.2信号处理

检测阻抗得到的局放信号需经过信号调制电路处理，信号调制电路主要包括前置放大电路、10~300 kHz带通滤波电路、程控放大电路和输出保护电路。然后通过局放检测软件根据测量信号分析计算出局部放电的视在放电量、起始电压和熄灭电压等表征参数。

2.6 脉冲波形比较检测模块

本文脉冲波形比较只检测绕组的脉冲电压波形，检测原理如图5所示。首先任选发电机定子或转子一个绕组（如U—W）作为参照品，另一个绕组（如V—W）作为测试品，在U—W和V—W上施加相同的脉冲电压。然后更换测试绕组，重复试验一次。综合比较三相绕组在脉冲电压下衰减振荡波形之间的差异量，判断被测发电机绕组的绝缘故障。脉冲波形比较检测通过提取分压器低压臂上的电压波形得到被测发电机绕组上的脉冲电压波形。提取后的电压信号经信号调制电路预处理后送入数据采集卡实现A/D转换，由脉冲波形比较检测软件进行数据分析处理。

图5 脉冲波形比较检测原理

3 风电现场检测

为了验证一体化检测装置的功能及现场适用性，利用该检测装置对浙江云和黄源风电场在役双馈风力发电机进行绝缘状态现场测试和分析。

3.1 绝缘电阻现场检测试验

由一体化检测装置施加1 kV直流电压于发电机转子绕组，绝缘电阻现场检测结果如图6所示。由图6可知，被测发电机转子绕组在22 ℃的60 s绝缘电阻60为8.16 GΩ（折算到40 ℃时60为 2.38 GΩ），吸收比KI为2.4（大于阈值1.3），极化指数PI为4.0（大于阈值2.0）。被测发电机转子 绕组绝缘电阻、吸收比和极化指数均符合正常状态指标要求[14]。

图6 转子绕组绝缘电阻现场检测结果

3.2 介质损耗因数及电容现场检测试验

由一体化检测装置施加交流电压于被测发电机转子绕组，分别检测发电机转子绕组在0.2、0.4、0.6、0.8和1.0下的介质损耗因数及电容值[15]，其中最大交流试验电压取2 kV。被测发电机转子绕组介质损耗因数及电容在约400 V电压下现场检测结果如图7所示。被测风力发电机转子绕组介质损耗因数及电容现场检测结果见表1。

图7和表1结果表明，被测发电机转子绕组介质损耗因数及其增量与电容值及其增量均符合正常状态指标要求[15]。

3.3 局部放电现场检测试验

由一体化检测装置将交流电压施加于被测风力发电机转子绕组上，从0 V开始逐渐增加电压直至发生局部放电[16]，电压不得高于规定的最大允许交流试验电压（2 kV），同时降低电压直至得到局放熄灭电压。被测发电机转子绕组局部放电现场检测结果如8所示。

图7 转子介质损耗因数及电容现场检测结果

表1 转子绕组介质损耗因数及电容现场检测结果

Tab.1 The on-test detection results of dissipation factor and capacitance of rotor winding

图8 转子绕组局部放电现场检测结果

由图8可见，由一体化检测装置现场检测得到被测发电机转子绕组局放起始电压PDIV为1.51 kV，局放熄灭电压PDEV为1.30 kV。

3.4 脉冲波形现场检测试验

由一体化检测装置分别施加相同且符合规定的脉冲电压于被测发电机转子任意两相绕组接线端子间[17]，转子绕组脉冲电压波形检测结果如图9所示。

图9 转子绕组脉冲波形比较现场检测结果

由图9可见，比较一体化检测装置现场检测到转子三相绕组在脉冲电压下响应的振荡电压波形，未发现波形明显不重合，判断被测发电机转子绕组无明显绝缘故障发生。

现场检验结束后，将一体化检测装置的检测结果与风电场对该发电机的检修数据进行对比，一体化检测装置得到的绝缘电阻及极化指数、介质损耗因数、电容、局放起始电压及熄灭电压数据与标准测试仪器测量结果非常接近，数据特征一致，脉冲波形与匝间耐压仪测试结果也完全一致。现场验证结果表明，该一体化检测装置实现了所设计的各项功能指标，检测精度满足设计要求，适用于风电场风力发电机绝缘状态特征参数的检测。同时，相较于现有常规绝缘状态检测装置侧重于局部放电检测[18-19]，本文研制装置可实现对风力发电机绝缘电阻及极化指数、介质损耗因数、电容、局放和脉冲波形等多种绝缘状态特征参数的检测，可根据多种绝缘参数综合评估发电机的绝缘状态，避免了单一参数的片面性，具有一体化程度高的特点。

4 结 语

本文设计开发了一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，并成功应用于风电场。该装置适合双馈风力发电机绝缘电阻及极化指数、介质损耗因数、电容、局部放电和脉冲波形等多种绝缘状态特征参数的现场检测，也可用于风力发电机的绝缘状态现场检测数据采集和统计分析工作，这对提高风力发电机运行可靠性具有重要意义。

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Design and development of integrated detection device of insulation state for wind generator

HAN Jianbo1, LIU Xuezhong1, CHEN Zhenghua2, ZHAO Yong3, HAN Bin3, MA Yong3

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Huaneng Jiangsu Clean Energy Branch Co., Ltd., Nanjing 210000, China; 3. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

For improving the operational reliability of wind turbines, it is of great significance to develop on-site detection technology for insulation state of wind generator. Through analyzing the on-site test methods of non-destructive insulation characteristic parameters of doubly-fed wind generator, including the insulation resistance, dissipation factor, partial discharge and pulse waveform comparison, an integrated detection device for wind generator insulation state on-site detection was designed and developed in this paper. The device consists of four modules, including power module, signal measurement module, data acquisition module and software analysis module. The power supply module provides the high voltage test power supply needed for multi-parameter detection, and each parameter is measured separately. Then, this integrated detection device is applied in on-site test for the in-service doubly-fed wind generator in the wind farm, and the test results show that this device is suitable for on-site detection of wind generator insulation characteristic parameters, such as insulation resistance and polarization index, dielectric loss factor, capacitance, partial discharge and pulse waveform, and the detection accuracy meets the actual requirements. In practical application, the device can comprehensively evaluate the insulation state of the generator, which avoids the one-sidedness of single parameter evaluation, and has a high degree of integration.

doubly-fed wind generator, insulation state, detection device, insulation resistance, dielectric dissipation factor, partial discharge

TK83

B

10.19666/j.rlfd.201904077

韩剑波, 刘学忠, 陈正华, 等. 风力发电机绝缘状态一体化检测装置研发[J]. 热力发电, 2019, 48(7): 131-136. HAN Jianbo, LIU Xuezhong, CHEN Zhenghua, et al. Design and development of integrated detection device of insulation state for wind generator[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 131-136.

2019-04-04

中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ16-H22, HNKJ18-H32)

Supported by：Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ16-H22, HNKJ18-H32)

韩剑波(1994―)，男，硕士研究生，主要研究方向为风力发电机绝缘检测技术，hanjianbo@stu.xjtu.edu.cn。

刘学忠(1962—)，男，博士，副教授，主要研究方向为变频电机绝缘检测、电力设备电磁场分析及绝缘设计等，xliu@mail.xjtu.edu.cn。

（责任编辑 杜亚勤）