王文龙

摘 要：本文簡单介绍了局部放电的形成原因和检测手段，分析了各种检测方法的原理、特点和适用范围。其间以某发电厂发电机局部放电在线监测装置为例，介绍了其检测原理、降噪技术、影响因素以及故障处理的原则。

关键词：局部放电;局放检测;发电机;在线监测

中图分类号：TM303.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0054-03

Study on Application of Partial Discharge Detection Method in Generator

WANG Wenlong

（Beijing Jingxi Gas-fired Thermal Power Co.， Ltd.， Powerbeijing Group，Beijing 100041）

Abstract： This paper briefly introduced the causes and detection methods of partial discharge， and analyzed the principles， characteristics and scope of application of various detection methods. In the meantime， taking the partial discharge online monitoring device of a generator in a power plant as an example， the detection principle， noise reduction technology， influencing factors and principles of fault handling were introduced.

Keywords： partial discharge;partial discharge detection;generator;online monitoring

局放是指局部放电，它是一种绝缘介质的部分区域被击穿后发生的放电现象，发生的范围小，不会直接导致绝缘失效，一般的耐压试验可能无法检出。但积年累月，放电范围会逐渐扩大，腐蚀正常绝缘，最终导致绝缘失效。电气设备绝缘介质所承受的电场强度不均，绝缘介质本身可能会产生空穴、气泡以及不同的绝缘介质复合都可能会导致绝缘介质部分区域电场强度超过其所能承受的上限，进而发生局部击穿，引发放电现象。局放是绝缘失效的征兆，检测局放有助于预防绝缘劣化，做到预知维修。

局放发生时会产生电磁波、电脉冲、超声波和光等物理现象，绝缘介质受热也可能会分解产生一些新的物质，利用各种传感器对这些物理量或新生成的物质进行采集和测量，就是局放的检测手段。再对所采集的数据进行统计处理，利用各种智能算法提取特征后定性或定量地得出局放的剧烈程度、局放的类型和局放发生的位置等信息，人们通过这些信息就可以合理评估局放的危害程度。

1 局放的检测方法

根据检测的物理量不同，局放检测有电检测法、特高频检测法、超声波检测法、光检测法和化学检测法等。

1.1 电检测法

电检测法主要用于检测局放发生时产生的电流脉冲和电磁波。当局放发生时，无论是放电产生的电流脉冲还是辐射出的电磁波，频率都很高。由于中性点的电位很低，电力设备内部的电弧放电都将在中性点接地线内产生相应的电流，人们可以利用装设在电力设备中性点处的高响应频率的电流互感器采集数据，再经过放大、检波、峰值保持等处理，得到电流脉冲的幅值、频率等，根据这些信息对局放的危险程度进行评估。这种方法就是脉冲电流法。脉冲电流法的优点是安装方便，可以在线安装传感器，是唯一有标准可依、可以标定的方法[1]，但对于GIS设备和大型电力变压器来说，局放信号传输到中性点时已经有很大的衰减，所能检测到的频率低，容易与噪声混淆，信噪比低，信息量也不够丰富，检测结果准确性不高，要靠经验来判断。

1.2 特高频检测法

局放发生时会向周围辐射出电磁波，人们可以利用各种高频传感器进行数据采集，然后进行后期处理，这种方法就是特高频检测法。GIS设备内电磁波传播特性已研究得较为透彻，其同轴结构相当于引导电磁波的波导管，信号在设备内部的衰减小，传播时间长，有利于局放检测[2]。由于变压器结构复杂，电磁波在设备内部传播特性不明朗，可能会衰减反射，所以如果变压器采用高频检测法，一般需要在变压器内部装接收电磁波的天线，这样便能使所接收的电磁波更接近局放初始时产生的电磁波。特高频检测法可以检测到ns级频宽的电磁波[3]，所测得的波形畸变小，频率远高于噪声，有着信噪比高的优点，适合进行在线监测，对突发故障响应也比较及时。缺点是目前没有针对特高频检测法的标准，无法用放电量大小来标定局放强度。

1.3 超声波检测法

在局放发生时，放电源瞬间释放热量，可使周围的介质体积变化而产生超声波。这种波以放电源为球心，向四周传播。人们可以利用超声波传感器采集数据并进行后期处理，这种方法就是超声波检测法。超声波传感器不一定要安装在设备内部，可以在线安装。根据电力设备内部介质、环境条件等的不同，检测到超声波的频率也不同。超声波检测法可以检测电力设备内金属颗粒自由移动时产生的机械波，与电检测法结合，可以更好地评估其运动轨迹及危险性。超声波抗电磁干扰能力强，人们可以对变压器内部局放进行定位，在变压器内部或外部安装多个超声波传感器，利用这些传感器的空间位置和收到信号的时间差，列出方程组，然后利用各种定位算法求解出信号源的空间位置。超声波在环氧材料中衰减严重，对于环氧材料绝缘子气泡内发生的局放，反应不灵敏或者根本检测不到[2]，超声波检测法也不适合进行定量分析，经常与电检测法结合使用。

1.4 其他方法

除了以上三种方法外，还有光检测法、化学检测法等。在局放发生时，检测所发出的光信号的方法就是光检测法。光检测法受设备透光性能影响，在不透光时，即使发生局放，也检测不到信号，且传感器必须植入设备内部，因此该方法基本上没有直接应用。但是，光信号抗电磁干扰能力强，传播时延低，能快速响应，如果可以解决传感器植入的问题，那么它也是一种很有潜力的检测方法。化学检测法通过检测局放发生后新生成的产物的组成和含量来评估局放危险程度，一般用于检测气体、液体绝缘介质。变压器油的色谱分析技术就是对油中产生的气体进行检测的一种化学检测法，根据所检测出的气体特征进行变压器内部故障类型判断时，有相关国家标准可依。但化学检测法一般只能定性检测局放是否发生，无法定量分析局放发生的强度、位置，对局放检测的灵敏度不高，突发故障反应慢，但其一直是电检测法的有力补充。

2 局放在线监测在发电机中的应用

下面以某电厂所采用的局放检测装置为例，简要介绍其原理和使用过程中发生的问题。

某电厂发电机所使用的局放在线监测系统为由拿大IRIS公司生产，其主要由传感器、信号电缆、监测仪器和上位计算机等构成。由于局放号是高频信号，定子线圈有一定的感抗，且频率越高，感抗越高，假设局放信号的频率为83 MHz，根据感抗公式，定子线圈对于局放信号的感抗是50 Hz交流电的160多万倍，所以局放信号在定子线圈内传输的距离不远。同时，距离中性点越近，定子线圈承受的电压越低，越不容易发生局部放电，因此传感器比较合理的安装位置是定子线圈的高压侧靠近局放发生的部位。本局放在线监测装置所使用的传感器为80pF电容器，简称EMC。

根据容抗公式，频率越高，容抗越小，假设局放信号的频率为83 MHz，传感器对于局放信号的容抗为50 Hz交流电的一百六十万分之一，极大地阻碍了低频信号。有研究表明，工业现场电噪声的频率一般不超过20 MHz，而局放信号到达传感器处的频率一般为40～250 MHz。80pF电容器对高频导通、对低频阻礙的作用正好可以使其过滤掉现场的低频噪声，所以采用EMC作为传感器在理论上应该能达到很高的信噪比。另外，局放在线监测装置还具备噪声定向分离技术，大概做法是除了在发电机出线安装一个传感器外，在沿着出线2.5～4.0 m后再安装一个传感器，用两根等长的电缆将两个传感器接收到的信号传送到监测仪器，根据信号到达两个传感器的幅值大小和时间先后判断信号源是来自发电机侧、断路器侧还是来自两个传感器之间。

在使用局放在线监测装置的过程中，该电厂监测到一些异常数据，具体为发电机A相的局放数值Qm达到4 000 mV左右，无增大趋势。Qm是机器内部统计每秒放电次数10次以上的放电量最大值，可以理解为放电能量的大小，有正放电量最大值和负放电量最大值，在相对的正半周内气隙发生的放电称为负放电，负半周内发生的放电称为正放电。发电机定子电压、负荷、定子温度、氢压和环境湿度对局放都有影响，根据放电量的极性和影响因素，人们可以对发电机内部局放类型进行初步判断。一些导致局放发生的故障和局放随影响因素变化的特性如表1所示。

当线棒松动时，随着负荷的增大，线棒中的电流增加，线棒在发电机磁场中受到的力就增大，正局放就会远大于负局放且随着负荷的增大而增大。主绝缘内部或者靠近铜导体的空隙导致的局放受温度影响较大，因为发电机启动初期，温度较低，当运行一段时间后，这些部位温度升高，体积膨胀导致空隙变小或者消失，局放也就会变小或者消失。局放和气隙形状及气体也有关系，因此氢压的变化对局放也会产生影响。若局放和氢压成反比，则说明局放发生在氢气环境中;若局放和氢压成正比或者无明显关系，则说明局放发生在氢气环境之外。除此以外，湿度对于局放的影响较复杂，一般只有空冷发电机受影响，湿度越大，空气越容易被击穿，局放越容易发生，但湿度增大也会增加绝缘表面的导电率，减少局放的发生。

除了根据放电量数据本身判断发电机内部是否有问题外，局放的趋势分析也是一个重要的判断标准，如果局放强度Qm每半年高于1倍的速率增长且大于报警值，就说明定子绝缘有较严重的问题。局放对绝缘故障起预警作用，在绝缘故障之前局放会有明显的变化，而且电压等级越高，预警时间就越长，根据电压等级的不同，可以预警1～4年的时间。发电机的局放趋势如图1所示。

3 结语

局放检测方法主要根据所检测物理量的不同来分类。脉冲电流法检测频率低，干扰多，但有国际标准。特高频检测法检测频带高，信噪比高，对突发事故响应好。超声波检测法适合定位，抗电磁干扰能力强，但对某些故障类型检测不到。光检测法抗电磁干扰，响应快，但仍处于研究阶段。化学检测法则一直是各种检测方法的强力补充。根据电力设备的不同，选择经济、准确度高、适合设备的检测方法和检测装置，做到绝缘故障的提前预警，这是电力设备管理人员应当考虑的问题。

发电机局放监测装置采用EMC作为传感器，可以达到较高的信噪比，配合定向噪声分离技术，使检测结果更具有说服力。当局放数据出现异常时，可控制影响因素变化观察局放变化，根据局放趋势初步判断故障类型和机组是否可以继续运行等，还可以提前安排检修期工作内容，做到预知维修。

参考文献：

[1]李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等.电气设备局部放电检测技术述评[J].高电压技术，2015（8）：2583-2601.

[2]李德军，沈威，郭志强.GIS局部放电常规检测和超声波检测方法的应用比较[J].高压电器，2009（3）：99-103.

[3]赵晓辉，杨景刚，路秀丽，等.油中局部放电检测脉冲电流法与超高频法比较[J].高电压技术，2008（7）：1401-1404.