10 kV三相异步电动机局部放电指纹库建立方法

李传扬，宋建成，吝伶艳，苏文

（太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室，太原030024）

10 kV三相异步电动机局部放电指纹库建立方法

李传扬，宋建成，吝伶艳，苏文

（太原理工大学煤矿装备与安全控制山西省重点实验室，太原030024）

该文针对10 kV三相异步电动机定子绕组局部放电指纹识别这一难题，结合现场故障调研与统计分析，通过对电机定子线圈进行单因子老化，利用自制宽度可调定子铁芯槽模型做地电极的故障模拟测试系统，阐述了槽放电、电晕放电和相间放电3种故障线圈局部放电指纹特征的提取方法，并在电磁屏蔽室提取出3种局部放电指纹特征。该成果已应用于某矿10 kV电动机局部放电在线监测及故障诊断中，具有重要意义。

10 kV三相异步电动机；故障诊断；指纹分布；在线监测。

10 kV三相异步电动机定子由导电的铜线，导磁的硅钢铁芯，以及绝缘系统组成。绝缘系统作为高压电机组成中最脆弱的部分，其运行的可靠性决定了电机运行的安全性与稳定性。据统计，在高压电机故障中，由绝缘老化引起的故障约占总故障的37%[1]。因此，对运行设备进行在线监测，势在必行[2-4]，而对其能够反映绝缘整体状况的局部放电的监测，则显得尤为关键。

发生于10 kV三相异步电动机绕组内部或表面的局部放电，能够加速有机绝缘老化，迫使绝缘击穿，最终导致电动机出现单相接地或相间短路故障并被迫停机，这不仅损坏电动机本身，而且会影响整个生产系统，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

然而，发生于高压电机定子绕组不同部位的局部放电，包含不同的局部放电特征。由于其放电指纹分布特征各异，往往导致在线监测系统失灵，表现为对已经发生的危险放电无预警，或者对正常水平的放电现象提出误报警。因此，明确各种放电发生机理及其故障表象，掌握准确的指纹信息，不仅能够避免在线监测误判断，而且对于维修过程中的故障排查及处理有很大的帮助。

针对大型高压电机定子绕组局部放电放电指纹的研究，国外有学者在实验室建立了水轮发电机定子线棒故障模型，提取出槽放电、电晕放电等大量局部放电指纹信息[5-8]；国内大部分研究局限于探究定子绕组老化时间与局部放电活性的关系[9-10]，而且，针对绕组特定部位局部放电指纹分布，大部分研究往往通过制造放电模型来提取，该方法在一定程度上未模拟真实放电存在的绝缘配合物化环境，试验方法及对象选取上亟待完善。

本文通过定制10 kV三相异步电动机定子线圈，对其进行单因子老化，制作了槽放电、电晕放电和相间放电3种故障线圈模型，阐述了槽放电、电晕放电和相间放电3种局部放电指纹特征的提取方法；利用自制定子铁芯槽模型做地电极系统，在电磁屏蔽室提取出3种局部放电指纹特征，建立了局部放电指纹库，旨在为10 kV三相异步电动机在线监测与故障诊断提供必要参考信息。

1 放电指纹及其建立方法

1.1 放电指纹库

对高压电机进行局部放电检测，所得到的信息可以是检测量的数值、时域特性、频域特性或统计特性。通过对放电信号进行分析处理，统计特定相位下具有特定放电强度放电的次数，得到局部放电二维散点分布图，反映了设备的状态信息，被称为放电指纹[11]。放电指纹的建立方法为：首先，提取采集数据样本中的有效放电峰值-相位对，并将发生于特定相位的放电通过点来表示；然后，将每个采样周期的幅值-相位对统计于一个工频周期内，使其随采集次数的增加而不断增多，以反映局部放电统计特性。

在无干扰环境下，提取发生于高压电机定子绕组中的各种故障局部放电指纹，利用模式识别手段将其融合到高压电机在线监测系统中，通过对高压电机局部放电信息与指纹库指纹进行对比，即可获得目前发生的放电类型及程度。本文介绍了发生于10 kV三相异步电动机定子绕组中的3种局部放电指纹库的建立方法，包括槽放电指纹、电晕放电指纹及相间放电指纹，旨在为高压电机局部放电在线监测与模式识别提供参考依据。

1.2 故障线圈制作

试验线圈采用山西昌生电磁线有限公司专业人员手工绕制的10 kV定子绕组线圈，其绝缘水平为F级，单边主绝缘厚2.04mm，外侧平包半组带一层，并于出槽口1.5 cm处与高阻带呈反垂形搭接，能够在一定程度上反映出国内10 kV，F级绝缘定子线圈绝缘特性，具有一定代表性。试验线圈如图1所示。

图1 试验线圈Fig.1 Test coils

槽放电是由于线圈相对定子铁芯运动，低阻带被磨损，线圈与铁芯槽壁之间产生空气间隙，间隙气体被击穿而产生的放电，其故障表象如图2所示。通过对线圈直线部分的半组带进行磨损，即可诱发槽放电的发生。本文对完好线圈中部长3 cm的部位进行磨损老化，磨损深度控制在0.5mm，制成槽放电线圈指纹提取样本。

图2 槽放电老化痕迹Fig.2 Mark of slotdischarge

端部电晕放电是由低阻带与高阻带连接部位被破坏导致的，其故障表象如图3所示。正常情况下，高阻带与低阻带间有2 cm左右的物理搭接，以确保高阻带能够通过低阻带，在铁芯处实现电气接地[12]，否则，运行中线圈内铜线的电势将通过电容链效应，使端部高阻带表面电位升高并接近内部铜线电位，这将使电位较低的低阻带间形成较高的电势差，产生强场强，导致气体击穿，电晕放电。本文通过剥除低阻带与高阻带搭接部位，来诱发电晕放电的发生。

图3 槽口电晕放电痕迹Fig.3 Mark of corona discharge

相间放电过程的外在表象为电弧跨接于相邻两相绕组，或是同一槽内的上下两层绕组之间，放电发生的过程十分复杂，其故障表象如图4所示。大量实地调研发现，发生相间放电的线圈，其低阻带与高阻带搭接部位往往存在破损，导致线圈端部电位升高，当相邻线圈的电势差大于二者空气间隙的起始放电电压，空气将被击穿，发生放电现象。本文通过对施压线圈搭接部位进行破坏，同时将另一根线圈接地，适当调节二者之间的距离，以诱发相间放电发生。

图4 相间放电痕迹Fig.4 Mark ofbar-to-bar discharge

1.3 试验环境

局部放电信号为微弱的电流信号，现场监测过程中，往往被复杂的背景干扰所淹没。为提取局部放电指纹，本实验在电磁屏蔽室中进行，背景噪声低于2 pC。供电电源后接带通滤波器，用来滤除工业电源中可能存在的过电压脉冲，并由无局放升压变压器升压，旨在消除来自电源端的噪声污染。局部放电指纹提取试验系统如图5所示。

图5 试验系统示意Fig.5 Diagram of testsystem

1.4 试验方法

为模拟真机线圈所在物理环境，本文自制定子铁芯槽部模型作为线圈试验的地电极系统，实物如图6所示。将故障线圈嵌入铁芯槽模型并施加电压。起初，因放电使绝缘表面物质氧化而导致放电信号不稳，这将对指纹提取产生影响。因此，先施压1 h，待放电稳定后，再通过哈弗莱DDX9101局部放电分析仪，对局部放电信号进行与工频电压的同步采集。采集时间控制在2min，采样带宽为50 kHz~800 kHz，并通过哈弗莱发生器的1000 pC档位在每次采集前对设备进行校准，旨在得到放电指纹统计特征，建立放电指纹库。

图6 线圈嵌入铁芯槽Fig.6 Core slotmockup embedded w ith coils

2 指纹提取及分析

图7 3.5 kV下槽放电指纹分布Fig.7 Slotdischarge fingerprintw ith 3.5 kV

图8 5.7 kV下槽放电指纹Fig.8 Slotdischarge fingerprintw ith 5.7 kV

图7 和图8所示为在3.5 kV和5.7 kV下（6 kV与10 kV电压等级高压电机的相对地电压），槽放电指纹分布图。由图可见，槽放电的放电量约为6 000 pC，其显著特征为：工频负半周期的放电，具有陡峭的上升沿，这是因其放电发生地点为绝缘与铁芯之间，绝缘侧对放电电荷具有累积效应，而位于铁芯壁上的电荷则易发生迅速的迁移，使得放电在工频电压负半周一开始就发生强烈放电，激发出高幅值放电脉冲；发生于工频电压负半周的正放电最大放电量约为负放电最大量的2~3倍；同时，当电压升高后，放电起始相位出现左移，该现象是因槽内磨损处气隙电场强度达到放电起始场强时，会在气隙内部产生放电，位于磨损处的场强，是由外施电压和磨损处气隙壁前一次放电残留电荷所产生电场叠加而成。所以，即使电压在过零点处，气隙中还是存在电场的，而且随着电压的升高，该电场足以激发电荷产生放电。

图9和图10为3.5 kV和5.7 kV下，电晕放电指纹分布图。电晕放电为发生于绝缘表面低阻带与高阻带之间的气体电离现象，放电过程产生电子蹦，强烈时会引发流注，但是，由于覆盖于绕组导体表面绝缘的阻挡作用，其放电能量被有效限制，因此无法发展为电弧，只能表现为若干放电细丝跨接于低阻带与高阻带之间；反映到指纹分布上，为负半周期具有较大放电量，放电指纹轮廓平滑呈椭圆形，这点可作为区分与槽放电的依据；另外，随电压升高，放电量不断上升，放电次数也大大增加，半周指纹大致呈对称分布。

图9 3.5 kV下电晕放电指纹Fig.9 Corona discharge fingerprintw ith 3.5 kV

图10 5.7 kV下电晕放电指纹Fig.10 Corona discharge fingerprintw ith 5.7 kV

本文通过升高电压至9.8 kV，才出现明显的相间放电指纹特征，相间放电指纹从分布相位及放电量上皆不同于槽放电与电晕放电。特征为：工频正半周首先出现放电现象，表现为放电相位宽度较窄，且放电量非常高。因受采集系统限制，仅能显示低于40 000 pC的放电信号。在更高电压下，负半周也开始出现放电现象，同正半周大致呈对称分布。图11和图12为10.5 kV和12 kV下相间放电指纹分布图。由于高压电机在现场运行环境十分恶劣，极有可能在较低电压下即出现相间放电。

图11 10.5 kV下相间放电指纹Fig.11 Bar-to-bar discharge fingerprintw ith 10.5 kV

图12 12 kV下相间放电指纹Fig.12 Bar-to-bar discharge fingerprintw ith 12 kV

3 结语

本文介绍了发生于10 kV三相异步电动机定子绕组中槽放电、电晕放电，以及相间放电指纹的建立方法。通过定制10 kV三相异步电动机定子线圈，对其进行单因子老化，在电磁屏蔽室进行了放电指纹的提取。结果表明：槽放电与电晕放电整体特征相似，均表现为工频电压负半周的正放电占优势；然而，槽放电指纹表现出的位于工频电压负半周放电指纹陡峭的上升沿，可作为其区别于电晕放电的有效标准；相间放电可通过位于工频相位30°的窄相位段高幅值放电来进行识别。本文研究内容能够为高压电机定子绕组局部放电指纹识别及故障维修提供依据。

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Method for Establishing PartialDischarge Fingerprint Databaseof10 kV Three Phase AsynchronousMotor

LIChuanyang，SONG Jiancheng，LIN Lingyan，SUWen
（ShanxiKey Laboratory ofCoalMining Equipmentand Safety Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

To solve the problem that it is difficult to recognize the partialdischarge（PD）pattern occurred in 10 kV three-phase asynchronousmotors，themethod of establishing three types of the partial discharge，including slot discharge，corona discharge at junction section of the semi-conductive tapesand the corona release tapes，and bar-to-bar discharge are given in this paper，via the practical investigation and statisticalanalysis.In addition，the discharge patterns（which include slot，bar-to-bar，and corona discharge）havebeen extracted and analyzed by theadoption ofmock up core slotand signalaging experiment coils.The PD patterns in this research have been applied to the onlinemonitoring system ofa10 kVmotor in the coalmineand have practicalsignificance.

10 kV three-phaseasynchronousmotor；faultdiagnosis；fingerprintdistribution；on-linemonitoring

TM855

A

1003-8930（2015）04-0044-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.008

李传扬（1987—），男，硕士研究生，主要从事高压电机主绝缘在线监测与故障诊断方面的研究。Email：lichuanyangsuper @sina.com

2013-07-20；

2013-10-31

高等学校博士学科点博导类专项科研基金项目（20111402110010）；国家国际科技合作专项项目（0S2013ZR0493）。

宋建成（1957—），男，博士，教授，博士生导师，主要从事电气工程学科矿用智能电器、电力设备寿命评估、电力系统继电保护、煤矿安全监测监控等领域的科学研究。Email：sjc6018@163.com

吝伶艳（1969—），女，博士，副教授，主要从事智能电器技术及电机CAD的研究。Email：llyhky@163.com