水电厂发电机组绕组绝缘监测系统设计与探究

程国莉，韩一鸣

（1.天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 黔西 562400；2.广东省能源集团贵阳抽水蓄能发电有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 前言

如今，清洁能源已经逐渐成为主流能源，因此水电行业取得较大发展，水电站利用水进行发电，具有清洁、节能的优点。在水电发电机组中，发电机的绕组绝缘性对于整个设备的性能具有直接影响，而运用较多的水电发电机组类型为水轮发电机组，这种发电机组能够有效提高整个发电系统的稳定，在失电的情况下也能为水电厂供电，进而保证外部供电正常。但在实际工作中，由于温度以及运行特性等原因，会造成停机测量精度降低。随着水电机组的标准化进程逐步得到普及，对故障问题样本实施物联感知并达到分析预警，通过数据管理以及维保调度实现对水电机组网拓扑在线监控，能够有效降低临时停机的维修成本，提升发电机组经济效率。

水电厂发电机组的工作环境比较复杂，空气中水分含量较大，容易引起发电机绕组绝缘出现腐蚀情况。尤其是发电机处于静止状态时，绕组绝缘表面容易被空气中水分侵蚀，从而造成绝缘效果降低。除此以外，由于发电机组在长时间运行后需要停机，停机时长为10 d 左右，并且再次启动时，需要空转30 min 左右[1]。虽然发电机绕组绝缘的性能逐渐降低时，发电效率会增加，但是从长远的角度，反而会对整个发电机组的质量造成损坏[2]。

2 水电厂水轮发电机组绕组绝缘故障特点

绕组材料通常为环氧型无溶剂，然后在材料表面涂抹绝缘漆，但是绝缘漆在温度的影响下会出现脱落的情况。发电机组在运行过程中，随着运行时间的加长，发电机组表面温度持续升高，从而导致绝缘漆脱落，绕组绝缘性能降低，进而出现绝缘故障，导致发电机组无法正常运行[2]。当水轮发电机绕组的故障为一点接地故障时，没有形成短路回路，所以不会对整个发电机组的运行产生不好的影响，但是仍然存在一定的安全隐患。当发电机绕组为两点接地时，出现故障的情况比较复杂，比如两个接地点在同一线圈时，线圈内多匝形成短路，当接地点相距很近时，对电路和磁路所产生的影响比较小。当两个接地点相聚较远，处于两个端头位置时，则表示整个系统的励磁系统为短路状态，电机整体失磁，同时产生较大的短路电流，整个发电机组无法正常运行。因此，当发电机机组出现绕组绝缘情况时，需要及时明确绝缘降低的原因，从而避免发生更加严重的事故，进而保证整个机组系统正常运行。

水轮发电机组的主要结构包括发电机、水轮机、调速器三个部分，其中最核心的部分为发电机部分。发电机组的结构比较复杂，因此造成故障的原因会比较复杂，其中短路故障是发生概率最大的故障。而短路故障也包括距间短路故障和接地短路故障两种类型。发电机组的绕组绝缘损伤后，会出现短路情况，从而引起就局部发热严重的情况。当距间短路情况比较轻微时，对整体机组运行产生的影响较小，故障表现不突出，发电机通常会发出警报。但是随着时间的延长，故障逐渐加剧，故障特征表现也越来越明显，包括绕组励磁电流增加、无功出力降低、机组振动加剧、轴电压波形时域不对称、频域出现偶次谐波等。当故障发展到一定程度后，可能出现接地短路故障。一旦出现接地短路情况时，产生的短路电流较大，发热也比较严重，可能烧伤绕组轴颈和轴瓦，大轴磁化，甚至会导致整个发电机组出现停机的情况，进而引起更严重的安全事故[2]。由此可见，发电机绕组绝缘的监测具有重要意义。绕组绝缘监测需要监测机组各项参数和信息，实时了解机组的运行情况，然后根据所监测到的信息对机组可能出现的故障情况进行预测，从而做出相应的应对措施，降低故障影响以及消除故障，起到提前预防的效果。

3 总体架构

采用可视化界面实施过程化的监控，通过数据存储、自动分析以及数据调取、自动报警、应用支撑以及业务应用监控，采用多点采集智能解析并以报表形式完成数据的存储，并以局域网为基础达到企业内部的数据共享功能。其整体结构图如图1 所示。

图1 系统总体架构

采用自下而上的架构，包括数据采集层、数据传输备份层、数据处理层及应用管理显示层。

（1）数据采集层

数据采集主要包括发电机绕组绝缘层传感器的数据采集，模拟式的励磁电压采集以及轴电压的采集等。利用传感器对发电机组的各项物理量进行检测，包括电压，电流等，将监测结果转为电信号后通过监测装置进行表现。数据采集单元结构如图2 所示。

图2 系统采集单元

大轴接地电刷无法消除静止励磁系统中高频轴电压的脉冲，而在励磁端加装接地模块之后，可以有效抑制轴电压的高频分量。模块中的电阻值一般在470 Ω 左右[3]，这样既可以将轴电流限制在毫安级别，又可以防止直流电动势的建立。

数据采集包括绕组单元的绕组端接地监测单元以及线圈采集单元，接地监测主要监测绕组静态状态下的对地绝缘参数，在动态监测的时候，通过采集线圈对其励磁绕组的电磁性能进行采集，实施动态下的绝缘监控。

（2）数据传输备份层

将采集到的信息传递给后续单元，对于便携式装置，只需对信号进行适当的隔离变换；对于固定监测系统，因数据处理单元远离现场，需要配置专门的信息传输单元其单元模块图如图3 所示。

图3 通信单元结构图

通过网络输送将数据传输至现场NAS 并结合NAS 系统对接收的数据进行自动存储缓存[4]，保证关键数据的可靠性，其数据传输通路图如图4所示。

图4 数据传输通路图

（3）数据处理层

对采集到的数据进行分析处理，如：求取特征值、做时域、频域分析处理等，为故障监测提供有效的判断依据[5]。对于处理后的数据、判据、规程以及运行经验等进行分析比较，对设备的状态和故障部位进行判断，为釆取进一步的相应措施（如是否退出运行、安排检修周期等）提供可靠依据，必要时发出报警信息。

（4）应用管理显示层

应用管理显示包括采用PC 端以及大屏数据展示，采用曲线图、历史数据、报表以及趋势图、点值数据直观、可靠的完成绕组绝缘性的监控，做出综合性的分析判断，必要时需釆用基于神经网络的模式识别或者专家系统等方案来做出判断。其应用界面图如图5 所示。

图5 水电机组绕组检测系统界面图

4 应用情况

4.1 机组绝缘异常的测试数据

对数据进行分析，根据局放峰值和磁通密度幅值情况能够得到发电机组绕组绝缘情况，及时了解到绝缘故障原因，为后续发电机组检测提供给很大的帮助。例如：当某发电机组的检测数据中出现绕组绝缘数据不正常，短路故障点不明显时，所得到的数据界面如图6 所示。

图6 大屏报表数据界面图

虽然此时发电机组的性能在短时间内保持比较稳定状态，产生的影响较小，但后续运行情况需要持续高度关注。

4.1.1 绕组绝缘测试

本次测试共采集数据14项，其中异常数据4项，数据集中在60~85 之间，异常数据说明磁通密度不平衡，但异常数据连续性不足，不是常规的匝间短路现象。造成这种情况的原因可能是绕组中存在不明显的故障点以及短路点。该状况下短期内机组的性能并不受影响，但需继续保持对该发电机的密切关注。

4.1.2 局放测试

测试发电机组的局放峰值数值较小，利用IRIS中的全球汇总，统计发电机组局放的数据实现实时对比分析。通过分析发现，等级处于最良好状况一类。在局放测试统计表中，通过对不同时间段和不同带载下的数据测试分析，局放幅值基本相同，差异比较小，因此外部因素对发电机局放的影响基本可以忽略，说明机组绝缘状态非常好。

4.2 使用效果

发电机绝缘监测系统的使用效果主要体现在以下3 个方面。

（1）从预防性维修到预知维修

为了保证发电机组能够保持稳定运行状态，通常采用预防的方式，定时或者定期对发电机组进行维护。而利用发电机绝缘在线监测技术能够对发电机组绝缘性进行实时监测，能够及时发现潜在问题，有助于提前做好预知维修。

（2）从定期检查到实时检测

通常情况下，发电机组的绝缘检测是在进行机组检修后，再对局部进行预防试验。这种试验方式的试验项目较多，花费时间较长，所需设备较多，一旦其中某个环节出现异常或者某一元件的绝缘性出现故障时，对于最终的监测结果会产生较大的影响。而采用发电机绝缘在线监测技术能够在发电机组正常运行的状态下对绝缘情况进行在线监测，实时获取机组绝缘数据。

（3）数据分析更加容易

发电机组的试验数据非常多，传统人工分析需要耗费大量的人力物力。而发电机绝缘在线监测系统在监测过程中将得到的数据进行分析，可以比较直观地得到数据分析结果。

5 总结

发电机绝缘在线监测系统主要是通过安装绕组局放耦合器，绕组匝间短路监测磁通探头，完成数据的采集，然后通过主机进行数据的分析和储存。这种监测系统能够对发电机机组绕组绝缘情况进行长时间的在线监测。根据监测数据能够对发电机组的运行情况进行预判，提高设备的维护和检修效率，同时在一定程度上能够减少经济损失，实现了发电机组的预知性维修。除此以外，监测数据能够对发电机组的故障和异常表现提供一定的数据支持。通过探头及耦合器对机组进行监测，并对监测数据进行分析总结，通过报告的方式对发电机组的绝缘状况继续进行评估和预测，实现对后续工作的预防性指导。

综上所述，水电厂发电机机组的稳定运行离不开绕组绝缘的检测，通过绕组绝缘监测系统能够提高绝缘故障的检测，实现对发电机组的预知维修，保证发电机组能够长期保持稳定运行状态，减少经济损失。