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目錄

• 引言——什么會(huì)引起局部放電？

• 設(shè)計(jì)、材料和工藝的關(guān)鍵作用

• 檢測(cè)和測(cè)量局部放電

• 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和服務(wù)

• 規(guī)定局部放電低是否有意義？

• 結(jié)論

• 備注

引言——什么會(huì)引起局部放電？

局部放電（PD）發(fā)生在高壓（HV）電氣設(shè)備中，如電纜、變壓器、電機(jī)和發(fā)電機(jī)。它是一種由于高電場(chǎng)而產(chǎn)生的很小的放電。在工業(yè)高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)中，電應(yīng)力可以達(dá)到每毫米幾千伏，這可能會(huì)在絕緣內(nèi)部（內(nèi)部PD）或表面（外部PD）產(chǎn)生局部放電。

內(nèi)部局放一般發(fā)生在絕緣材料內(nèi)部殘留的微觀空氣填充的空隙中，空隙的數(shù)量和大小取決于制造過(guò)程中遵循的程序。電荷在空隙周圍積聚，當(dāng)空隙上的局部電場(chǎng)應(yīng)力超過(guò)擊穿場(chǎng)應(yīng)力時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電，使空隙短路。需要特殊設(shè)備來(lái)檢測(cè)和測(cè)量?jī)?nèi)部局部放電。

當(dāng)局部電場(chǎng)應(yīng)力超過(guò)電離空氣的閾值時(shí)，外部局部放電發(fā)生在絕緣表面。外部局部放電背后的因素可能包括空氣間隙不足、繞組端部污染以及槽內(nèi)或繞組端部防暈結(jié)構(gòu)的變化或缺陷。外部局部放電一般很容易通過(guò)目測(cè)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗ǔ?huì)在絕緣表面形成白色粉末沉積。

局部放電產(chǎn)生短時(shí)等離子體爆發(fā)并發(fā)射紫外線，兩者都會(huì)對(duì)絕緣產(chǎn)生壓力。它使局部溫度迅速飆升，并產(chǎn)生氮氧化物、臭氧和硝酸等化學(xué)腐蝕性物質(zhì)。這些效應(yīng)會(huì)影響到周圍的絕緣，因此絕緣應(yīng)設(shè)計(jì)為可承受局部放電。

設(shè)計(jì)、材料和工藝的關(guān)鍵作用

在高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)中，完全避免局部放電是不可能的。影響局部放電活動(dòng)程度的因素包括設(shè)計(jì)、材料和工藝的質(zhì)量。因此，選擇一個(gè)可靠的制造商，并在這些領(lǐng)域有良好的記錄是很重要的。

理想情況下，電機(jī)或發(fā)電機(jī)應(yīng)根據(jù)其特定用途進(jìn)行設(shè)計(jì)。一個(gè)好的制造商可以根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)產(chǎn)品，考慮到導(dǎo)致老化的TEAM（即熱、電、環(huán)境和機(jī)械）四種應(yīng)力。例如，可以調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以加強(qiáng)電機(jī)或發(fā)電機(jī)對(duì)高振動(dòng)水平、寬環(huán)境溫度范圍、高濕度等的影響。

應(yīng)特別注意絕緣系統(tǒng)的質(zhì)量，因?yàn)樗鼘?duì)最大限度地減少局部放電起著關(guān)鍵作用。ABB將MicadurTM Compact Industry和Enduraseal系統(tǒng)用于高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)的定子繞組，這些系統(tǒng)自70年代中期以來(lái)已在數(shù)千臺(tái)設(shè)備中得到驗(yàn)證。它們基于成型繞組技術(shù)，在無(wú)機(jī)云母和環(huán)氧樹脂的基礎(chǔ)上構(gòu)建，并經(jīng)過(guò)整體真空壓力浸漬（VPI）工藝。這使得絕緣系統(tǒng)中微小空隙更少，因此可以抵抗局部放電。在正常的工作條件下，絕緣系統(tǒng)將在設(shè)備的整個(gè)使用壽命內(nèi)承受局部放電，除了通常的定期維護(hù)外，不需要更多的管理局部放電。多年來(lái)，在使用這些絕緣系統(tǒng)生產(chǎn)的數(shù)萬(wàn)臺(tái)ABB電機(jī)和發(fā)電機(jī)中，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)由局部放電引起的過(guò)早故障。圖片1是高壓定子繞組中典型的絕緣系統(tǒng)。

工業(yè)高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般在20年以上。對(duì)于那些對(duì)壽命要求非常高的應(yīng)用，一些制造商提供了特殊的選擇。例如，ABB提供Insulation+和Lifetime+的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。Insulation+電機(jī)和發(fā)電機(jī)有額外的絕緣層--數(shù)量取決于電壓等級(jí)--以進(jìn)一步降低電氣應(yīng)力，從而減少局部放電的影響。Lifetime+電機(jī)和發(fā)電機(jī)具有與Insulation+相同的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了熱應(yīng)力。

01 高壓定子繞組的典型絕緣系統(tǒng)（圖片由豐羅公司提供）

檢測(cè)和測(cè)量局部放電

一些工廠使用局部放電水平跟蹤作為高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工具。進(jìn)行測(cè)量和分析結(jié)果需要專門的專業(yè)知識(shí)和設(shè)備，工廠應(yīng)決定是培訓(xùn)自己的人員來(lái)做這項(xiàng)工作，還是將其外包給外部服務(wù)提供商。這些決定最好在訂購(gòu)電機(jī)或發(fā)電機(jī)之前盡早作出，因?yàn)榭赡苡刑厥獾挠布螅?，設(shè)備兼容問(wèn)題。

有各種方法可以檢測(cè)局部放電釋放的能量，通?；跍y(cè)量電流脈沖、臭氧水平、聲音、光或其他高頻輻射。本文主要介紹電流脈沖的測(cè)量，因?yàn)檫@是電機(jī)和發(fā)電機(jī)最常用的方法。耦合電容可安裝在主接線盒中，以便連接測(cè)量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線局部放電監(jiān)測(cè)。

局部放電脈沖的特點(diǎn)是其幅值、極性、長(zhǎng)度和發(fā)生時(shí)的相位角。使用特殊的軟件對(duì)局部放電進(jìn)行分析，該軟件可能能夠精確地確定局部放電的來(lái)源--特別是當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的操作員使用時(shí)。

單個(gè)局部放電測(cè)量值的大小不能提供很多信息。它們會(huì)受到許多因素的影響，包括所使用的傳感器和測(cè)量設(shè)備的類型、設(shè)置（如檢測(cè)帶寬）和校準(zhǔn)、軟件的類型以及環(huán)境濕度、溫度和噪聲水平?？赡苡绊懡Y(jié)果的噪聲源包括焊接設(shè)備、行車和開(kāi)關(guān)柜等等。此外，局部放電脈沖在定子繞組內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)被衰減。圖片2是一個(gè)具有高背景噪聲的局部放電模式，突出了噪聲如何使局部放電測(cè)量的解釋變得困難。

由于這些原因，使用不同的方法或設(shè)備獲得的局放值不能直接比較。事實(shí)上，即使得到準(zhǔn)確的局部放電幅值，也不一定能說(shuō)明絕緣材料的剩余壽命。這是因?yàn)殡姂?yīng)力只是作用在絕緣上的TEAM應(yīng)力之一，對(duì)于一個(gè)特定的電機(jī)或發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，它可能不是絕緣老化的主要因素。因此，ABB和許多其他制造商遵循IEC和IEEE標(biāo)準(zhǔn)，建議使用局部放電趨勢(shì)測(cè)量而不是絕對(duì)值。

盡管存在局限性，但測(cè)量局部放電確實(shí)是有意義的--特別是當(dāng)定期測(cè)量以產(chǎn)生趨勢(shì)數(shù)據(jù)時(shí)。特別是，局部放電可能是一個(gè)更嚴(yán)重問(wèn)題的征兆，如果不進(jìn)行局部放電測(cè)量，就很難發(fā)現(xiàn)。例如，在一個(gè)案例中，對(duì)一臺(tái)整機(jī)沒(méi)有進(jìn)行VPI并有25年運(yùn)行歷史的高壓電機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí),發(fā)現(xiàn)其局部放電水平很高。見(jiàn)圖3。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，線圈在槽中松動(dòng)，導(dǎo)致了絕緣的機(jī)械損傷，并引起局部放電。絕緣的機(jī)械損傷--而不是局部放電--最終會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的故障。應(yīng)該注意的是，這種類型的問(wèn)題通常不會(huì)發(fā)生在現(xiàn)代高質(zhì)量的電機(jī)或發(fā)電機(jī)中，因?yàn)榇蠖鄶?shù)可靠的制造商現(xiàn)在都使用整體VPI絕緣系統(tǒng)。

02 局部放電模式（通過(guò)繪制局部放電幅值作為其相位角的函數(shù)獲得）。高背景噪聲使得這種局部放電測(cè)量無(wú)法使用。

03 局部放電圖案顯示  

在一臺(tái)25年的13.8千伏電機(jī)上，局部放電水平很高。在這種情況下，局部放電是由槽中的線圈松動(dòng)引起的。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)和服務(wù)

許多制造商提供了對(duì)其電機(jī)和發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)建議。ABB建議定期監(jiān)測(cè)繞組的狀態(tài)，例如，可以在主接線盒中安裝耦合電容器，以實(shí)現(xiàn)定期離線甚至在線局部放電測(cè)量。

為了建立局部放電趨勢(shì)測(cè)量的基礎(chǔ)，ABB可以對(duì)新電機(jī)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行指紋測(cè)量，作為工廠出廠測(cè)試（FAT）的一部分，但建議在調(diào)試后進(jìn)行，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的局部放電活動(dòng)可能與FAT期間測(cè)量的活動(dòng)水平有很大差異。這是由于現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件、噪聲水平、測(cè)量和校準(zhǔn)設(shè)備不同。

單純測(cè)量局部放電并不能提供足夠的電機(jī)或發(fā)電機(jī)狀況信息，還需要進(jìn)行目測(cè)和其他評(píng)估。像ABB LEAP（預(yù)期壽命分析計(jì)劃）這樣的服務(wù)，可以定期對(duì)定子繞組絕緣狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，并評(píng)估預(yù)期壽命可能發(fā)生的變化。例如ABB LEAP標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，除了局部放電測(cè)量外，還包括分析極化-去極化電流、非線性絕緣行為、tan delta介質(zhì)損耗和電容等評(píng)估?？梢越Y(jié)合ABB的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)項(xiàng)目，主要針對(duì)轉(zhuǎn)子、軸承和冷卻器，包括目測(cè)檢查，實(shí)現(xiàn)大范圍的整體評(píng)估。ABB LEAP產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比單獨(dú)的局部放電測(cè)量更穩(wěn)定，因?yàn)槊恳粋€(gè)測(cè)量都會(huì)得到其他測(cè)量的增強(qiáng)，而且ABB LEAP報(bào)告的基礎(chǔ)是一個(gè)龐大的早期測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)。

如果監(jiān)測(cè)顯示局部放電水平呈上升趨勢(shì)，則可能表明存在問(wèn)題，應(yīng)采取行動(dòng)確定局部放電的來(lái)源。如果局部放電的增加是由于環(huán)境因素造成的--如臟繞組或濕繞組--解決辦法是簡(jiǎn)單地清潔和/或干燥繞組。溫度是絕緣老化的主要因子，如果溫度過(guò)高導(dǎo)致冷卻器加速老化，可以對(duì)其進(jìn)行維修，使溫度恢復(fù)到正常水平。

規(guī)定局部放電低是否有意義？

高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)市場(chǎng)的一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)是，用戶在指定新設(shè)備時(shí)規(guī)定低局部放電水平。遺憾的是，這不一定能保證更長(zhǎng)的壽命或提高可靠性，但會(huì)導(dǎo)致成本增加和設(shè)計(jì)過(guò)度。

如上所述，可靠的制造商力求確保其電機(jī)和發(fā)電機(jī)中的主要高壓絕緣材料具有抗局部放電的能力，即它們被設(shè)計(jì)為在不同水平的局部放電活動(dòng)下運(yùn)行。局部放電大小和絕緣壽命之間也沒(méi)有直接的相關(guān)性，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)給定的電機(jī)或發(fā)電機(jī)，電應(yīng)力可能不是絕緣老化的主要因子。此外，說(shuō)局部放電"低"是相當(dāng)沒(méi)有意義的--絕對(duì)的局部放電幅度是很難評(píng)估的，這就是為什么應(yīng)該使用局部放電水平的趨勢(shì)來(lái)代替。

結(jié)論

本文著重介紹了電機(jī)和發(fā)電機(jī)用戶控制局部放電的一些方法。需要做出的第一個(gè)決定涉及制造商。選擇一家信譽(yù)良好、業(yè)績(jī)可靠的制造商是很有意義的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和工藝質(zhì)量以及材料選擇等問(wèn)題在決定局部放電活動(dòng)水平方面起著核心作用。同時(shí)，需要決定是否會(huì)定期跟蹤及測(cè)量局部放電的水平，如果會(huì)，誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)？將使用什么硬件？

相比之下，在采購(gòu)過(guò)程中規(guī)定較低的局部放電水平并不是一種值得推薦的方法，因?yàn)檫@將導(dǎo)致成本增加，但并不一定會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。

單次局部放電測(cè)量的絕對(duì)值非常難以被評(píng)估。因此應(yīng)定期測(cè)量，從新繞組的指紋測(cè)量開(kāi)始，以獲得趨勢(shì)數(shù)據(jù)。一個(gè)更全面的替代方案是像ABB LEAP這樣的服務(wù)，它定期進(jìn)行，包括局部放電和其他一些測(cè)量，并進(jìn)行目測(cè)檢查。

雖然可靠的制造商設(shè)計(jì)和制造的標(biāo)準(zhǔn)高壓電機(jī)和發(fā)電機(jī)可以承受局部放電，但ABB的Insulation+和Lifetime+等增強(qiáng)型產(chǎn)品將提供更長(zhǎng)的使用壽命和更高的可靠性。對(duì)這類延長(zhǎng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)壽命的產(chǎn)品投資可以考慮作為對(duì)局部放電監(jiān)測(cè)投資的替代方案。

備注

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