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引言——什么會引起局部放電？
設計、材料和工藝的關鍵作用
檢測和測量局部放電
狀態監測和服務
規定局部放電低是否有意義？
結論
備注
引言——什么會引起局部放電？
局部放電（PD）發生在高壓（HV）電氣設備中，如電纜、變壓器、電機和發電機。它是一種由于高電場而產生的很小的放電。在工業高壓電機和發電機中，電應力可以達到每毫米幾千伏，這可能會在絕緣內部（內部PD）或表面（外部PD）產生局部放電。
內部局放一般發生在絕緣材料內部殘留的微觀空氣填充的空隙中，空隙的數量和大小取決于制造過程中遵循的程序。電荷在空隙周圍積聚，當空隙上的局部電場應力超過擊穿場應力時，就會發生放電，使空隙短路。需要特殊設備來檢測和測量內部局部放電。
當局部電場應力超過電離空氣的閾值時，外部局部放電發生在絕緣表面。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或繞組端部防暈結構的變化或缺陷。外部局部放電一般很容易通過目測發現，因為它通常會在絕緣表面形成白色粉末沉積。
局部放電產生短時等離子體爆發并發射紫外線，兩者都會對絕緣產生壓力。它使局部溫度迅速飆升，并產生氮氧化物、臭氧和硝酸等化學腐蝕性物質。這些效應會影響到周圍的絕緣，因此絕緣應設計為可承受局部放電。
設計、材料和工藝的關鍵作用
在高壓電機和發電機中，完全避免局部放電是不可能的。影響局部放電活動程度的因素包括設計、材料和工藝的質量。因此，選擇一個可靠的制造商，并在這些領域有良好的記錄是很重要的。
理想情況下，電機或發電機應根據其特定用途進行設計。一個好的制造商可以根據不同的應用設計產品，考慮到導致老化的TEAM（即熱、電、環境和機械）四種應力。例如，可以調整設計參數，以加強電機或發電機對高振動水平、寬環境溫度范圍、高濕度等的影響。
應特別注意絕緣系統的質量，因為它對最大限度地減少局部放電起著關鍵作用。ABB將MicadurTM Compact Industry和Enduraseal系統用于高壓電機和發電機的定子繞組，這些系統自70年代中期以來已在數千臺設備中得到驗證。它們基于成型繞組技術，在無機云母和環氧樹脂的基礎上構建，并經過整體真空壓力浸漬（VPI）工藝。這使得絕緣系統中微小空隙更少，因此可以抵抗局部放電。在正常的工作條件下，絕緣系統將在設備的整個使用壽命內承受局部放電，除了通常的定期維護外，不需要更多的管理局部放電。多年來，在使用這些絕緣系統生產的數萬臺ABB電機和發電機中，沒有出現過由局部放電引起的過早故障。圖片1是高壓定子繞組中典型的絕緣系統。
工業高壓電機和發電機的設計壽命一般在20年以上。對于那些對壽命要求非常高的應用，一些制造商提供了特殊的選擇。例如，ABB提供Insulation+和Lifetime+的產品設計。Insulation+電機和發電機有額外的絕緣層--數量取決于電壓等級--以進一步降低電氣應力，從而減少局部放電的影響。Lifetime+電機和發電機具有與Insulation+相同的優點，同時降低了熱應力。
01 高壓定子繞組的典型絕緣系統（圖片由豐羅公司提供）
檢測和測量局部放電
一些工廠使用局部放電水平跟蹤作為高壓電機和發電機的狀態監測工具。進行測量和分析結果需要專門的專業知識和設備，工廠應決定是培訓自己的人員來做這項工作，還是將其外包給外部服務提供商。這些決定最好在訂購電機或發電機之前盡早作出，因為可能有特殊的硬件要求，例如，設備兼容問題。
有各種方法可以檢測局部放電釋放的能量，通常基于測量電流脈沖、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量，因為這是電機和發電機最常用的方法。耦合電容可安裝在主接線盒中，以便連接測量設備進行現場在線局部放電監測。
局部放電脈沖的特點是其幅值、極性、長度和發生時的相位角。使用特殊的軟件對局部放電進行分析，該軟件可能能夠精確地確定局部放電的來源--特別是當有經驗的操作員使用時。
單個局部放電測量值的大小不能提供很多信息。它們會受到許多因素的影響，包括所使用的傳感器和測量設備的類型、設置（如檢測帶寬）和校準、軟件的類型以及環境濕度、溫度和噪聲水平。可能影響結果的噪聲源包括焊接設備、行車和開關柜等等。此外，局部放電脈沖在定子繞組內傳播時，會被衰減。圖片2是一個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量的解釋變得困難。
由于這些原因，使用不同的方法或設備獲得的局放值不能直接比較。事實上，即使得到準確的局部放電幅值，也不一定能說明絕緣材料的剩余壽命。這是因為電應力只是作用在絕緣上的TEAM應力之一，對于一個特定的電機或發電機來說，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標準，建議使用局部放電趨勢測量而不是絕對值。
盡管存在局限性，但測量局部放電確實是有意義的--特別是當定期測量以產生趨勢數據時。特別是，局部放電可能是一個更嚴重問題的征兆，如果不進行局部放電測量，就很難發現。例如，在一個案例中，對一臺整機沒有進行VPI并有25年運行歷史的高壓電機進行測量時,發現其局部放電水平很高。見圖3。進一步調查發現，線圈在槽中松動，導致了絕緣的機械損傷，并引起局部放電。絕緣的機械損傷--而不是局部放電--最終會導致電機的故障。應該注意的是，這種類型的問題通常不會發生在現代高質量的電機或發電機中，因為大多數可靠的制造商現在都使用整體VPI絕緣系統。
02 局部放電模式（通過繪制局部放電幅值作為其相位角的函數獲得）。高背景噪聲使得這種局部放電測量無法使用。
03 局部放電圖案顯示
在一臺25年的13.8千伏電機上，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引起的。
狀態監測和服務
許多制造商提供了對其電機和發電機的狀態監測建議。ABB建議定期監測繞組的狀態，例如，可以在主接線盒中安裝耦合電容器，以實現定期離線甚至在線局部放電測量。
為了建立局部放電趨勢測量的基礎，ABB可以對新電機和發電機進行指紋測量，作為工廠出廠測試（FAT）的一部分，但建議在調試后進行，因為現場的局部放電活動可能與FAT期間測量的活動水平有很大差異。這是由于現場的環境條件、噪聲水平、測量和校準設備不同。
單純測量局部放電并不能提供足夠的電機或發電機狀況信息，還需要進行目測和其他評估。像ABB LEAP（預期壽命分析計劃）這樣的服務，可以定期對定子繞組絕緣狀況進行現場評估，并評估預期壽命可能發生的變化。例如ABB LEAP標準級，除了局部放電測量外，還包括分析極化-去極化電流、非線性絕緣行為、tan delta介質損耗和電容等評估。可以結合ABB的標準服務項目，主要針對轉子、軸承和冷卻器，包括目測檢查，實現大范圍的整體評估。ABB LEAP產生的數據比單獨的局部放電測量更穩定，因為每一個測量都會得到其他測量的增強，而且ABB LEAP報告的基礎是一個龐大的早期測試數據庫。
如果監測顯示局部放電水平呈上升趨勢，則可能表明存在問題，應采取行動確定局部放電的來源。如果局部放電的增加是由于環境因素造成的--如臟繞組或濕繞組--解決辦法是簡單地清潔和/或干燥繞組。溫度是絕緣老化的主要因子，如果溫度過高導致冷卻器加速老化，可以對其進行維修，使溫度恢復到正常水平。
規定局部放電低是否有意義？
高壓電機和發電機市場的一個日益增長的趨勢是，用戶在指定新設備時規定低局部放電水平。遺憾的是，這不一定能保證更長的壽命或提高可靠性，但會導致成本增加和設計過度。
如上所述，可靠的制造商力求確保其電機和發電機中的主要高壓絕緣材料具有抗局部放電的能力，即它們被設計為在不同水平的局部放電活動下運行。局部放電大小和絕緣壽命之間也沒有直接的相關性，因為對于一個給定的電機或發電機，電應力可能不是絕緣老化的主要因子。此外，說局部放電"低"是相當沒有意義的--絕對的局部放電幅度是很難評估的，這就是為什么應該使用局部放電水平的趨勢來代替。
結論
本文著重介紹了電機和發電機用戶控制局部放電的一些方法。需要做出的第一個決定涉及制造商。選擇一家信譽良好、業績可靠的制造商是很有意義的，因為設計和工藝質量以及材料選擇等問題在決定局部放電活動水平方面起著核心作用。同時，需要決定是否會定期跟蹤及測量局部放電的水平，如果會，誰來負責？將使用什么硬件？
相比之下，在采購過程中規定較低的局部放電水平并不是一種值得推薦的方法，因為這將導致成本增加，但并不一定會產生預期的結果。
單次局部放電測量的絕對值非常難以被評估。因此應定期測量，從新繞組的指紋測量開始，以獲得趨勢數據。一個更全面的替代方案是像ABB LEAP這樣的服務，它定期進行，包括局部放電和其他一些測量，并進行目測檢查。
雖然可靠的制造商設計和制造的標準高壓電機和發電機可以承受局部放電，但ABB的Insulation+和Lifetime+等增強型產品將提供更長的使用壽命和更高的可靠性。對這類延長電機和發電機壽命的產品投資可以考慮作為對局部放電監測投資的替代方案。
備注
更多信息請聯系當地ABB代表或訪問。
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