监测石油平台发电机定子局放的应用范文

摘要：安装在海洋石油平台的发电机是海上油田生产、生活唯一的电源，由于其特殊的地理环境和复杂的工作环境，一旦出现定子绝缘故障，将会导致重大的经济损失，并且其运输、维修、返装成本往往是安装在陆地发电机的数倍。发电机定子局放在线监测技术的应用，填补了海洋石油平台发电机组定子绝缘在线监测手段的空白，对推动海洋石油平台发电机维修由传统的计划维修方式转变为预知性维修方式、缩减发电机维护成本，提供了可靠的技术保障。

关键词：发电机;定子局放;在线监测;定向噪声分离;局放频谱分析

发电机作为海上平台供电设备，是整个油田生产、生活最重要的设备，一旦发生故障将会带来重大的经济损失并危及平台安全。它有以下几项特点：价格昂贵、可靠性要求高、检修难度大。根据美国电科院和中国清华大学的统计调查结果显示，旋转电机故障主要发生的部位为：定子绕组、转子、铁芯。其中铁芯故障情况占到所有发电机故障的3%，定子绕组和转子故障占所有发电机故障的56%。从以上数据来看，定子绕组的健康与否对于整个发电机具有非常重大的意义。目前海上平台对于发电机组的维修是预防性的维修方式，即根据时间安排的维修：如每隔一年一小修，三年一大修。此维修方式有利于提前消除一部分可能存在的故障隐患，具有一定的预防作用。但此种维修方式的缺点是：无论设备好坏，都要定期检修。当设备不存在问题时这种定期维修不但造成人力、财力的损耗，而且会因过度维修造成设备损坏。这种定期检修并不能避免在两次检修期间发生的故障，且当故障发生时，往往造成更大的经济损失。在海上平台出现过多次发电机组转子匝间短路的事故，给平台带来了严重的经济损失。这也说明了这种预防性维修方式的缺点，这些缺点在某些特定的时刻是致命的。针对这种情况，中海油某作业公司在海上石油平台应用了一种预知性的维修方式，即根据预先掌握设备运行状况或故障先兆，有计划有针对性的维修，停机的时间以及长短也可以根据需要而安排。通过预知发电机的故障，减小发电机的突发故障几率，避免突发性的抢修导致的重大经济损失。显然这种方式不但具有预防性、计划性、而且具备科学性，是最理想最经济的维修方式。这种方式已受到全球电力企业的青睐，目前在欧美已经大面积实施，近年来在中国也有越来越多的企业采用了这种方式。预知性维修既然是一种基于设备运行的状态的有计划、针对性的维修方式，自然要求对设备的运行状态事先得知。这种事先得知，不依靠停机离线(Offline）监测，而只依靠运行中的在线(Online）监测，即在设备正常运转过程中实时掌握其重要参数的发展趋势，这样当在线监测到发生事故的先兆，就能及时的提前做出维修计划。

1主要技术介绍

1.1技术原理局部放电是发生在高压绝缘空隙中或间隙中的小电火花。当电压应力超过了在这些空隙中存在的气体的电击穿强度时，局部放电就会发生。放电的过程伴随着能量的产生，破坏发电机的绝缘。通过监测局放脉冲信号即可监测发电机定子绝缘的好坏，局放信号监测仪的采集频率在放电脉冲的频率f大约在50～250MHz之间。

1.2局放监测传感器局放耦合器（EMC）采用与发电机线棒主绝缘相同的材质，即用纯云母制成，再用环氧树脂模铸而成，其云母厚度达80mm（线棒主绝缘厚度一般为4～5mm），其耗散系数并不随温度变化而改变，也不会随着运行温度的上升而发生故障，按照IEEE的计算，其寿命达60,000年，具有高度的可靠性。这种耦合器在高于其本身耐压2倍+1000V的电压下不产生局部放电和表面放电痕迹，每个耦合器都经过了高于IEEE/ANSIC37.20.2要求的合格测试后方可出厂。在世界范围内，已经安装了40,000多个EMC，无一例故障。80pF电容器实际上相当于一个高频滤波器，高频信号极易通过，特别利于40MHz以上的局放信号通过。局放耦合器主要技术参数如下：(1)响应频带：40～350MHz。(2)介质损耗因数小于0.1％。(3)工作温度：-55℃～+125℃。(4)可防止放电痕迹和表面放电。(5)传感器电压等级：25kV、16kV和6.9kV三种电压等级可选。(6)耐压等级：2倍于额定电压+1000V电压下无放电，高于IEEE/ANSIC37.20.2要求。

1.3系统架构海洋石油平台所使用的发电机通常是额定容量小于100mV•A的燃气/原油发电机，属于小型发电机，冷却方式为空冷。发电机定子局放在线监测系统由局放耦合器、同轴电缆连接线、终端接线盒、局放仪组成，结构见图3。通常小型发电机连接到电力系统，使用很长的电力电缆。当电缆距离大于30m，或者配合脉冲信号发生器检测到脉冲在发电机侧和电力系统侧的幅值之差衰减超过80%，可以在发电机出线端上安装一个单端的环氧云母耦合器，因为通常可能被局放仪器探测到的高频“系统”脉冲信号被电缆严重衰减，因此仪器不会将此识别为局放脉冲信号。

2现场实施关键

2.1环氧云母耦合器的安装环氧云母耦合器的安装是系统成功应用的关键。通常，耦合器安装在海洋石油平台发电机出线箱内。如果是每相单端安装，基于检测原理，则须判断由发电机敷设至电力系统侧的电缆的长度是否大于30m。如果现场无法判断该长度，则通过脉冲信号发生器和示波器，来判断机组侧、电力系统侧的脉冲信号幅值的差值是否大于80%。具体方法为：第一步，发电机停机检修期间，利用专用的脉冲信号发生器，在发电机出线箱内的铜排上发射脉冲信号，利用示波器检测该点的脉冲信号波形，记录第一个稳定的波峰幅值。第二步，将脉冲信号发生器保持持续发射脉冲信号的状态和地点不变，将示波器的检测位置改变为电力系统侧的电缆进线端，一般为发电机出口断路器开关柜内，在此开关柜内的铜排上用示波器检测脉冲信号波形，记录第一个稳定的波峰幅值。将第一步和第二步检测得到的波形幅值相比较，如果差值大于80%，即可按照单端安装的方法进行耦合器的安装。另外，耦合器及连接电缆高压端相与相、相与地之间必须保证足够的安全距离。对于6.3kV母排来说，安全距离通常在3cm以上。连接电缆尽量不要交叉接触，如空间狭小必须交叉接触，可使用绝缘胶皮进行包裹隔离。

2.2同轴电缆连接线的安装同轴电缆为50Ω标准规范的阻燃耐热型同轴电缆。布线时，同轴电缆可穿管布线，要求必须是带金属屏蔽层的套管，终端接线盒处，柔性金属导管必须良好单端接地。另外，同轴电缆连接在环氧云母耦合器上，须使用下图的绕线方式连接在耦合器上，为防止震动脱落，使用导电胶将同轴电缆与耦合器粘合牢固。

2.3终端接线盒的安装将终端盒安装在离环氧云母耦合器尽可能近的距离。耦合器与终端接线盒之间的同轴电缆长度不要大于21m。如果距离太近导致同轴电缆富余较多，可将多余的电缆（小于11m）存放在终端盒中的电路板后面的空间内，注意不要打环，可锯齿形（非盘绕）绕线，防止打环产生的磁场干扰信号。终端接线盒的接地螺栓必须使用接地电缆进行良好的接地，否则将会击穿终端接线盒内的电路板，甚至危及人身安全。

3应用效果

经验表明，额定6kV及以上的电机至少每半年应进行一次局放数据监测。在这种测量频次下，可在出现绝缘被击穿的高风险严重劣化之前两年甚至更早，就可以探测到相关的局部放电信号。除了发电机定子本身的绝缘状况之外，发电机中的局部放电活动很大程度上也取决于以下几个因素：(1)定子电压；(2)湿度；(3)绕组温度；(4)发电机的负荷。因此，为了进行局放变化的趋势分析，测量时应保持上述各要素的状态不变。如果使用连续在线监测仪器，可通过modbus通讯方式将采集的局放数据传输至固定式检测分析仪。如果使用便携式监测仪器，则每年度的测量工作尽量安排在与上年同一月份进行，以保持发电机运行时的外部环境条件类似。然后通过分析软件进行放电次数、放电量、极性、相位的分析。进而判断发电机定子绝缘的好坏。图6、图7分别是中海油某海洋石油平台A发电机的局放频谱分析的二维频谱和三维频谱，通过二维图，可以看出局放量（NQN）、局放峰值（Qm）以及噪声的大小。通过三维图，可以看出放电集中处的相位角度、极性。如果局放量较大，可以通过三维图极性、相位定位出放电发生在主绝缘的大体位置。通过上面的图谱分析可以看出，该发电机定子局放峰值非常小，且基本集中在B相。将该次的局放分析结果与全球数百万台发电机局放数据库进行对比，其属于局放水平极其良好的一类。首次测量之后，如后期依次进行第二次、第三次等持续性测试，则可将历次测试数据进行对比，如同一台发电机的Qm趋势对比、多台相同的发电机Qm对比、相同限制条件下多台相似的发电机的Qm对比等。如果发现在两次测试之间Qm发生了较大变化，则说明了定子的绝缘水平发生了问题，需要缩短监测次数甚至停机检查。

参考文献

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[2]林才桂.发电机定子绝缘低的原因分析及处理[J].科技资讯,2011(29):155.

[3]张毅刚,郁惟镛,赵亚奎.发电机绝缘诊断专家系统的研究[J].高电压技术,2004,a30(9):35-37.

作者：欧阳俊 单位：中海石油有限公司天津分公司