目錄

• 引言——什么會(huì )引起局部放電？

• 設計、材料和工藝的關(guān)鍵作用

• 檢測和測量局部放電

• 狀態(tài)監測和服務(wù)

• 規定局部放電低是否有意義？

• 結論

• 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）電氣設備中，如電纜、變壓器、電機和發(fā)電機。它是一種由于高電場(chǎng)而產(chǎn)生的很小的放電。在工業(yè)高壓電機和發(fā)電機中，電應力可以達到每毫米幾千伏，這可能會(huì )在絕緣內部（內部PD）或表面（外部PD）產(chǎn)生局部放電。

內部局放一般發(fā)生在絕緣材料內部殘留的微觀(guān)空氣填充的空隙中，空隙的數量和大小取決于制造過(guò)程中遵循的程序。電荷在空隙周?chē)e聚，當空隙上的局部電場(chǎng)應力超過(guò)擊穿場(chǎng)應力時(shí)，就會(huì )發(fā)生放電，使空隙短路。需要特殊設備來(lái)檢測和測量?jì)炔烤植糠烹姟?/p>

當局部電場(chǎng)應力超過(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(guò)目測發(fā)現，因為它通常會(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(xiàn)，兩者都會(huì )對絕緣產(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)。這些效應會(huì )影響到周?chē)慕^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(guān)鍵作用

在高壓電機和發(fā)電機中，完全避免局部放電是不可能的。影響局部放電活動(dòng)程度的因素包括設計、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，電機或發(fā)電機應根據其特定用途進(jìn)行設計。一個(gè)好的制造商可以根據不同的應用設計產(chǎn)品，考慮到導致老化的TEAM（即熱、電、環(huán)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(fā)電機對高振動(dòng)水平、寬環(huán)境溫度范圍、高濕度等的影響。

應特別注意絕緣系統的質(zhì)量，因為它對最大限度地減少局部放電起著(zhù)關(guān)鍵作用。ABB將MicadurTM Compact Industry和Enduraseal系統用于高壓電機和發(fā)電機的定子繞組，這些系統自70年代中期以來(lái)已在數千臺設備中得到驗證。它們基于成型繞組技術(shù)，在無(wú)機云母和環(huán)氧樹(shù)脂的基礎上構建，并經(jīng)過(guò)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(gè)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(lái)，在使用這些絕緣系統生產(chǎn)的數萬(wàn)臺ABB電機和發(fā)電機中，沒(méi)有出現過(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。

工業(yè)高壓電機和發(fā)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(chǎn)品設計。Insulation+電機和發(fā)電機有額外的絕緣層--數量取決于電壓等級--以進(jìn)一步降低電氣應力，從而減少局部放電的影響。Lifetime+電機和發(fā)電機具有與Insulation+相同的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(chǎng)使用局部放電水平跟蹤作為高壓電機和發(fā)電機的狀態(tài)監測工具。進(jìn)行測量和分析結果需要專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)業(yè)知識和設備，工廠(chǎng)應決定是培訓自己的人員來(lái)做這項工作，還是將其外包給外部服務(wù)提供商。這些決定最好在訂購電機或發(fā)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(wèn)題。

有各種方法可以檢測局部放電釋放的能量，通?；跍y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(fā)電機最常用的方法。耦合電容可安裝在主接線(xiàn)盒中，以便連接測量設備進(jìn)行現場(chǎng)在線(xiàn)局部放電監測。

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

單個(gè)局部放電測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量設備的類(lèi)型、設置（如檢測帶寬）和校準、軟件的類(lèi)型以及環(huán)境濕度、溫度和噪聲水平?？赡苡绊懡Y果的噪聲源包括焊接設備、行車(chē)和開(kāi)關(guān)柜等等。此外，局部放電脈沖在定子繞組內傳播時(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(shí)上，即使得到準確的局部放電幅值，也不一定能說(shuō)明絕緣材料的剩余壽命。這是因為電應力只是作用在絕緣上的TEAM應力之一，對于一個(gè)特定的電機或發(fā)電機來(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(shí)是有意義的--特別是當定期測量以產(chǎn)生趨勢數據時(shí)。特別是，局部放電可能是一個(gè)更嚴重問(wèn)題的征兆，如果不進(jìn)行局部放電測量，就很難發(fā)現。例如，在一個(gè)案例中，對一臺整機沒(méi)有進(jìn)行VPI并有25年運行歷史的高壓電機進(jìn)行測量時(shí),發(fā)現其局部放電水平很高。見(jiàn)圖3。進(jìn)一步調查發(fā)現，線(xiàn)圈在槽中松動(dòng)，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(huì )導致電機的故障。應該注意的是，這種類(lèi)型的問(wèn)題通常不會(huì )發(fā)生在現代高質(zhì)量的電機或發(fā)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(guò)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(wú)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(xiàn)圈松動(dòng)引起的。

狀態(tài)監測和服務(wù)

許多制造商提供了對其電機和發(fā)電機的狀態(tài)監測建議。ABB建議定期監測繞組的狀態(tài)，例如，可以在主接線(xiàn)盒中安裝耦合電容器，以實(shí)現定期離線(xiàn)甚至在線(xiàn)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(fā)電機進(jìn)行指紋測量，作為工廠(chǎng)出廠(chǎng)測試（FAT）的一部分，但建議在調試后進(jìn)行，因為現場(chǎng)的局部放電活動(dòng)可能與FAT期間測量的活動(dòng)水平有很大差異。這是由于現場(chǎng)的環(huán)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(fā)電機狀況信息，還需要進(jìn)行目測和其他評估。像ABB LEAP（預期壽命分析計劃）這樣的服務(wù)，可以定期對定子繞組絕緣狀況進(jìn)行現場(chǎng)評估，并評估預期壽命可能發(fā)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(xiàn)性絕緣行為、tan delta介質(zhì)損耗和電容等評估?？梢越Y合ABB的標準服務(wù)項目，主要針對轉子、軸承和冷卻器，包括目測檢查，實(shí)現大范圍的整體評估。ABB LEAP產(chǎn)生的數據比單獨的局部放電測量更穩定，因為每一個(gè)測量都會(huì )得到其他測量的增強，而且ABB LEAP報告的基礎是一個(gè)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(wèn)題，應采取行動(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)高導致冷卻器加速老化，可以對其進(jìn)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(fā)電機市場(chǎng)的一個(gè)日益增長(cháng)的趨勢是，用戶(hù)在指定新設備時(shí)規定低局部放電水平。遺憾的是，這不一定能保證更長(cháng)的壽命或提高可靠性，但會(huì )導致成本增加和設計過(guò)度。

如上所述，可靠的制造商力求確保其電機和發(fā)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(dòng)下運行。局部放電大小和絕緣壽命之間也沒(méi)有直接的相關(guān)性，因為對于一個(gè)給定的電機或發(fā)電機，電應力可能不是絕緣老化的主要因子。此外，說(shuō)局部放電"低"是相當沒(méi)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(lái)代替。

結論

本文著(zhù)重介紹了電機和發(fā)電機用戶(hù)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(jì)可靠的制造商是很有意義的，因為設計和工藝質(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(zhù)核心作用。同時(shí)，需要決定是否會(huì )定期跟蹤及測量局部放電的水平，如果會(huì )，誰(shuí)來(lái)負責？將使用什么硬件？

相比之下，在采購過(guò)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(huì )產(chǎn)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(kāi)始，以獲得趨勢數據。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量，并進(jìn)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(fā)電機可以承受局部放電，但ABB的Insulation+和Lifetime+等增強型產(chǎn)品將提供更長(cháng)的使用壽命和更高的可靠性。對這類(lèi)延長(cháng)電機和發(fā)電機壽命的產(chǎn)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

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