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摘要：安裝在海洋石油平臺(tái)的發(fā)電機(jī)是海上油田生產(chǎn)、生活唯一的電源，由于其特殊的地理環(huán)境和復(fù)雜的工作環(huán)境，一旦出現(xiàn)定子絕緣故障，將會(huì)導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失，并且其運(yùn)輸、維修、返裝成本往往是安裝在陸地發(fā)電機(jī)的數(shù)倍。發(fā)電機(jī)定子局放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，填補(bǔ)了海洋石油平臺(tái)發(fā)電機(jī)組定子絕緣在線監(jiān)測(cè)手段的空白，對(duì)推動(dòng)海洋石油平臺(tái)發(fā)電機(jī)維修由傳統(tǒng)的計(jì)劃維修方式轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)知性維修方式、縮減發(fā)電機(jī)維護(hù)成本，提供了可靠的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);定子局放;在線監(jiān)測(cè);定向噪聲分離;局放頻譜分析

發(fā)電機(jī)作為海上平臺(tái)供電設(shè)備，是整個(gè)油田生產(chǎn)、生活最重要的設(shè)備，一旦發(fā)生故障將會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失并危及平臺(tái)安全。它有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：價(jià)格昂貴、可靠性要求高、檢修難度大。根據(jù)美國(guó)電科院和中國(guó)清華大學(xué)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)電機(jī)故障主要發(fā)生的部位為：定子繞組、轉(zhuǎn)子、鐵芯。其中鐵芯故障情況占到所有發(fā)電機(jī)故障的3%，定子繞組和轉(zhuǎn)子故障占所有發(fā)電機(jī)故障的56%。從以上數(shù)據(jù)來看，定子繞組的健康與否對(duì)于整個(gè)發(fā)電機(jī)具有非常重大的意義。目前海上平臺(tái)對(duì)于發(fā)電機(jī)組的維修是預(yù)防性的維修方式，即根據(jù)時(shí)間安排的維修：如每隔一年一小修，三年一大修。此維修方式有利于提前消除一部分可能存在的故障隱患，具有一定的預(yù)防作用。但此種維修方式的缺點(diǎn)是：無論設(shè)備好壞，都要定期檢修。當(dāng)設(shè)備不存在問題時(shí)這種定期維修不但造成人力、財(cái)力的損耗，而且會(huì)因過度維修造成設(shè)備損壞。這種定期檢修并不能避免在兩次檢修期間發(fā)生的故障，且當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，往往造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。在海上平臺(tái)出現(xiàn)過多次發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子匝間短路的事故，給平臺(tái)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。這也說明了這種預(yù)防性維修方式的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)在某些特定的時(shí)刻是致命的。針對(duì)這種情況，中海油某作業(yè)公司在海上石油平臺(tái)應(yīng)用了一種預(yù)知性的維修方式，即根據(jù)預(yù)先掌握設(shè)備運(yùn)行狀況或故障先兆，有計(jì)劃有針對(duì)性的維修，停機(jī)的時(shí)間以及長(zhǎng)短也可以根據(jù)需要而安排。通過預(yù)知發(fā)電機(jī)的故障，減小發(fā)電機(jī)的突發(fā)故障幾率，避免突發(fā)性的搶修導(dǎo)致的重大經(jīng)濟(jì)損失。顯然這種方式不但具有預(yù)防性、計(jì)劃性、而且具備科學(xué)性，是最理想最經(jīng)濟(jì)的維修方式。這種方式已受到全球電力企業(yè)的青睞，目前在歐美已經(jīng)大面積實(shí)施，近年來在中國(guó)也有越來越多的企業(yè)采用了這種方式。預(yù)知性維修既然是一種基于設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)的有計(jì)劃、針對(duì)性的維修方式，自然要求對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)事先得知。這種事先得知，不依靠停機(jī)離線(Offline）監(jiān)測(cè)，而只依靠運(yùn)行中的在線(Online）監(jiān)測(cè)，即在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)掌握其重要參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這樣當(dāng)在線監(jiān)測(cè)到發(fā)生事故的先兆，就能及時(shí)的提前做出維修計(jì)劃。

1主要技術(shù)介紹

1.1技術(shù)原理局部放電是發(fā)生在高壓絕緣空隙中或間隙中的小電火花。當(dāng)電壓應(yīng)力超過了在這些空隙中存在的氣體的電擊穿強(qiáng)度時(shí)，局部放電就會(huì)發(fā)生。放電的過程伴隨著能量的產(chǎn)生，破壞發(fā)電機(jī)的絕緣。通過監(jiān)測(cè)局放脈沖信號(hào)即可監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)定子絕緣的好壞，局放信號(hào)監(jiān)測(cè)儀的采集頻率在放電脈沖的頻率f大約在50～250MHz之間。

1.2局放監(jiān)測(cè)傳感器局放耦合器（EMC）采用與發(fā)電機(jī)線棒主絕緣相同的材質(zhì)，即用純?cè)颇钢瞥桑儆铆h(huán)氧樹脂模鑄而成，其云母厚度達(dá)80mm（線棒主絕緣厚度一般為4～5mm），其耗散系數(shù)并不隨溫度變化而改變，也不會(huì)隨著運(yùn)行溫度的上升而發(fā)生故障，按照IEEE的計(jì)算，其壽命達(dá)60,000年，具有高度的可靠性。這種耦合器在高于其本身耐壓2倍+1000V的電壓下不產(chǎn)生局部放電和表面放電痕跡，每個(gè)耦合器都經(jīng)過了高于IEEE/ANSIC37.20.2要求的合格測(cè)試后方可出廠。在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)安裝了40,000多個(gè)EMC，無一例故障。80pF電容器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)高頻濾波器，高頻信號(hào)極易通過，特別利于40MHz以上的局放信號(hào)通過。局放耦合器主要技術(shù)參數(shù)如下：(1)響應(yīng)頻帶：40～350MHz。(2)介質(zhì)損耗因數(shù)小于0.1％。(3)工作溫度：-55℃～+125℃。(4)可防止放電痕跡和表面放電。(5)傳感器電壓等級(jí)：25kV、16kV和6.9kV三種電壓等級(jí)可選。(6)耐壓等級(jí)：2倍于額定電壓+1000V電壓下無放電，高于IEEE/ANSIC37.20.2要求。

1.3系統(tǒng)架構(gòu)海洋石油平臺(tái)所使用的發(fā)電機(jī)通常是額定容量小于100mV•A的燃?xì)?原油發(fā)電機(jī)，屬于小型發(fā)電機(jī)，冷卻方式為空冷。發(fā)電機(jī)定子局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由局放耦合器、同軸電纜連接線、終端接線盒、局放儀組成，結(jié)構(gòu)見圖3。通常小型發(fā)電機(jī)連接到電力系統(tǒng)，使用很長(zhǎng)的電力電纜。當(dāng)電纜距離大于30m，或者配合脈沖信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)到脈沖在發(fā)電機(jī)側(cè)和電力系統(tǒng)側(cè)的幅值之差衰減超過80%，可以在發(fā)電機(jī)出線端上安裝一個(gè)單端的環(huán)氧云母耦合器，因?yàn)橥ǔ？赡鼙痪址艃x器探測(cè)到的高頻“系統(tǒng)”脈沖信號(hào)被電纜嚴(yán)重衰減，因此儀器不會(huì)將此識(shí)別為局放脈沖信號(hào)。

2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施關(guān)鍵

2.1環(huán)氧云母耦合器的安裝環(huán)氧云母耦合器的安裝是系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。通常，耦合器安裝在海洋石油平臺(tái)發(fā)電機(jī)出線箱內(nèi)。如果是每相單端安裝，基于檢測(cè)原理，則須判斷由發(fā)電機(jī)敷設(shè)至電力系統(tǒng)側(cè)的電纜的長(zhǎng)度是否大于30m。如果現(xiàn)場(chǎng)無法判斷該長(zhǎng)度，則通過脈沖信號(hào)發(fā)生器和示波器，來判斷機(jī)組側(cè)、電力系統(tǒng)側(cè)的脈沖信號(hào)幅值的差值是否大于80%。具體方法為：第一步，發(fā)電機(jī)停機(jī)檢修期間，利用專用的脈沖信號(hào)發(fā)生器，在發(fā)電機(jī)出線箱內(nèi)的銅排上發(fā)射脈沖信號(hào)，利用示波器檢測(cè)該點(diǎn)的脈沖信號(hào)波形，記錄第一個(gè)穩(wěn)定的波峰幅值。第二步，將脈沖信號(hào)發(fā)生器保持持續(xù)發(fā)射脈沖信號(hào)的狀態(tài)和地點(diǎn)不變，將示波器的檢測(cè)位置改變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)側(cè)的電纜進(jìn)線端，一般為發(fā)電機(jī)出口斷路器開關(guān)柜內(nèi)，在此開關(guān)柜內(nèi)的銅排上用示波器檢測(cè)脈沖信號(hào)波形，記錄第一個(gè)穩(wěn)定的波峰幅值。將第一步和第二步檢測(cè)得到的波形幅值相比較，如果差值大于80%，即可按照單端安裝的方法進(jìn)行耦合器的安裝。另外，耦合器及連接電纜高壓端相與相、相與地之間必須保證足夠的安全距離。對(duì)于6.3kV母排來說，安全距離通常在3cm以上。連接電纜盡量不要交叉接觸，如空間狹小必須交叉接觸，可使用絕緣膠皮進(jìn)行包裹隔離。

2.2同軸電纜連接線的安裝同軸電纜為50Ω標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的阻燃耐熱型同軸電纜。布線時(shí)，同軸電纜可穿管布線，要求必須是帶金屬屏蔽層的套管，終端接線盒處，柔性金屬導(dǎo)管必須良好單端接地。另外，同軸電纜連接在環(huán)氧云母耦合器上，須使用下圖的繞線方式連接在耦合器上，為防止震動(dòng)脫落，使用導(dǎo)電膠將同軸電纜與耦合器粘合牢固。

2.3終端接線盒的安裝將終端盒安裝在離環(huán)氧云母耦合器盡可能近的距離。耦合器與終端接線盒之間的同軸電纜長(zhǎng)度不要大于21m。如果距離太近導(dǎo)致同軸電纜富余較多，可將多余的電纜（小于11m）存放在終端盒中的電路板后面的空間內(nèi)，注意不要打環(huán)，可鋸齒形（非盤繞）繞線，防止打環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾信號(hào)。終端接線盒的接地螺栓必須使用接地電纜進(jìn)行良好的接地，否則將會(huì)擊穿終端接線盒內(nèi)的電路板，甚至危及人身安全。

3應(yīng)用效果

經(jīng)驗(yàn)表明，額定6kV及以上的電機(jī)至少每半年應(yīng)進(jìn)行一次局放數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。在這種測(cè)量頻次下，可在出現(xiàn)絕緣被擊穿的高風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重劣化之前兩年甚至更早，就可以探測(cè)到相關(guān)的局部放電信號(hào)。除了發(fā)電機(jī)定子本身的絕緣狀況之外，發(fā)電機(jī)中的局部放電活動(dòng)很大程度上也取決于以下幾個(gè)因素：(1)定子電壓；(2)濕度；(3)繞組溫度；(4)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。因此，為了進(jìn)行局放變化的趨勢(shì)分析，測(cè)量時(shí)應(yīng)保持上述各要素的狀態(tài)不變。如果使用連續(xù)在線監(jiān)測(cè)儀器，可通過modbus通訊方式將采集的局放數(shù)據(jù)傳輸至固定式檢測(cè)分析儀。如果使用便攜式監(jiān)測(cè)儀器，則每年度的測(cè)量工作盡量安排在與上年同一月份進(jìn)行，以保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的外部環(huán)境條件類似。然后通過分析軟件進(jìn)行放電次數(shù)、放電量、極性、相位的分析。進(jìn)而判斷發(fā)電機(jī)定子絕緣的好壞。圖6、圖7分別是中海油某海洋石油平臺(tái)A發(fā)電機(jī)的局放頻譜分析的二維頻譜和三維頻譜，通過二維圖，可以看出局放量（NQN）、局放峰值（Qm）以及噪聲的大小。通過三維圖，可以看出放電集中處的相位角度、極性。如果局放量較大，可以通過三維圖極性、相位定位出放電發(fā)生在主絕緣的大體位置。通過上面的圖譜分析可以看出，該發(fā)電機(jī)定子局放峰值非常小，且基本集中在B相。將該次的局放分析結(jié)果與全球數(shù)百萬臺(tái)發(fā)電機(jī)局放數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，其屬于局放水平極其良好的一類。首次測(cè)量之后，如后期依次進(jìn)行第二次、第三次等持續(xù)性測(cè)試，則可將歷次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如同一臺(tái)發(fā)電機(jī)的Qm趨勢(shì)對(duì)比、多臺(tái)相同的發(fā)電機(jī)Qm對(duì)比、相同限制條件下多臺(tái)相似的發(fā)電機(jī)的Qm對(duì)比等。如果發(fā)現(xiàn)在兩次測(cè)試之間Qm發(fā)生了較大變化，則說明了定子的絕緣水平發(fā)生了問題，需要縮短監(jiān)測(cè)次數(shù)甚至停機(jī)檢查。

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作者：歐陽(yáng)俊 單位：中海石油有限公司天津分公司