監測石油平臺發電機定子局放的應用范文

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摘要：安裝在海洋石油平臺的發電機是海上油田生產、生活唯一的電源，由于其特殊的地理環境和復雜的工作環境，一旦出現定子絕緣故障，將會導致重大的經濟損失，并且其運輸、維修、返裝成本往往是安裝在陸地發電機的數倍。發電機定子局放在線監測技術的應用，填補了海洋石油平臺發電機組定子絕緣在線監測手段的空白，對推動海洋石油平臺發電機維修由傳統的計劃維修方式轉變為預知性維修方式、縮減發電機維護成本，提供了可靠的技術保障。

關鍵詞：發電機;定子局放;在線監測;定向噪聲分離;局放頻譜分析

發電機作為海上平臺供電設備，是整個油田生產、生活最重要的設備，一旦發生故障將會帶來重大的經濟損失并危及平臺安全。它有以下幾項特點：價格昂貴、可靠性要求高、檢修難度大。根據美國電科院和中國清華大學的統計調查結果顯示，旋轉電機故障主要發生的部位為：定子繞組、轉子、鐵芯。其中鐵芯故障情況占到所有發電機故障的3%，定子繞組和轉子故障占所有發電機故障的56%。從以上數據來看，定子繞組的健康與否對于整個發電機具有非常重大的意義。目前海上平臺對于發電機組的維修是預防性的維修方式，即根據時間安排的維修：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，具有一定的預防作用。但此種維修方式的缺點是：無論設備好壞，都要定期檢修。當設備不存在問題時這種定期維修不但造成人力、財力的損耗，而且會因過度維修造成設備損壞。這種定期檢修并不能避免在兩次檢修期間發生的故障，且當故障發生時，往往造成更大的經濟損失。在海上平臺出現過多次發電機組轉子匝間短路的事故，給平臺帶來了嚴重的經濟損失。這也說明了這種預防性維修方式的缺點，這些缺點在某些特定的時刻是致命的。針對這種情況，中海油某作業公司在海上石油平臺應用了一種預知性的維修方式，即根據預先掌握設備運行狀況或故障先兆，有計劃有針對性的維修，停機的時間以及長短也可以根據需要而安排。通過預知發電機的故障，減小發電機的突發故障幾率，避免突發性的搶修導致的重大經濟損失。顯然這種方式不但具有預防性、計劃性、而且具備科學性，是最理想最經濟的維修方式。這種方式已受到全球電力企業的青睞，目前在歐美已經大面積實施，近年來在中國也有越來越多的企業采用了這種方式。預知性維修既然是一種基于設備運行的狀態的有計劃、針對性的維修方式，自然要求對設備的運行狀態事先得知。這種事先得知，不依靠停機離線(Offline）監測，而只依靠運行中的在線(Online）監測，即在設備正常運轉過程中實時掌握其重要參數的發展趨勢，這樣當在線監測到發生事故的先兆，就能及時的提前做出維修計劃。

1主要技術介紹

1.1技術原理局部放電是發生在高壓絕緣空隙中或間隙中的小電火花。當電壓應力超過了在這些空隙中存在的氣體的電擊穿強度時，局部放電就會發生。放電的過程伴隨著能量的產生，破壞發電機的絕緣。通過監測局放脈沖信號即可監測發電機定子絕緣的好壞，局放信號監測儀的采集頻率在放電脈沖的頻率f大約在50～250MHz之間。

1.2局放監測傳感器局放耦合器（EMC）采用與發電機線棒主絕緣相同的材質，即用純云母制成，再用環氧樹脂模鑄而成，其云母厚度達80mm（線棒主絕緣厚度一般為4～5mm），其耗散系數并不隨溫度變化而改變，也不會隨著運行溫度的上升而發生故障，按照IEEE的計算，其壽命達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的電壓下不產生局部放電和表面放電痕跡，每個耦合器都經過了高于IEEE/ANSIC37.20.2要求的合格測試后方可出廠。在世界范圍內，已經安裝了40,000多個EMC，無一例故障。80pF電容器實際上相當于一個高頻濾波器，高頻信號極易通過，特別利于40MHz以上的局放信號通過。局放耦合器主要技術參數如下：(1)響應頻帶：40～350MHz。(2)介質損耗因數小于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：25kV、16kV和6.9kV三種電壓等級可選。(6)耐壓等級：2倍于額定電壓+1000V電壓下無放電，高于IEEE/ANSIC37.20.2要求。

1.3系統架構海洋石油平臺所使用的發電機通常是額定容量小于100mV•A的燃氣/原油發電機，屬于小型發電機，冷卻方式為空冷。發電機定子局放在線監測系統由局放耦合器、同軸電纜連接線、終端接線盒、局放儀組成，結構見圖3。通常小型發電機連接到電力系統，使用很長的電力電纜。當電纜距離大于30m，或者配合脈沖信號發生器檢測到脈沖在發電機側和電力系統側的幅值之差衰減超過80%，可以在發電機出線端上安裝一個單端的環氧云母耦合器，因為通常可能被局放儀器探測到的高頻“系統”脈沖信號被電纜嚴重衰減，因此儀器不會將此識別為局放脈沖信號。

2現場實施關鍵

2.1環氧云母耦合器的安裝環氧云母耦合器的安裝是系統成功應用的關鍵。通常，耦合器安裝在海洋石油平臺發電機出線箱內。如果是每相單端安裝，基于檢測原理，則須判斷由發電機敷設至電力系統側的電纜的長度是否大于30m。如果現場無法判斷該長度，則通過脈沖信號發生器和示波器，來判斷機組側、電力系統側的脈沖信號幅值的差值是否大于80%。具體方法為：第一步，發電機停機檢修期間，利用專用的脈沖信號發生器，在發電機出線箱內的銅排上發射脈沖信號，利用示波器檢測該點的脈沖信號波形，記錄第一個穩定的波峰幅值。第二步，將脈沖信號發生器保持持續發射脈沖信號的狀態和地點不變，將示波器的檢測位置改變為電力系統側的電纜進線端，一般為發電機出口斷路器開關柜內，在此開關柜內的銅排上用示波器檢測脈沖信號波形，記錄第一個穩定的波峰幅值。將第一步和第二步檢測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，可使用絕緣膠皮進行包裹隔離。

2.2同軸電纜連接線的安裝同軸電纜為50Ω標準規范的阻燃耐熱型同軸電纜。布線時，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，柔性金屬導管必須良好單端接地。另外，同軸電纜連接在環氧云母耦合器上，須使用下圖的繞線方式連接在耦合器上，為防止震動脫落，使用導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度不要大于21m。如果距離太近導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，注意不要打環，可鋸齒形（非盤繞）繞線，防止打環產生的磁場干擾信號。終端接線盒的接地螺栓必須使用接地電纜進行良好的接地，否則將會擊穿終端接線盒內的電路板，甚至危及人身安全。

3應用效果

經驗表明，額定6kV及以上的電機至少每半年應進行一次局放數據監測。在這種測量頻次下，可在出現絕緣被擊穿的高風險嚴重劣化之前兩年甚至更早，就可以探測到相關的局部放電信號。除了發電機定子本身的絕緣狀況之外，發電機中的局部放電活動很大程度上也取決于以下幾個因素：(1)定子電壓；(2)濕度；(3)繞組溫度；(4)發電機的負荷。因此，為了進行局放變化的趨勢分析，測量時應保持上述各要素的狀態不變。如果使用連續在線監測儀器，可通過modbus通訊方式將采集的局放數據傳輸至固定式檢測分析儀。如果使用便攜式監測儀器，則每年度的測量工作盡量安排在與上年同一月份進行，以保持發電機運行時的外部環境條件類似。然后通過分析軟件進行放電次數、放電量、極性、相位的分析。進而判斷發電機定子絕緣的好壞。圖6、圖7分別是中海油某海洋石油平臺A發電機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，該發電機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果與全球數百萬臺發電機局放數據庫進行對比，其屬于局放水平極其良好的一類。首次測量之后，如后期依次進行第二次、第三次等持續性測試，則可將歷次測試數據進行對比，如同一臺發電機的Qm趨勢對比、多臺相同的發電機Qm對比、相同限制條件下多臺相似的發電機的Qm對比等。如果發現在兩次測試之間Qm發生了較大變化，則說明了定子的絕緣水平發生了問題，需要縮短監測次數甚至停機檢查。

參考文獻

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作者：歐陽俊 單位：中海石油有限公司天津分公司