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摘要：局部放电（PD）测量长期以来一直被用于评定额定电压为3.3kV及以上的石油化工厂电动机和发电机中定子绕组的电气绝缘状况。虽然有多种方法可以在电动机或者发电机正常工作过程中测量局部放电，但不幸的是大多数测量方法都会将定子局部放电（PD）与电气连接不良、电动工具运行、输电线路的电晕等导致的电子干扰信号混淆。这可导致定子绕组故障的错误指示，降低PD测量的可信度。本文给出了可以降低错误指示风险，从而使得测量更加客观的相关方法的综述。关于在线PD检测的另一个问题是数据解析：也就是识别哪些设备状态良好，哪些设备需要维护。在过去的十年中，来自上千台设备的超过400，000个的检测结果已经被整合到一个数据库中。在数千台设备中，PD水平与目视检查的绝缘状况进行了对比。最终得到一个数据表，用于客观的确定相似设备的定子绝缘状况。
关键词：局部放电；发电机；电动机；定子绕组；绝缘故障
1.引言
局部放电（有时也被称为电晕）是小型电火花放电，发生在额定电压3.3kV及以上的电动机和发电机的劣化、或者制造不良的定子绕组绝缘系统中。在过去25年里，在线局部放电（PD）检测已经成为确定这些设备电气绝缘状况的最常用的方法[1-5]。局部放电（PD）测试可检测大部分（并非全部）模绕绕组中常见的制造和劣化问题，包括：
••环氧树脂浸渍不良
•劣质半导体涂层
••端部绕组区内线圈间的间距不足
••线圈在槽内松动
••过热（长期热劣化）
••绕组被水分、油、污垢等污染。
••负载循环问题
••电气连接不良（尽管这并非严格意义上的绝缘问题）
通常，对于额定电压3.3kV及以上的设备，超过50年的电动机和发电机PD测试经验表明通常在绕组故障前几个月，甚至几年前就可以给出警告[1和3]。
有很多方法都可以来检测正在运行的电动机及发电机中的PD活动[1、4和5]。这些电气技术依靠监测一个局部放电发生时产生的电流或者电压脉冲。最早的方法是通过位于中性点[2]的高频电流互感器（HFCT）来测量PD脉冲电流，但是这种方法容易做出定子绕组问题的错误指示。其他方法使用RTD温度传感器的引线作为一个天线，但是国际组织（例如CIGRE）对RTD的使用持保留意见，因为该方法存在争议并且结果解释非常主观[4]。现在，大多数设备使用高压电容作为PD传感器来进行日常的在线PD检测[1]。需要注意的是IEC60034-27-2说明了如何确保PD传感器不会导致定子绕组故障[5]。
局部放电（PD）测量遇到的一个关键挑战是在电动机或者发电机正常运行过程中进行监测。由于设备已经与电力系统连接，往往会存在电气干扰（噪声）。噪声源包括电力系统的电晕、滑环/换向器电火花、不良电气连接造成的电火花，电弧焊机和/或电动工具运行。电噪声会掩盖PD脉冲，并且可能导致经验不足的技术人员得出定子绕组存在高水平局部放电的结论，而实际上是电噪声[5]。结果是一个良好的绕组被错误地评定为存在缺陷，这意味着给出一个表明绕组损坏的错误警报，尽管实际上该绕组状态良好。这样的错误警报会降低在线PD检测的可信性，许多人觉得在线PD检测是一种“巫术”，最好留给专家处理。本文简要介绍了在电动机和高速发电机中将PD从噪声中分离出来的方法，这些设备往往与石油生产设施和精炼厂有关。使用相同检测方法（并以抑制噪声的方式收集）检测的超过400000个PD结果已经被存贮在一个单一数据库中。可以提取信息来更好地解释PD结果。该分析的主要目的是帮助用户自己客观地确定哪个电动机及发电机的定子绝缘状况正在劣化，使得用户能够合理安排维护计划.
2.噪声分离方法
迄今为止，基于RTD或者HFCT的PD检测器仍然需要由专家进行解读，以便将定子PD从所有其他信号中分离出来[1、4和5]。因此使用自动统计程序分析来自这些传感器的海量PD数据是不现实的。结果是，当使用RTD或者RFCT作为PD传感器的时候，没有一种简单的标准可以用来帮助电动机和发电机拥有者评定一个PD水平是否过高，。即使是使用电容式PD传感器，噪声有时也会与PD混合，对自动分析造成妨碍。
在25年前，北美电力行业资助了一项研究来开发一种客观的设备在线PD检测方法，通过对电厂员工进行简单的培训，即可由他们进行队机组进行测试和解读[1]。开发的PD检测方法强调从电噪声脉冲中分离PD脉冲。事实上，该研究中开发的技术依赖于4种独立的噪声分离方法，因为没有一种分离方法被认为是独立完全有效的：
••频域滤波
••特性阻抗不匹配
••脉冲形状分析
••噪声和PD脉冲到达一对传感器的时间
实际上，为了将错误指示的风险降低到一定百分比以下，必须至少使用4种方法中的3种。在高噪声环境中，4种方法必须全部使用。这些方法概述如下，详细说明可参见IEC60034-27-2[5]。
2.1滤波
作为应用研究项目的一部分，在典型工厂的噪声环境中进行了测量[6]。结果表明噪声倾向于在频率低于10MHz左右时产生最大信号。相反，在接近定子绕组处测量时，PD产生的信号频率高达数百兆赫兹[6]。因此，如果测量高于40MHz的PD信号，可以获得最高的PD信噪比（SNR）并从而获得最低的误报风险[5]。通过使用50ohm输入阻抗的示波器或测量设备配以80pF的高压电容，就可以组建一个简单的单极高通滤波器。该电容与用于PD传感器的电容相同。
2.2特性电阻不匹配
大型发电机通常使用空气绝缘母线与电力系统连接。一般而言，这些母线具有约为100欧姆的特性（或者浪涌）阻抗。相反，定子线槽中线圈的特性阻抗要低得多，通常近似于30欧姆。来自电力系统的一个噪声脉冲沿着空气绝缘母线传输时首先会遇到100欧姆的源阻抗，然后遇到30欧姆的线圈阻抗。利用传输线理论，高频噪声脉冲的第一个峰值会被衰减到原始幅值的25%左右。一个源自绕组的PD脉冲的阻抗源是30欧姆，然后遇到100欧姆的空气绝缘母线阻抗。根据传输线理论，这会产生反射和叠加，造成PD脉冲电流的第一个峰值被放大约50%。PD脉冲和噪声脉冲的高速行波特性会放大PD脉冲并抑制外部噪声，从而实现另一种提高SNR（信噪比）的方法。为了使用该方法，噪声脉冲和PD脉冲必须使用它们<5ns的原始上升时间进行检测，并且PD传感器必须在线圈1米左右内。
2.3脉冲形状分析
从噪声中分离PD的第三种方法依靠于PD和噪声脉冲的时域特性。快前沿电流脉冲，无论来源于哪里，随着它们沿电力电缆传输都会被修改。共有两种类型的修改：衰减和耗散，其中后者指的是脉冲频率的相关衰减。脉冲需要传输的距离越长，遇到的衰减和耗散就越大。图1显示了一个电压脉冲沿着电缆传输时这两种特性的作用效果。随着脉冲传输的距离更远，脉冲的幅值因为衰减作用而降低，并且脉冲的上升时间因为耗散作用而延长。
图1：脉冲沿不同长度的交联聚乙烯电力电缆传播时的衰减和耗散。
如果一个PD传感器被安装在非常靠近定子绕组的位置（例如小于1米），则任何来自定子绕组的PD脉冲在传输到传感器的过程遇到的衰减和耗散都可以被忽略。然而，如果来自电力系统的噪声脉冲必须首先传过若干米长的电力电缆，则噪声脉冲的幅值会被显著降低并且上升时间会更长。通过数字化测量上升时间，利用上升时间或者脉冲宽度可以逐个脉冲地将PD脉冲从噪声中分离[7]。尽管使用这种方法从噪声中分离PD意味着必须沿一根电力电缆传输，脉冲形状分析在分离电机转子的电火花源时同样有效（例如，同步电机中的轴接地电刷放电或者滑环放电），因为这些噪声在与定子耦合时连接具有较慢的上升时间。
2.4到达的脉冲时间
如果与电力系统的连接是通过空气绝缘母线或者非常短的电力电缆，因此脉冲形状不足以区分噪声和PD脉冲，则需要采用一种额外的噪声分离方法，这种方法是基于在每相上使用两个传感器（图2）。如果传感器分隔距离至少为2米，则来自电力系统的脉冲会在它们被“M”传感器检测到之前到达“S”传感器。同理，如果脉冲是来自定子绕组的局部放电，则脉冲会在到达“S”传感器之前先到达“M”传感器。通过快速响应的数字逻辑，可以根据那个传感器首先检测到信号来将脉冲归类为噪声脉冲或者PD脉冲。
图2.基于脉冲传播的方向，每相使用两个电容器来分离PD和电力系统噪声。如果开关设备和电机之间的电力电缆长度小于30米，则只需要两个传感器。
图3：来自单相的典型PD数据，相对于50Hz交流电周期的曲线图。垂直轴是PD脉冲的正/负幅值，单位为mV。颜色代表在该幅值和相位每秒发生的放电数量。PD幅值越高，绝缘的缺陷越严重。该相的PD幅值峰值（Qm）为–400mV和+200mV。
3.局部放电数据
上述的噪声分离方法（实际应用时使用80pF电容器和适当的数字仪表）已经永久性安装在世界各地的15000多台电动机和发电机上，包括许多石油平台和精炼厂。首个石油平台安装是在20年前的中国南海。结果是使用便携式测量仪器已经收集了数量非常庞大的数据，并且其中的PD几乎是无噪声的。一旦PD被从噪声中分离，电子仪器（TGA-B）会记录其数量、幅值和相位（相对于50Hz交流电）。图3显示了来自电机定子绕组的一个PD典型曲线。符合感应式仪表PD检测的国际标准（IEC60270和IEC60034-27-2[5]），脉冲幅值测量的绝对单位为毫伏（mV）。从每个检测中会提取两个综合指标，代表所有采集的PD脉冲数据。PD脉冲幅值的正/负峰值（+Qm和–Qm）代表测量得到的最高PD脉冲（单位为mV），Qm的最小PD重复频率为10脉冲/秒。Qm是绕组中劣化最严重处绝缘状况的合理预测指标[5]。在一个绕组中测得了高Qm，同时另一个绕组测得的Qm相对较低，通常表示前一个绕组的劣化程度更严重[1和5]。
4.数据库
自1992年以来的所有便携式测量仪检测结果都被集合到一个单一数据库中。截止到2013年底，该数据库总共有超过400000个检测结果。该数据库包含许多重复检测，有时会执行许多年。此外，许多测试都是在不同工况下完成。电机工作条件可能会影响PD活性，从而为分析增加额外的可变性[1和5]。因此数据库进行了小心地缩减，以便：
••只获取电动机满负载或者接近满负载，并且在正常工作范围内运行时的在线PD读数
••每个传感器只会收集一个检测结果，因此只会提取最新的读数
••如果有理由相信测量被错误表示，则检测结果会被丢弃。
该挑选的结果是截止到2013年底，在数据库中涡轮发电机和电动机分别有7920和5760个统计独立检测结果。
5.PD数据解读
通过分析数据库[8]来确定多个不同因素对Qm的影响：
••定子绕组的工作电压
••设备额定功率
••绝缘材料
••设备的类型（电动机或者发电机）。
针对上述每组影响因素，根据特定工作电压的所有检测结果建立了Qm范围。相对于工作电压的累计统计分布如表1所示。例如，对于一个11kV定子，25%的检测结果的Qm低于41mV，50%的检测结果的Qm低于89mV，75%的检测结果的Qm低于196mV，并且90%的检测结果的Qm低于385mV。因此，如果在一个精炼厂电机上获得了高于400mV的Qm，则很有可能电动机已经劣化，因为它的PD水平高于90%的类似设备。事实上，在记录到>90%类似设备的PD水平的200多个案例中，由第三方进行的目视检查全都观测到了显著的定子绕组绝缘劣化[9]。
通过两个数据组（例如由11kV设备组成）间90%水平的比较可以确定特定因素对Qm的影响。如果两个数据组的Qm平均值和90%分布水平间存在显著差异，则可得出该影响因素对解释结果十分重要的结论。表1中令人感兴趣的是随着电动机或者发电机的额定电压增加，90%水平也随之增加。来自11kV定子的结果显然不能与来自3.3kV定子的结果混淆。相反，绝缘类型、额定功率或者设备类型则不会产生明显不同的Qm分布[1和8]
通过该表格，只需对设备进行一次测试（而不是等待趋势发展）电动机及发电机拥有者现在能够客观地确定一个定子绕组绝缘是否存在问题。此外，电动机和发电机制造商可使用该信息作为一个新绕组相对质量的指标（存在一定的局限性）。如果PD高于90%的类似设备，则进行离线检测和/或目视检查是一种谨慎的做法。连续PD监测器应当将它们的警报水平设置为90%水平。
表1：空冷定子的Qm（单位为mV）统计分布，80pF传感器安装在端部
结论：
（1）.通过长达20年使用相同方法对数千台设备进行的监测，在线局部放电检测已经成为一种可靠的工具，可帮助维护工程师识别需要离线测试、检查和/或维修的定子绕组。这已经得到了2012年出版的第一个关于该问题的IEC标准的认可[5]。
（2）.如果希望对来自在线PD检测的海量数据进行自动分析，PD和噪音的有效分离是至关重要的。本文概述了四种互补的分离方法，并且用于文中报告的数据。
（3）.通过使用相同检测方法获得的超过400，000个检测结果，定义了具有低、中、高PD的绕组构成。表1使得测试用户能够客观地识别那个定子可能已遭受主绝缘劣化，而无需专家的帮助。
（4）.表1的实用价值在于如果在一个设备上使用了PD传感器，并且第一次测量时获得的Qm超过了相关Qm分布的90%水平，则应当对高PD水平足够关注并采取相应措施，例如更频繁的检测以及/或者在下一次设备正常关闭时进行离线测试和检查。