【19.06】發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測技術(shù) 確保油田安全
時(shí)間：2019-08-10 10:34
來源：
作者: 蘇廷 / 中海油
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。根據(jù)美國電科院和中國清華大學(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，其中定子繞組和轉(zhuǎn)子故障占所有發(fā)電機(jī)故障的 56%。發(fā)電機(jī)定子繞組故障所導(dǎo)致的損失比起轉(zhuǎn)子及鐵芯導(dǎo)致故障的損失大很多，這些故障往往會(huì)引起發(fā)電機(jī)的不正常工作、停機(jī)，嚴(yán)重的甚至?xí)龤Оl(fā)電機(jī)，給平臺(tái)帶來安全和經(jīng)濟(jì)上的龐大損失。遼東作業(yè)公司共有主發(fā)電機(jī)42 臺(tái)，目前海上平臺(tái)對于發(fā)電機(jī)組的維修是預(yù)防性的，此方式有利于提前消除一部分可能存在的故障隱患。自 2010 年開始此工作至 2017 年底，已完成 16 臺(tái)主發(fā)電機(jī)抽芯維保工作。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間，2018 年往后每年預(yù)計(jì) 2~3臺(tái)發(fā)電機(jī)需要進(jìn)行預(yù)防性抽芯檢查。但預(yù)防性抽芯維保的缺點(diǎn)是當(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，而且不必要的拆裝對原本良好的設(shè)備也會(huì)造成損害。
經(jīng)多方了解，最終鎖定了定子局放、轉(zhuǎn)子匝間短路的在線監(jiān)測設(shè)備，它使海上平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)掌握發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及定子的運(yùn)行狀態(tài)，對其發(fā)生事故的先兆進(jìn)行實(shí)時(shí)的捕捉，用以支持海上平臺(tái)發(fā)電機(jī)組預(yù)知性的維修。檢修思路由“抽著看”向“準(zhǔn)判斷”進(jìn)行轉(zhuǎn)變，減少發(fā)電機(jī)組發(fā)生突發(fā)性事故造成的經(jīng)濟(jì)損失。技術(shù)介紹發(fā) 電 機(jī) 定 子 局 放 與 轉(zhuǎn) 子 匝 間短路在線監(jiān)測系統(tǒng)由耦合器、磁 通 探 頭、 專 用 信 號 電 纜、 主機(jī)、上位機(jī)和分析軟件 IAM(IrisApplication Manager) 組成。如圖 2 所示：通過局放上位機(jī)系統(tǒng)預(yù)留的通訊接口，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的連接。其系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：可提供報(bào)警繼電器信號和發(fā)電機(jī)的健康趨勢；通過趨勢局放圖不僅能幫助發(fā)現(xiàn)問題，而且能評價(jià)發(fā)電機(jī)的維修效果；產(chǎn)品通過了 IEEE 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，具有高度的安全可靠性；EMC 已有50,000 多只安裝在世界各地的電機(jī)上，迄今無一例發(fā)生問題。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，可通過測量導(dǎo)體中的電流脈沖來監(jiān)測。
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。根據(jù)公式計(jì)算，局部放電脈沖的頻率大約在50~250 兆赫之間。局部放電發(fā)生的原因是由于高壓絕緣內(nèi)部或附近的氣隙的擊穿（3kV/mm）電壓要比完好的絕緣 （300kV/mm）低很多，因此局部放電是繞組絕緣故障的先兆，電壓越高，放電強(qiáng)度越大；空隙越大，放電幅度越高。通過檢測局放，即可判斷定子絕緣好壞。局放耦合器實(shí)質(zhì)上是 80 皮法的環(huán)氧云母電容器，簡稱 EMC，是 IRIS 局放監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)。可直接連接到高壓母線出口端，因此稱為母線耦合器。80 皮法電容器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)高頻濾波器，極易高頻信號通過，特別易于 40兆赫以上的局放信號通過。由 于 轉(zhuǎn) 子 在 機(jī) 組 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) 是高速旋轉(zhuǎn)，因此采用通過安裝在定子鐵芯上的磁通探頭來測量氣隙中的磁通密度的方式，根據(jù)輸出電壓判斷轉(zhuǎn)子絕緣。磁通探頭的輸出電壓值和槽內(nèi)的有效匝數(shù)有關(guān)，輸出電壓值低，說明轉(zhuǎn)子單槽內(nèi)的有效匝數(shù)減少，表示有匝 間 短 路 發(fā) 生。 傳 感 器 為 TF-Probe 全磁通探頭，這種新型探頭由許多層印刷電路板組成，印刷電路板的材料是柔性的。這種柔性探頭按照在定子齒部上安裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。
安裝好的探頭截面高度很低，足以適用氣隙很小的電動(dòng)機(jī)。探頭尺寸為（L×W×H）25.4mm×13.46mm×3.26mm，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽芯時(shí)安裝，安裝完成后不會(huì)對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行造成任何影響。IRIS 公司現(xiàn)有上千臺(tái)發(fā)電機(jī)的60,000 個(gè)測試結(jié)果可供比較，IRIS 公司每年都發(fā)布不同機(jī)型的Qm 統(tǒng)計(jì)值，統(tǒng)計(jì)成下圖數(shù)據(jù)庫。將檢測到的局放 Qm 值與下表進(jìn)行對比，如果某臺(tái)發(fā)電機(jī) Qm 值超過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中 90% 的這一檔，說明該發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣已經(jīng)在惡化。將歷次局放 Qm 值進(jìn)行對比，如果局放參數(shù)較低且發(fā)展平穩(wěn)，則繞組絕緣良好；如果局放參數(shù)值小于 25% 的增長，則繞組絕緣穩(wěn)定；如果局放參數(shù)每隔 6~12個(gè)月呈現(xiàn)成倍增長，則繞組絕緣正在加速惡化。應(yīng)用情況2017 年 7 月 24 日，對某油田透平 A 機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。數(shù)據(jù)顯示轉(zhuǎn)子與定子絕緣都處于良好的水平。轉(zhuǎn)子絕緣測試。本次測試過程中，發(fā)電機(jī) 4 個(gè)磁極的磁通密度 幅 值 都 在 98%~115% 的 可 接受范圍內(nèi)，每個(gè)磁極的磁通量是對應(yīng)相等的，差異不明顯，說明沒有磁極內(nèi)部發(fā)生線圈匝間短路。通過軟件分析，不同負(fù)載下多次測量，測量結(jié)果一致，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)象。定子局放測試。
本次測試過程中，機(jī)組的局放峰值 QM 在小于 10 的 范 圍， 通 過 與 IRIS 全球統(tǒng)計(jì)的百萬臺(tái)發(fā)電機(jī)組局放數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對：局放等級處于最良好狀況一類。在局放測試統(tǒng)計(jì)表中，通過在不同時(shí)間段和不同帶載下的數(shù)據(jù)測試分析，局放幅值 QM 基 本 一 致， 差 異 不 大，外部因素對發(fā)電機(jī)局放的影響基本可以忽略，說明機(jī)組絕緣狀態(tài)非常好。2017 年 7 月 27 日，對某油田透平 B 機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子絕緣數(shù)據(jù)稍有異常，存在不明顯的短路故障點(diǎn)。此種狀況下短期內(nèi)機(jī)組的性能并不受影響，但需繼續(xù)保持對該發(fā)電機(jī)的密切關(guān)注。轉(zhuǎn)子絕緣測試。本次測試在不同的負(fù)載下共采集數(shù)據(jù) 72 組，其中，異常數(shù)據(jù) 22 組，主要集中在磁極 1、磁極 3，異常數(shù)據(jù)說明磁極 1、磁極 3 的磁通密度不平衡，但異常數(shù)據(jù)并不連續(xù)，并非典型匝間短路的現(xiàn)象。造成這種情況的原因可能是磁極 1、磁極 3 中存在不明顯短路故障點(diǎn)。此種狀況下短期內(nèi)機(jī)組的性能并不受影響，但需繼續(xù)保持對該發(fā)電機(jī)的密切關(guān)注。定子局放測試。本次測試過程中，機(jī)組的局放峰值 QM 在小于 10 的范圍，通過與 IRIS 全球統(tǒng)計(jì)的百萬臺(tái)發(fā)電機(jī)組局放數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對：局放等級處于最良好狀況一類 。在局放測試統(tǒng)計(jì)表中，通過在不同時(shí)間段和不同帶載下的數(shù)據(jù)測試分析，局放幅值 QM 基本一致，差異不大，外部因素對發(fā)電機(jī)局放的影響基本可以忽略，說明機(jī)組絕緣狀態(tài)非常好。
技術(shù)推廣價(jià)值發(fā)電機(jī)定子繞組及轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，有效的彌補(bǔ)了機(jī)組定子 / 轉(zhuǎn)子繞組的絕緣問題監(jiān)控方面的缺口，為尋找發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障或異常震動(dòng)、溫度、聲音的原因提供了可靠依據(jù)通過檢測數(shù)據(jù)。探頭及耦合器的安裝伴隨著抽芯的機(jī)組同步進(jìn)行，探頭及耦合器安裝完畢的單元每年進(jìn)行一次離線監(jiān)測，對于參數(shù)異常的機(jī)組加密測試，出具監(jiān)測報(bào)告，形成趨勢，預(yù)防性指導(dǎo)后續(xù)。通過最小投入實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)定子絕緣、轉(zhuǎn)子絕緣的持續(xù)性在線監(jiān)測與分析，預(yù)判發(fā)電機(jī)故障、指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)維保養(yǎng)、補(bǔ)充維修驗(yàn)收的手段等，同時(shí)也是電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。為推動(dòng)從“計(jì)劃維修”到“預(yù)知性維修”的轉(zhuǎn)變，打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從“計(jì)劃維修”到“預(yù)知維修”。發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)時(shí)或定時(shí)在線監(jiān)測、診斷潛伏性故障或缺陷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣相關(guān)故障問題，為設(shè)備的“預(yù)知維修”提供了可靠的依據(jù)。從“定期檢測”到“實(shí)時(shí)檢測”。
以往對發(fā)電機(jī)進(jìn)行絕緣檢測是在大修后通過對發(fā)電機(jī)進(jìn)行局部預(yù)防性試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目和所需設(shè)備繁多，花費(fèi)工時(shí)較長。而且當(dāng)發(fā)電機(jī)的某一元件絕緣有缺陷時(shí)，此種試驗(yàn)往往無法反映真實(shí)的情況。發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，使發(fā)電機(jī)在正常帶載情況下，即可持續(xù)性的獲取絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且不影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)分析難度降低。以往對發(fā)電機(jī)進(jìn)行的定期試驗(yàn)后，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要極為專業(yè)的人員花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行分析。發(fā)電機(jī)絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)，非專業(yè)人員經(jīng)過短至半天的培訓(xùn)即可根據(jù)這些數(shù)據(jù)客觀的進(jìn)行發(fā)電機(jī)絕緣狀況分析。施工簡易，工期短，所需人力少。在發(fā)電機(jī)實(shí)施抽芯清洗工作的間隙安裝轉(zhuǎn)子磁通探頭，在發(fā)電機(jī)倒機(jī)后安裝定子局放耦合器，安裝施工一般 1~2 天，所需施工人員 2~3 人，無需額外的停產(chǎn)時(shí)間?？煽磕陀?。用于監(jiān)測局放信號的電容耦合器和轉(zhuǎn)子磁通探頭經(jīng)過了非常嚴(yán)格的測試，檢驗(yàn)證書已經(jīng)表明這些耦合器和傳感器絕對不會(huì)對電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生任何影響。
微信公眾號
微信視頻號
京公網(wǎng)安備11010502053156號