CN102121962A - 一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，包括由绝缘材料制作的外形类似支柱绝缘子状的环氧外壳，该外壳的圆周上设置有环氧树脂伞群，所述环氧外壳一端设置有圆形的金属电极和外接引线，另一端设置有金属底座；所述外壳内设置有陶瓷电容芯体，该陶瓷电容芯体带有上下两个铜电极，所述上铜电极与外壳内嵌的上电极通过导电金属杆连接，所述外壳内嵌的上电极的另一端与所述圆形的金属电极固定连接，所述陶瓷电容芯体的下铜电极连接有金属带，该金属带的另一端连接在环氧外壳下部中间设置的引线螺栓上。本发明安装在发电机高压端用于局部放电监测，能够长期运行在高压环境下对电机定子绕组绝缘状况进行在线监测。

Description

一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器

技术领域

本发明属于大型电力设备绝缘状态在线监测技术，涉及一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器。

背景技术

大型发电机的定子绕组绝缘状况对发电机的安全稳定运行至关重要，有资料表明目前定子绕组绝缘故障仍是大型发电机的主要故障之一，而定子绕组绝缘的损坏则大多数是由于局部放电造成的。因此在电机运行条件下，进行局部放电在线监测，对于及早发现绝缘劣化征兆、制定停机计划检修、防止重大事故发生等具有重要意义。

发电机定子局部放电在线监测根据局部放电所产生的声、光、电等现象，相应地开发出多种的测量方式。其中电脉冲法监测局部放电的灵敏度大大高于其它的监测方法，因此越来越受到人们的关注，局部放电的监测也主要采用电脉冲信号法。国外具有代表性的局部放电电测类在线监测方法包括以下六种：

1.发电机中性点耦合法和射频监测法：1980年美国Westinghouse公司将射频电流传感器(Radio Frequency Current Transformer，RFCT)装设在发电机中性点接地线上，用于监测大型汽轮发电机定子绕组断股所产生的电弧，开发了商用的发电机射频监测，RFCT的频率范围大致为0.1kHz～10MHz。

2.发电机定子槽微带天线槽耦合器法：加拿大开发了定子槽耦合器(StatorSlot Coupler，SSC)。SSC是一种用来检测部放电信号的微带型天线。安装在槽楔下面。这种耦合器具有很宽的频率响应，典型下限截止频率为10MHz，上限截止频率为1GHz。但这种传感器必须在发电机生产时就安装上去。

3.高压端的电容耦合法：最早在70年代M.Kurts采用在发电机三相绕组的高压引线端各搭接一个375pF、25kV的电容器，作为耦合信号之用，早期PDA所采用的电容耦合器的电容值在375pF～1000pF之间变化，后来发现利用80pF耦合器时，能够消弱40MHz以下的干扰，从而信噪比较高。

4.发电机中性点电流传感器与高压侧方向传感器相结合的检测方法：这类仪器所采用的方法是一方面利用高频电流传感器从发电机中性点接地线检测局部放电脉冲电流信号，另一方面在发电机高压母线附近装设方向传感器以检测从变压器方向沿母线传来的干扰脉冲。滤波器的下限10kHz、20kHz、50kHz和100kHz之间可调，上限在1MHz、2MHz、5MHz和10MHz之间可调。

5.测温元件引线射频监测方法：该方法将埋置在定子槽里的电阻式测温元件(RTD)的引线作为天线，通过RFCT耦合RTD上的局部放电脉冲信号，其干扰方法仍然是利用局部放电脉冲和噪声脉冲的频域区别将两者区分开来。缺点类似SSC检测方法，离传感器较远的局部放电会被当作干扰排除掉，而且RTD本身的电源系统的干扰也会影响局部放电测量。

6.在发电机的外壳上安装射频天线的检测法：这种方法用安装在电机外壳或外部紧挨外壳空隙处的射频天线来检测严重的局部放电、火花放电和电弧放电等破坏性放电脉冲频率高于4MHz的电磁波信号。这种方法对发电机进行监测时报警阈值容易确定，但是测到的信号和放电量没有直接联系，难以标定，并且没有放电信号的时域波形，无法做进一步的识别和诊断。

国内在大型发电机定子局部放电在线监测方面的工作开始于80年代，也研制出了相应装置，一些装置己在几个电厂试验运行。国内现有的发电机局部放电在线监测系统中，大都采用在中性点引出线安装传感器(分为电压耦合和电流耦合两种方式)。在中性点不接地或经阻抗接地系统中，采用在中性点并联耦合电容采集放电信号；而在直接接地系统中，则采用两个高频电流互感器钳在接地线上采集放电信号。这种中性点监测法工作电压低(正常运行状态下仅为数V)，且安装调试方便，因此被许多已投运的监测系统采用。但是由于放电脉冲在到达中性点时高频分量已有严重的衰减，就使得系统的测量频带受到限制，频带的上限往往低于1MHz。许多系统频带为几十kHz到几百kHZ，这在很大程度上损失了真实的放电信息。在中性点的监测由于只安装一路传感器，使得抗干扰手段相对单一，仅仅利用阈值、滤波或进一步的软件处理很难分辨外来非周期脉冲型干扰。高压端出口处离放电源近，传输中信号损失少，但以往由于传统高压电容器体积大，不利于安装，以及基于在高电压下长期运行的安全性与稳定性考虑，很少被采用。

事实上中性点并不适合于局部放电的监测：对于高压电机来说，局部放电比较容易发生在靠近相出线端的区域，这样放电脉冲必须在整个定子绕组内有一个长距离的传输才可以到达中性点。因而对于电机绕组这样一个复杂的容性网络来说，最后得到的脉冲由于波形畸变、幅值衰减将严重失真。并且在中性点处由于三相放电信号混叠、其他高压设备放电信号混叠等原因使得测量结果的灵敏度和可靠性大大降低。

从发电机高压端出口处直接测量，信号传输损耗小，高频分量损失少，因此可以获得比较真实的放电信息，附表1很清楚的说明了这一点。

表1.定子绕组局部放电到各个监测点的通道传输特性

但以往由于高压端出口处传统高压电容器体积大，不利于安装，在高电压下长期运行的安全性与稳定性需要进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，在高电压下长期运行时具有较好的的安全性与稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，包括由绝缘材料制作的外形类似支柱绝缘子状的环氧外壳，该外壳的圆周上设置有环氧树脂伞群，所述环氧外壳一端设置有圆形的金属电极和外接引线，另一端设置有金属底座；所述外壳内设置有陶瓷电容芯体，该陶瓷电容芯体带有上下两个铜电极，所述上铜电极与外壳内嵌的上电极通过导电金属杆连接，所述外壳内嵌的上电极的另一端与所述圆形的金属电极固定连接，所述陶瓷电容芯体的下铜电极连接有金属带，该金属带的另一端连接在环氧外壳下部中间设置的引线螺栓上。

作为本发明的优选实施例，所述陶瓷电容芯体由预先通过耐电压测试及局部放电测试的两片瓷体焊接组成；

作为本发明的优选实施例，所述圆形的金属电极一端中心有螺杆，所述圆形的金属电极通过螺杆固定在外壳内嵌的上电极上；

作为本发明的优选实施例，所述金属底座内部安装有取样阻抗，该取样阻抗的一端通过金属带与引线螺栓连接，另一端通过金属带安装在底座上的同轴线座上；

作为本发明的优选实施例，所述陶瓷电容芯体为钛酸锶铅铋高性能瓷料；

作为本发明的优选实施例，所述陶瓷电容芯体瓷料的组分及质量百分含量为：Sr：30～55％，Ti：20～48％，Pb：10～20％，Bi：10～20％；

作为本发明的优选实施例，所述瓷料内掺杂有0.1～1％的CeO₂；

作为本发明的优选实施例，所述瓷料内掺杂有0.1～2％的MgTiO₃；

作为本发明的优选实施例，所述导电金属杆的直径为Ф4；

作为本发明的优选实施例，所述圆形的金属电极的两面均为内凹的圆饼形结构，外缘也为圆形结构。

本发明发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器至少具有以下优点：本发明传感器安装在发电机高压端用于局部放电监测，其中，电容的取值范围是20pF～2000pF，耐电强度为90kV或更高，能够长期运行在高压环境下对电机定子绕组绝缘状况进行在线监测；另外，由于本发明在线监测用陶瓷电容传感器的安装位置靠近高压端，因此，可以采集到失真最小的局部放电信号并且具有较高的灵敏度。本发明利用在发电机一相的母线上安装一对这种传感器可以实现鉴别脉冲时延的抗干扰方法，从而可以区分出传感器获得的信号是来自于发电机内部的放电还是来自于外界电力系统的干扰。

附图说明

图1是本发明发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器的侧面剖视图；

图2是本发明发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器的安装位置及系统框架图；

图3是传感器单元测量回路的装置图；

图4是校正脉冲时域图和频域图，其中a)时域图，b)频域图；

图5是100pF电容传感器响应波形图，其中a)时域波形，b)频域波形。

图中标号与元件对应关系如下：

1	外接引线	2	金属电极	3	外壳内嵌的上电极
						4	金属杆	5	陶瓷电容芯体	6	金属带

7	环氧树脂伞群	8	引线螺栓	9	取样阻抗
						10	同轴线座	11	金属底座

具体实施方式

下面结合附图对本发明发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器进行详细描述：

请参阅图1所示，本发明发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器包括由绝缘材料制作的外形类似支柱绝缘子状的环氧外壳，该外壳的圆周上设置有环氧树脂伞群7，所述环氧外壳一端设置有圆形的金属电极2和外接引线1，另一端设置有金属底座11。

所述外壳内设置有陶瓷电容芯体5，该陶瓷电容芯体5由预先通过耐电压测试及局部放电测试的两片瓷体焊接组成，陶瓷电容芯体5带有上下两个铜电极，该上下铜电极都有一个M4的螺孔便于连接。所述上铜电极与外壳内嵌的上电极3通过导电金属杆4连接，所述外壳内嵌的上电极3的另一端与圆形的金属电极2固定连接，所述圆形的金属电极2一端中心有螺杆，如此，圆形的金属电极2通过螺杆固定在外壳内嵌的上电极3上，而另一端通过外接引线1与发电机出口母线相连；所述陶瓷电容芯体5的下铜电极连接有金属带6，该金属带6的另一端连接在环氧外壳下部中间设置的引线螺栓8上。

所述金属底座11与环氧外壳通过丝扣固定在一起，且金属底座11内部安装有取样阻抗9，该取样阻抗9的一端通过金属带6与引线螺栓8连接，另一端通过金属带6安装在底座11上的同轴线座10上，以便取出所耦合的信号，此外，金属底座11下沿开设有孔，用于安装固定螺丝。

所述陶瓷电容芯体5为钛酸锶铅铋(Sr_1-xPb_xTiO₃·mBi₂O₃·nTiO₂)高性能瓷料，其中Sr：30～55％，Ti：20～48％，Pb：10～20％，Bi：10～20％，如此，本发明陶瓷电容芯体5具有致密的微晶显微结构，具有高的绝缘强度，低的电介质损耗。此外，在配料中添加0.1～1％的稀土化合物CeO₂进行改性，控制了配料中Bi₂O₃的挥发，改善了晶界特性，使耐电强度大大提高。在瓷料中加入0.1～2％含量的MgTiO₃，产生移峰和展开效应，使陶瓷电容器电容温度特性得到很大改善。

在本发明中，所述陶瓷电容芯体5的电容值大小取决于测量系统的频带，一般选择范围为20pF～2000pF，选取合适的电容值使得整个测量系统具有最佳的响应。本发明陶瓷电容芯体5的介电常数高达数千，使得电容器的体积可以做得很小，而整体的结构紧凑有利于高频信号的传输。

为了获得致密且均匀的瓷质，要求瓷料具有足够的细度。为此，本发明采用超细粉碎设备处理原材料，优化瓷料粉碎工艺，严格控制瓷料粒度及分布，使瓷料粒度由平均3微米细化至1微米以下，以获得陶瓷细晶结构，提高陶瓷电容瓷芯的耐电强度。

本发明通过改善陶瓷瓷芯成型坯料中粘合剂聚乙烯醇(PVA)的均匀性，通过筛分控制坯料粒径和实行粒级配合，控制坯料中粘合剂和水分的含量及成型压力和改进加压方式，消除了层裂缺陷。

在瓷芯烧成工艺方面，通过降低烧制初期排胶阶段的升温速率等工艺手段，消除了层裂和变形缺陷，减小了气孔尺寸及数量。

为提高陶瓷传感器耐电强度，本发明电容瓷芯由预先通过耐电压测试及局部放电测试的两片瓷体焊接组成，这样，可以克服单一瓷片过厚造成陶瓷坯体成型困难。通过控制瓷体倒角量和改进电极结构，即由0.3mm左右的留边量改为全电极印刷银电极，提高了电极边缘起始放电电压。采取上述措施后，本发明传感器瓷芯局部放电性能和合格率大幅度提高。

本发明采取调整配方，即提高填料含量100份到150～220份(即环氧树脂∶填料的重量比为100∶(150～220))对环氧树脂包封料增韧，加入促进剂和改进固化工艺制度等措施，使环氧树脂、陶瓷电容芯体5和其上下铜电极的膨胀系数匹配，克服了传感器冷热循环中开裂和局部放电性能下降的弊病。其环氧包封料能耐受-40℃～+85℃10次冷热循环而不开裂。

经过上述改进措施制作的传感器电容芯体基本满足甚高频局部放电检测的要求。

成型的电容陶瓷芯体有上下两个铜电极，上下铜电极都有一个M4的螺孔，导电金属杆4可以同时旋进电容芯体5上铜电极和壳体内嵌上电极3的螺孔M4中，导电金属杆4由原先的Ф10的金属杆换为Ф4的，变细的金属杆可以过滤工作时发电机母线的振动，防止电容器本体损坏。下铜电极与环氧外壳下部中间设置的引线螺栓8通过导电金属带6连接。这样整个环氧树脂壳体的高压端和低压端就和电容芯子5的上下两极牢固的连接起来，结构紧凑、连线简短有利于减少线路的杂散参数。

为了增加放电距离，以便在空气中使用，提高陶瓷电容器的防潮防污能力以及提高电容器耐电强度，需对电容器进行环氧树脂包封。对环氧树脂的配方和工艺进行了研究后，本发明选用机电性能和耐潮性优良的酸酐固化环氧树脂体系。把烧制好的陶瓷电容和相应的螺孔连接好放在事先做好的模具浇灌环氧树脂就得到了类似图1所示的传感器外形。从图中可以看出这种外形类似支柱绝缘子，具有环氧树脂伞群，以增加绝缘距离减少整个传感器的体积。

所述壳体内嵌的上电极3上除了与电容芯体连接所用的M4的螺孔外，还设置一个M12的铜螺孔，配合相应的带螺杆的圆形的金属电极2，能够把圆形的金属电极2固定在壳体上，考虑到传感器高压端在运行电压下不能有局部放电，圆形的金属电极2为两面都内凹的圆饼形结构，外缘也为圆形结构。圆形的金属电极2另一端的外接引线1可与发电机出口母线牢固连接，从而使得传感器和发电机母线连在一起。外接引线1具有橡胶绝缘层，能够耐受发电机的母线电压，并保证高压端的清洁。

金属底座11与环氧外壳通过丝扣固定在一起，金属底座11内部安装有取样阻抗9，该取样阻抗9的一端与引线螺栓8连接，另一端安装在底座11上的同轴线座10上，金属底座11下沿开设有孔，用于固定整个传感器的螺丝安装。

确保外接引线1与发电机母线固定良好，用射频同轴线从金属底座11上的同轴线座10取信号，待后续测量电路的正常工作后，就可以利用这种传感器进行电机内部局部放电的监测。请参阅图2所示，传感方法的原理是这样的：局部放电本质上是在有限的时间内一个短距离上的电子和离子流，每当局部放电发生时就表现为一定电量的流动，这个总的电流的大小决定于放电时有多少皮库电荷的传输。电流在电机绝缘介质的阻抗上表现为一个电压脉冲，所以可以用本发明的陶瓷电容传感器耦合这样的电压脉冲以表征电机内部局部放电的多少。在工频电压下，耦合电容表现为较高的阻抗(0.9095×10⁷Ω～0.2894×10⁸Ω)远远大于取样阻抗(200Ω～2kΩ)的值，几乎承受了全部的工频高压，起到了保护取样阻抗和后续电路的作用；而在甚高频范围内(5MHz～100MHz)耦合电容则表现为一个很低的阻抗(＜144.7Ω)，和取样阻抗相当或小于取样阻抗，从而可以从取样阻抗上甚高频的局部放电信号。取样阻抗后面一般并联一个保护器，它的作用是在出现较大的浪涌电流以及传感器发生严重性故障时保证后面测量回路(放大器、示波器等)的安全。传感器上取得的信号经过多路转换装置进入信号调理单元进行放大或缩小，再应用高速数据采集卡采集信号显示在计算机上进行信号分析处理。

由于检测的局部放电频率分量比较高，使得一种基于脉冲时延的抗干扰方法可以在现场使用，请参照图2所示，在靠近电机一相高压端的位置和有一定距离的母线上的另一位置分别安装两个同样规格的这种传感器C1和C2，对于来自发电机内部的信号和来自外部电力系统的信号就在C1和C2上有不同的到达时间。为了便于观察可以调整射频同轴电缆的长度，使得从外部电力系统来的信号经两个传感器上到达采集单元的时间相同，而来自电机内部的放电信号经两个传感器的到达时间就有很大的差别，借助这种方法就可以有效的抑制外来干扰。

本发明的效果：

电容量：10.5kV，50Hz下，(20～2000)pF±(2～200)pF

电容传感器耐压：通过交流1分钟90kV耐压

起始放电电压：＞55kV

绝缘电阻：20℃，1kV(DC)下＞10¹⁴MΩ

介质损耗：20℃，10.5kV(AC)下＜0.1％

电容温度特性：-25℃～80℃温度范围内，电容量变化＜30％

电容交流电压特性：电机电压等级10.5kV时，电压变化土20％，电容变化为＜1％。

湿闪试验：传感器表面充分凝露后，立即施加工频电压直至传感器表面发生闪络，闪络电压平均值为70.5kV。

实验中利用HAEFELY公司的局部放电检测仪，以IEC60270的常规实验方法同时进行测量，测试回路参见图3。

1)、对传感器单元的校正：

不加电压，利用TeKtronix的任意波形发生器向电容传感器输入一个1.5V、上升时间2.3ns的校正脉冲，图4为校正脉冲的时域波形和频谱图。

2)、用电晕放电源取代脉冲发生器，通过试验变压器施加高压，当达到4.1kV时，由局部放电监测仪TE571观察到有电晕出现。实验室利用上述取样单元得到的电晕放电信号如图5所示。

由频率响应图可以看出，100pF电容传感器的响应频率主要在40MHz，130MHz以及220MHz，属于甚高频范围，由此验证了此传感器系统可以进行甚高频的局部放电测量。

所述粘合剂的用量对局部放电起始电压及击穿场强唱的影响如下表1所示：

表1粘合剂用量对局部放电起始电压及击穿场强唱的影响

粘合剂含量(％)	0.7	1.1	1.5
				起始放电电压(kV)	35.4	45.1	28.7
击穿场强(kV/mm)	4.67	5.12	4.8

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：包括由绝缘材料制作的外形类似支柱绝缘子状的环氧外壳，该外壳的圆周上设置有环氧树脂伞群(7)，所述环氧外壳一端设置有圆形的金属电极(2)和外接引线(1)，另一端设置有金属底座(11)；所述外壳内设置有陶瓷电容芯体(5)，该陶瓷电容芯体(5)带有上下两个铜电极，所述上铜电极与外壳内嵌的上电极(3)通过导电金属杆(4)连接，所述外壳内嵌的上电极(3)的另一端与所述圆形的金属电极(2)固定连接，所述陶瓷电容芯体(5)的下铜电极连接有金属带(6)，该金属带(6)的另一端连接在环氧外壳下部中间设置的引线螺栓(8)上。

2.如权利要求1所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述陶瓷电容芯体(5)由预先通过耐电压测试及局部放电测试的两片瓷体焊接组成。

3.如权利要求1所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述圆形的金属电极(2)一端中心有螺杆，所述圆形的金属电极(2)通过螺杆固定在外壳内嵌的上电极(3)上。

4.如权利要求1或2所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述金属底座(11)内部安装有取样阻抗(9)，该取样阻抗(9)的一端通过金属带(6)与引线螺栓(8)连接，另一端通过金属带(6)安装在底座(11)上的同轴线座(10)上。

5.如权利要求1或2所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述陶瓷电容芯体(5)为钛酸锶铅铋高性能瓷料。

6.如权利要求5所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述陶瓷电容芯体瓷料的组分及质量百分含量为：Sr：30-55％，Ti：20～48％，Pb：10～20％，Bi：10～20％。

7.如权利要求6所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述瓷料内掺杂有0.1～1％的CeO₂。

8.如权利要求6或7所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述瓷料内掺杂有0.1～2％的MgTiO₃。

9.如权利要求1所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述导电金属杆(4)的直径为Ф4。

10.如权利要求1所述的发电机局部放电在线监测高压陶瓷电容传感器，其特征在于：所述圆形的金属电极(2)的两面均为内凹的圆饼形结构，外缘也为圆形结构。

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