Измерение частичных разрядов в генераторах с водородным охлаждением

Турбинный генератор на ядерных, угольных, нефтяных и некоторых газовых электростанциях обычно нормируется несколькими сотнями мегаватт. Как правило, такие установки имеют водородное охлаждение (свыше 500 МВ или около того, имеют охлаждение как водное, так и водородное). Водородное охлаждение имеет много достоинств, но одна из самых важных черт — это подавление частичных разрядов газообразным водородом под высоким давлением. Функциональное тестирование частичных разрядов широко используется для определения состояния изоляции в воздушно-охлаждаемых электрообмотках, но были некоторые разногласия в эффективности онлайн тестирования частичных разрядов для определения проблем изоляции в установках, охлаждаемых водородом. В настоящем документе представлена статистическая сводка онлайн тестирования частичных разрядов, произведенного на более чем 1000 турбинных генераторах, охлаждаемых водородом, а также некоторые конкретные тематические исследования. Кажется очевидным, что онлайн тестирование частичных разрядов способно обнаружить такие проблемы, как ослабленная обмотка в пазе статора в виду сильного, частично проводящего загрязнения. Однако, не было обнаружено ничего помимо этого. При том же уровне износа, уровень частичных разрядов оказывается ниже в установках, охлаждаемых водородом, нежели в установках с воздушным охлаждением.

Введение

Функциональные испытания частичных разрядов сейчас применяются на более, чем 13 000 вращающихся машинах с воздушным охлаждением, которые нормируются 3,3 кВ и выше в качестве средства для определения, когда система изоляции обмотки статора станет ухудшаться и подвергнется риску выхода из строя. Контролируя частичные разряды в воздушно-охлаждаемых установках, владельцы заводов могут определять приоритеты обслуживания и предпринимать действия по ремонту или замене обмотки прежде, чем возникнет аварийная ситуация. Несмотря на то, что было обнаружено, что функциональное тестирование частичных разрядов полезно для контроля состояния изоляции обмоток статора на установках с воздушным охлаждением, все еще есть некоторые сомнения относительно его эффективности для турбинных генераторов с водородным охлаждением.
Эти сомнения по поводу эффективности онлайн тестирования частичных разрядом могут объясняться двумя причинами. Большинство турбинных генераторов с водородным охлаждением (которые в 1950-х годах, как правило, были турбинными генераторами мощностью более 100 МВА, а теперь более, чем 500 МВА) используют водород при высоком давлении (обычно 200-400 кПа или около 29-58 фунтов на квадратный дюйм), поскольку газ высокого давления намного эффективнее при охлаждении обмотки ротора, чем атмосферный водород. Как известно из закона Пашена, когда давление газа увеличивается, электрическое напряжение пробоя газа возрастает. Таким образом, машины с водородным охлаждением высокого давления имеют тенденцию испытывать меньше частичных разрядов при прочих равных условиях. Кроме того, в отличие от машин с воздушным охлаждением, где частичные разряды создают коррозионные газы (озон и азотную кислоту), частичные разряды в водороде не создают коррозионный газ, который может ускорить износ изоляции и металлической структуры генераторов.
Данный документ предоставляет примеры частичных разрядов в водородно-охлаждаемых генераторах, чтобы показать, что частичные разряды все-таки возникают и могут быть значительными.

Методы обнаружения частичных разрядов

Функциональное тестирование частичных разрядов было измерено в более, чем 1000 установках, охлаждаемых водородом. Частичные разряды были обнаружены одним из двух способов. В первом методе использовались датчики частичных разрядов емкостью 80 пФ, подключенные к клеммам установки, работающей в частотном диапазоне ОВЧ. Использовались два датчика на фазу, чтобы помочь отличить электрические помехи от силовой системы с использованием время-импульсного метода. Измерения проводились с помощью ультра высокочастотных датчиков частичных разрядов антенного типа, установленные в пазе статора (антенный датчик или датчик SSC). Этот метод позволяет отделить нарушение энергетической системы от искрообразования на клеммах машины по форме обнаруженных импульсов.
Данные частичных разрядов записывались с помощью инструмента, называемого TGA-SB, который отделяет частичные разряды от помех и отображает схемы частичных разрядов с фазовым разрешением.

Появляются ли частичные разряды в водородно-охлаждаемых статорных обмотках?

Кроме очень низкого давления, с повышением давления газа увеличивается электрическое напряжение пробоя. Напряжение пробоя при 100 кПа (то есть 0 кПа изб.) водорода близко к напряжению воздуха около 3 кВ/ мм. При 300 кПа (200 кПа изб.) напряжение электрического пробоя составляет около 7 кВ/мм. Следовательно, обмотка статора при высоком давлении водорода, вероятно, будет проявлять меньше импульсов частичных разрядов в секунду. Однако, до тех пор, пока напряжение в пустотах достигает порогового напряжения пробоя, могут возникнуть частичные разряды. Рис. 1 и 2 показывают классические фазовые диаграммы частичных разрядов, полученные из двух генераторов с водородным охлаждением. Так как схемы на рис. 1 и 2 это почти что примеры учебников для моделей частичных разрядов, ясно, что частичные разряды появляются в машинах с водородным охлаждением.

Рис 1. Графики частичных разрядов с фазовым разрешением для трех фаз с использованием емкостных датчиков емкостью 80 пФ на генераторе, работающем при 18 кВ, 117 МВт и 200 кПа изб. Горизонтальная шкала - это фазовый угол промышленной частоты.

Вертикальная шкала - это величина частичных разрядов в мВ. Цвет точек представляет собой частоту повторения импульсов частичных разрядов. 

Рис 2. Частичные разряды с использованием антенных датчиков от генератора, работающего при 24 кВ, 467 МВт и 410 кПа изб. Данные фаз A, B и C (сверху вниз) сдвигаются по фазе, чтобы выявить любые межфазные частичные разряды в лобовой части обмотки.

В автономных испытаниях, когда статор испытывают на воздухе при атмосферном давлении, величины частичных разрядов в пустотах внутри заземленных и земной поверхностей или дефекты на поверхности также, по-видимому, имеют гораздо более высокие величины, чем при проверке обмотки в водороде высокого давления. Причины такого уменьшения величины не ясны (по крайней мере, для авторов), так как в принципе требуется увеличение напряжения, чтобы вызвать пробой в газовой пустоте высокого давления и, таким образом, увеличить энергию, хранящуюся в пустоте до разрушения, увеличивая величину частичных разрядов. На рис.3 показано, что величина частичных разрядов при нормальном обслуживании зависит от давления водорода. В частности, увеличение давления водорода уменьшает величину частичных разрядов. Эти результаты подтверждают данные, полученные при автономном тестировании.
Хотя кажется очевидным, что частичные разряды на поверхности стержней статорных обмоток будут зависеть от величины давления водорода, мы не были уверены, что давление внутри любых пустот внутри корпусной изоляции будет зависеть от давления водорода внутри генератора. Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели эксперимент более 20 лет назад, который косвенно указал, что давление внутри пустоты почти мгновенно выравнивается с давлением за пределами корпусной изоляции.
Это приписывалось ламинированной природе корпусной изоляции, высокой проницаемости микаленты и тому, что механизм транспортировки газообразного водорода был эффузией, а не диффузией. Таким образом, кажется, что давление газа внутри корпусных пустот практически совпадает с давлением водорода внутри генератора.

Рис 3. Влияние давления водорода на пиковое значение частичных разрядов в рабочем генераторе турбины с водородным охлаждением мощностью 60 МВА, 13,8 кВ.

Статистическая сводка

Мы собрали данные о частичных разрядах из более чем 1000 генераторов с водородным охлаждением. Около 60% этих данных были получены с помощью емкостных датчиков емкостью 80 пФ. Данные примерно с 400 установок были получены с использованием антенных датчиков. На рисунке 4 показана зависимость напряжения и давления газа генераторов для каждого типа датчиков. Как и ожидалось, по мере увеличения номинального напряжения (и обычно номинальной мощности) наблюдается увеличение номинального давления водорода генератора.

Рис 4. Процентное соотношение генераторов в базе данных в произвольных диапазонах напряжения и давления водорода для обоих типов датчиков частичных разрядов.

Более 400 000 результатов испытаний, как с воздушным, так и с водородным охлаждением были собраны в одну крупную базу данных и статистически проанализированы. В таблицах I и II показана кумулятивная вероятность пиковой величины частичных разрядов Qm (как определено в IEEE 1434 и IEC 60034-27-2) для генераторов с водородным охлаждением. Например, в таблице I, где частичныеразряды измерялись с помощью емкостных датчиков 80 пФ, для установок, работающих на 16-18 кВ и работающих между давлением водорода 214-345 кПа изб., 25% установок имеют Qm <24 мВ, 50% установок имеют Qm <43 мВ, 75% установок имеют Qm <85 мВ и т. д. Хотя есть аномалии, вообще говоря, для обмоток в одной и той же группе напряжений, величина пика частичного разряда ниже по мере увеличения давления.
Для обмоток, работающих в одном и том же диапазоне давлений, обмотки, работающие при более высоких напряжениях, обычно испытывают более сильный частичный разряд. Данные, как правило, менее надежны при комбинациях низкого номинального напряжения и высокого давления; или высокого напряжения и низкого давления, так как установок с такими комбинациями относительно мало.
Исторически сложилось так, что если Qm на конкретной установке выше, чем у 90% подобных установок, существует очень высокая вероятность того, что стержни статорных обмоток будут вибрировать в пазах.
Данные Qm в таблице II показывают, что 25-50% установок с водородным охлаждением не имеют зарегистрированных частичных разрядов при измерении с помощью УВЧ-датчика, который менее подвержен помехам. Это подтвердило бы предположение, что водород высокого давления подавляет частичные разряды. Опыт измерения частичных разрядов в установках с воздушным охлаждением показывает, что все статоры с номинальным напряжением более 6 кВ имеют регистрируемые частичные разряды. Уровни нулевого Qm не возникают с емкостными датчиками частичных разрядов в таблице I, так как некоторое остаточное возмущение всегда присутствует.

Примеры

Несколько работ были опубликованы по частичным разрядам в установках с водородным охлаждением пользователями либо с 80 пФ-датчиками, либо с УВЧ-антеннами. Макдермид (McDermid) показал, что существует значительное влияние нагрузки на активность частичных разрядов в синхронных машинах с водородным охлаждением 17 кВ, 160 МВАр. Qm колебался от 600 мВ при малой нагрузке (3 МВАр) до 1200 мВ при 140 МВАр при давлении водорода 200 кПа изб. Визуальное исследование обмотки показало, что большая часть клиньев была рыхлой, некоторые из них переместились из паза и было повреждение пазового проводящего покрытия.
Yeboah описывает, как комплексные измерения частичных разрядов с использованием емкостных датчиков 80 пФ позволили избегать ремонта установки с водородным охлаждением 187 МВА, 22 кВ в течение 9 лет. Qm по существу не зависел от других факторов в течение времени, а Qm составлял менее 50 мВ при 230 кПа изб. Однако в 2003 году Qm увеличилось на одну фазу до 400 мВ, и в это время было принято решение заменить обмотку статора.
На рис. 5 показаны комплексные данные частичных разрядов от генератора турбины 18 кВ, работающем при 207 кПа изб. На фазе А Qm составляет +258 мВ. Считается, что активность находится на умеренном уровне в соответствии с таблицей I. Когда генератор был удален из эксплуатации, было ясно, что стержни статора перемещаются в пазах поскольку имеются следы смазки (рис.6), а также зазоры в других элементах конструкции.

Рис. 5: Частичные разряды с фазовым разрешением на генераторе 150 МВА, работающем при 18 кВ и 207 кПа изб. Датчики частичных разрядов емкостью 80 пФ.

Рис 6. Фотография турбинного генератора с водородным охлаждением мощностью 150 МВАДанные, связанные с частичными разрядами показаны на рисунке № 5

Какие причины отказов могут быть определены при функциональном тестировании частичных разрядов?

В установках, охлаждаемых воздухом, функциональный мониторинг частичных разрядов может обнаруживать множество проблем, таких как: зазоры, отслоение корпусной изоляции из-за термического старения, ухудшение покрытий, загрязнения концевых соединений и др. механизмы износа. Однако, по нашему опыту, большинство этих проблем вряд ли произойдет в машинах с водородным охлаждением под высоким давлением. Наиболее распространенной проблемой, которую мы обнаружили в таких генераторах, является появление зазоров в пазах статора. В нескольких случаях функциональный мониторинг частичных разрядов помог обнаружить разрушение изоляции концевой заделки обмоток.

Выводы

Частичные разряды действительно происходят в обмотках статора генератора с водородным охлаждением. Эти ЧР обнаружены с использованием емкостных датчиков емкостью 80 пФ на внешних фидерах машины и индуктивных УВЧ датчиков с антеннами, установленными в пазах статора. Данные о частичных разрядах, собранные на более чем 1000 установках, коррелируют с данными визуального осмотра обмоток статора, что позволяет приблизительно установить предельные уровни частичных разрядов, при которых целесообразно более детальное обследование агрегата. В установках с водородным охлаждением частичные разряды наиболее чувствительны к зазорам в пазах под статорные стержни.

Таблица 1. Кумулятивная вероятность появления Qm (в мВ) в зависимости от давления и номинального напряжения для частичных разрядов, измеряемых емкостными датчиками в 80 пФ, присоединенными к клеммам установки.
Такие данные наиболее подвержены помехам

Таблица 2. Кумулятивная вероятность появления Qm (в мВ) против давления и номинального напряжения для частичных разрядов, измеряемых УВЧ датчиками с антеннами, установленными в пазы статора.