（电力电子与电力传动专业论文）发电机局部放电在线监测系统的研究与开发.pdf

s t u d ya n dd e v e l o p m e n to fg e n e r a t o ro n - l i n ep a r t i a ld i s c h a r g e m o n i t o r i n gs y s t e m x u y ey i n ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw e n z h o n gm a a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi st h ei n d i s p e n s a b l e a p p r o a c hf o rt r a n s i t i o nf r o mt h et r a d i t i o n a lt i m e - b a s e dm a i n t e n a n c em e t h o d o l o g yt o a c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c es t r a t e g y g e n e r a t o ri sap i v o t a le q u i p m e n to fe l e c t r i cs y s t e m ， a n di t ss t a t o rw i n d i n g ，w h i c hi sa l w a y se x p o s e dt oh e a t , e l e c t r i c ，a m b i e n t ，m e c h a n i c a ls t r e s s d u r i n go p e r a t i o n ，i sar e l a t i v e l yf i a g i l ep a r t n o w a d a y s ，m e a s u r e m e n to fp a r t i a ld i s c h a r g ei s w o r l d w i d er e c o g n i z e da sa ne f f e c t i v em e t h o dt om o n i t o rt h ei n s u l a t i o nc o n d i t i o no fs t a t o r w i n d i n g ，a n dr e l a t e dt e c h n o l o g yh a sf l o u r i s h e di np a s td e c a d e s i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i z i n gm e t h o do fp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i s b r i e f l yi n t r o d u c e d ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dc l a s s i f i c a t i o no fp dm o n i t o r i n gt e c h n i q u e si s i l l u s t r a t e da n da no n l i n ep a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb ss t m c t u r ei s d e s c r i b e d t h ew a v e f o r ma n da m p l i t u d es p e c t r u mo fr a wp ds i g n a la n di t st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s i nc a b l e ，s t a t o rb a ra n dt h ew h o l ew i n d i n gi ss t u d i e d ，a n ds e q u e n t i a l l yt h em o n i t o r i n g f r e q u e n c yb a n di nw h i c ht h ew h o l ew i n d i n gc a nb em o n i t o r e da n dc o r r e s p o n d i n gs e n s o ra r e s e l e c t e d t h eh a r d w a r ep a r tb a s e do nu n i f i e dd a t aa c q u i s i t i o n & m o n i t o r i n gp l a t f o r mi ss t u d i e d i nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gs i g n a lc o n d i t i o n i n g & a c q u i s i t i o n m p u tp r o t e c t i o na n dt r i g g e rs i g n a l g e n e r a t i n gc i r c u i t s t h es o f t ；w a r ef l o wa r i da l g o r i t h mo fd a t ap r o c e s si ss t u d i e d ，w i t hq u a s i i n t e g r a t i o na s e m p h a s i s t h ei n f l u e n c eo fi n t e g r a t i o np a r a m e t e r so np u l s er e s o l u t i o na n dc a l c u l a t i o no f a p p a r e n tc h a r g ei ss t u d i e dv i as i m u l a t i o n s ；f i n a l l yt h es u i t e dp a r a m e t e r sa r es e l e c t e df o r g e n e r a t o rp dm o n i t o r i n ga n di m p l e m e n t e di nf p g a t h eb u i l da n dm e c h a n i s mo fp dt e s ts p e c i m e n , t h ep dp a t t e r nc a p t u r e db ys y s t e m d e s c r i b e di nt h i sp a p e ri ss t u d i e da n dt h ei n f l u e n c e so np a t t e r no fi n t e g r a t i o np a r a m e t e r sa t e s t u d i e da sw e l l k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，o n - l i n em o n i t o r i n g ，q u a s i i n t e g r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 型堡牡 日期：伊i 年6月； 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：颦丝! 娶 指导教师签名：二主；盐 日期：调7 勺年月3 日 日期：7 m ，年舌月3 日 第1 章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第1 章绪论 长期以来，发电设备都是执行“计划维修”，即定期维修的方案，这种方式缺乏针 对性，容易造成设备的“过度维修”，而且每次停机带来的损失和检修的成本非常高。 随着人们对设备故障的了解以及传感器、电子信息、计算机等相关技术的发展，各种状 态监测装置被研究和应用，这就为“计划维修 向“状态维修”提供了条件【1 4 1 。 设备的状态监测和诊断是实施状态维修、预知维修的重要基础，而状态维修必须基 于状态监测设备的有效性、可靠性和实用性。由于电力设备潜伏性故障初期征兆信号微 弱，发展较慢，生产运行环境中又存在各种电磁干扰，可变因素和影响因素太多等原因 增加了状态监测以及对监测结果的解读的复杂性，目前状态监测技术还在探索中前进。 大型发电机是整个电力系统中的关键设备，而其定子线棒的绝缘故障是一类主要故 障，定子绕组的绝缘状况也直接决定着发电机运行的可靠性，即在很大程度上影响着电 力系统的稳定性。发电机绝缘系统在运行时长期承受热、电、环境及机械应力影响，使 得绝缘内部出现气隙、裂纹、分层等绝缘缺陷，在局部强电场的作用下，局部放电就会 产生，这是高电压绝缘系统中普遍存在的问题【2 】。反过来，局部放电发生时伴随着的一 系列物理和化学变化又加速了绝缘的劣化，如此形成恶性循环，进一步破坏绝缘系统， 如果任由其发展，最终将引起发电机定子绝缘失效，从而影响电力系统的安全稳定运行。 同时，随着现代高压电气设备的容量和电压等级的提高，这一问题愈加严重【9 】。 多年来世界范围内的研究表明，通过局部放电来监测发电机定子绕组绝缘状况是一 种有效的手段【2 】。局部放电监测的统计特征值、图谱均与发电机绝缘系统的状况和故障 类型有紧密联系。因此，在线监测发电机局部放电特性，判断放电模式，对故障类型进 行诊断，有助于大型发电机从目前的预防性维修阶段逐步向预知性维修阶段过渡，从而 对提高电力系统的经济效益具备着重要的现实意义。但同时，由于监测手段以及应用技 术的多样化，不同监测设备所获取的监测结果难以较好地融合，甚至相互抵触。因此， 通过局部放电的监测来评估发电机的定子绝缘状况仍是一门处于发展中的基础理论与 应用技术紧密结合的前沿学科【2 】。对绝缘故障放电进行深入的研究，制定出有效的检测 及诊断标准，从而提出预防事故的措施，是电力设备制造及运行的迫切要求。 中国i 油大学( 牛东) 颤 位论 i 2 国内外研究现状和发展趋势 人们对局部放电的认识最早可以追溯到1 7 7 7 年，l i c h t e n b e r g 在g o t t i n g e l 皇家社团 会议上发表了他的试验结果，他利用伏特设计的捡测仪在尘埃表面看到了如图1 i 所示 的奇妙的星形和圆彤的轮廓，这些尘埃轮廓就是绝缘体表面的放电通道。 隔 图1 - 1 正极( 左) 和负极( 右) 表面放电产生的尘埃特征 f i g l - 1d u s t f i g u r e sp r o d u c e db ys u r f a e e d i s c h a r g e s u n d e r p o s i t i v e r l l l i n dn e g a t i v eo r ) p o l a r i t y 早在在几十年前，许多发达国家就已经把局部放电的检测作为测试和判断发电机定 子绕组绝缘状况的一种手段。通过钡惶发电机中的局部放电，以判定是否存在若槽楔松 动，端部线棒污染，绝缘脱层和防晕层破坏等绝缘问题，从而指导检修。但在当时，常 用的方法是在机组停机时做( 离线的) 局部放电试验，这样做有一些局限 卅：需要停 机较长的时间，并需要购置昂贵的无局部放电的大容量变压器或高压电源。同时，当 笈电机处于停机状态时，很多类型的局部放电不再出现。例如由于定子绕组受到的电 磁力不再存在，槽楔松动和被破坏的弹性纹波板的振动引起的局部放电和槽部的电容性 放电就不容易重现。 此外，由于发电机内部的电场分布没有被准确的模拟，机组正常 运行时出现的端部放电在离线试验也不一定重现。许多离线试验，例如交直流耐压试 验，本身对发电机绝缘系统的寿命就是一种损伤。因此对发电机来说，通过局部放电的 在线监测爿能比较有效全面地发现绝缘系统中的缺陷，以采取相应的措施，预防事故的 发生，同时，也可以减少停机，避免机组的“过度维修”和维修可能给发电机带来的故 障。 绝缘系统中发生局部放电时，会伴随着一些物理、化学表现形式，包括：电脉冲( 以 及相应的电磁辐射) ，声脉冲，热，光，以及一些化学反应生成新的化学物质等”q 。相 应的，监测局部放电水平，即绝缘系统的状况，也可以利用不同传感器和监测设备对这 些物理、化学变化进行监测，从而在故障初期及时发现问题并采取措施。目前主要有三 类监测手段：一类是基于绝缘劣化的化学变化，绝缘热劣化的过程中会产生各种各样的 第1 章绪论 化学物质，这些物质的浓度和成分就可以反映绝缘系统的状况，但这种方法主要偏重于 监测绝缘系统整体的综合状况，对局部的绝缘故障反映并不很灵敏。还有一类是基于声 脉冲，光，热等的分析方法，但由于此类反应绝缘状况并不是很直接，且由于现场存在 各种干扰等因素，主要应用为一些辅助手段 1 4 】。另一类是基于电信号的分析方法，绝缘 介质逐渐劣化时，承受电场作用的能力逐步降低，在运行过程中电机内部将发生越来越 严重的局部放电现象，而这又加剧了绝缘介质的劣化过程，因此电信号可以准确、直接、 灵敏地反映绝缘系统的状况，将这些放电信号通过不同的方式从发电机的强电磁场中引 出来，监测其强度，相位，密度等特征可以有效地判断绝缘故障发生的位置和严重程度。 因此通过监测电信号是发电机绝缘诊断技术的最直接i 最重要手段之一。基于电信号的 局部放电的各种在线监测手段是经过长期积累逐渐发展起来的。 ( 一) 中性点耦合监测法 在上世纪5 0 年代，美国w e s t i n g h o u s e 公司的j o h n s o n 研制出了一种可用于发电机 局部放电在线监测的槽放电探测器( s l o td i s c h a r g ed e t e c t o r ) 。它是将放电信号通过位于 发电机绕组中性点的耦合电容由谐振检测电路引出，或从中性点接地电阻直接引出，再 通过一个带通滤波器送入示波器，在示波器上观察信号的时域波形，利用这种新方法可 以检测出一些发电机线槽内的绕组松动现象【l5 1 。大型发电机中性点一般均通过接地电 阻、接地变压器或接地电抗器等来限制中性点接地电流，由于中性点的对地电位很低， 发电机内部的任何电弧放电都会在中性点接地线内产生相应的电流，因而局部放电系统 的监测点选择在中性点接地线上是有一定合理性的。 中 图1 - 2 槽放电探测器 f i g l - 2 s l o td i s c h a r g ed e t e c t o r ( 二) 电容耦合监测法 在上世纪7 0 年代，加拿大o n t a r i oh y d r o 公司研制了一种局部放电在线监测装置， 是将三个电容( 每个3 7 5 p f ，2 5 k v ) 分别搭接在发电机三相出线上。通过电容检测到放电 信号后，将信号通过一个带通滤波器引入示波器，根据放电信号的时域波形判别故障。 此种方法是中性点耦合监测法的一种变形，由于发电机高压出线端接近大多数局部放电 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 发生的位置，因此灵敏度较高，这种便携式电容耦合测试法目前仍是o n t a r i oh y d r o 公 司进行发电机绝缘监测和诊断的主要方法【1 5 】。在早期，用于局部放电信号监测的电容传 感器容量一般都在3 7 5 p f 到1 0 0 0 p f 范围内。在1 9 7 6 年，8 0 p v 的电容作为传感器首次 被采用，研究发现采用8 0 p v 的电容传感器，其等效电路的下限截止频率在4 0 m h z 左右， 而干扰信号分量一般都远远小于该频率，因此采用8 0 p v 的电容传感器，信号的信噪比 较高，但同时由于其将很大部分的局部放电信号能量也舍弃，容易导致信息的漏读。因 此近年来，大容量电容传感器获得了研究的兴趣【1 5 】。大容量的电容比起小容量电容在局 部放电信号检测方面灵敏度更高，信号的带宽也更宽。但同时耦合的噪声信号能量也会 增加，因此采用大电容传感器需要配合先进的抗干扰处理算法作基础。 ( 三) 射频监测法 上世纪7 0 年代末8 0 年代初，e m e r y 和t i m p e r l y 等人对槽放电探测器进行改进， 提出了射频监测法( r a d i of r e q u e n c ym o n i t o r i n g ) 。该类方法实际上是利用罗柯夫斯基 ( r o k o w s k i ) 线圈或高频电流互感器，从发电机定子绕组的中性线上耦合高频放电脉冲， 并通过射频监测仪监测局部放电信号【l4 1 。 射频监测仪的工作原理类似于射频干扰场强仪，中心频率和频带宽度可调。当局部 放电发生时，其放电电流信号通过中性点接地线流向接地点，被高频电流互感器或罗柯 夫斯基( r o k o w s k i ) 线圈耦合到后，射频监测仪就可以监测到局部放电信号的强弱。1 9 8 0 年w e s t i n gh o u s e 公司开发了一套商用的射频监测仪，其中心频率为1 m h z ，带宽为 5 k h z ，并且带有报警电路。 此种方法，传感器安装在低压点上，对发电机组的影响少，同时所有的局部放电信 号都会流向中性线，所以可以监测到发电机整个绕组内的局部放电；但是灵敏度比较低， 局部放电信号从其发生位置传播到中性线时已经有了很大的衰减和变形，特别是射频部 分，因此信号处理的难度较大。 图1 - 3 射频检测法 f i g l - 3r a d i of r e q u e n c ym o n i t o r i n g ( 四) p d a 监测法 p d a ( p a r t i a ld i s c h a r g ea n a l y z e r ) 监测法也是由加拿大o n t a i oh y d r o 公司于上世纪 4 第l 章绪论 7 0 年代提出的，主要用于在线监测水轮发电机内的局部放电。它主要是利用发电机内 部的放电信号和外部来的噪声信号在绕组中传播路径不同来抑制噪声。通常，水轮发电 机定子每相绕组为双支路( 或耦数支数) 并联结构，在每支路绕组( 水轮发电机端部的环形 母线上) 对称位置安装两个耦合电容器，将两耦合电容器的输出信号经相同长度引线至 差分输入放大器。对于外部传来的噪声信号，到达两个电容耦合器的路径长度相等，因 此两个耦合电容得到的响应基本相同，因而p d a 的差分放大器输出应当接近为零2 7 1 。 对于发生在发电机内部某绕组附近的放电信号，由于传播至两个电容耦合器的路径不 同，到达两个耦台电容器的时间不同，且有幅值的差异，因此差分放大器的输出有响应， 这样就区分了外部噪声和发电机内部的局部放电信号，但这种方法仅限于滤除发电机外 部的噪声。 一 l q 叭 一- l 图1 - 4p d a 监测法 f i g l - 4 p d a m o n i t o r i n g ( 五) 定子槽耦合器( s s c ) 监测法 加拿大o n t a i oh y d r o 公司和i r i s 公司在上世纪9 0 年代，发明了定子槽耦合器( s s c ) 监测法，并将其应用于汽轮发电机局部放电信号的在线监测。这种方法是在定子绕组的 槽楔下面安装一种定子槽耦合器( s s c ) ，s s c 实际上是一个具有分布参数的宽频带 ( 1 0 m h z 1 g h z ) 耦合天线，利用它可以耦合到放电脉冲，然后通过信号脉冲宽度来区分 放电信号和干扰【2 7 】。 但是，最近的大量研究表明，定子槽耦合器也只对发生在比较靠近传感器安装位置 的局部放电有刻9 】【1 7 】，一些研究表明发生在离s s c 传感器3 0 c m 处的局部放电，被检测 到的幅值已经衰减了5 0 【1 5 】。而由于局部放电发生的位置决不仅仅局限于s s c 传感器 安装位置的附近，而由于发电机定子绕组长达上百米，且定子槽比较多，而在发电机内 部多处安装定子槽耦合器的成本比较高，在一定程度上限制了此法的应用。 5 中国油太学( 牛东) 碗学位论文 髭乓舞黼 鍪端盒一 ( a ) s s c 的构造( b ) 基十s s c 测系统 图1 - 5s s c 传感器及相应的监测系统 f i g l - 5s s c s e n s o r a n dc o r r e s p o n d i n g m o n i t o r i n gs y s t e m ( 六) 基于埋置在定子槽内的电阻式测温元件导线的监测法 近年来，kl t o h 等人又提出将埋置在定子槽内的电阻式测温元件( r t d ) 导线作为 传感器测量局部放电脉冲，这种方法比较类似上述定子槽耦合监测法。测温元件可以耦 台到定子绕组内的射频放电信号，然后在发电机外部将射频电流互感器与r t d 引线连 接起来就可以将局部放电信号引入监测系统“】。这种方式不需要再单独安装传感器，但 是由于r t d 导线本身的灵敏度较低，没有固定和理想的安装位置，且容易将发电机内 部大量的噪声引入测量系统，导致后续的去噪工作比较复杂，钡4 量的效果并不是很好。 图l 撕应用r t d 的局部放电在线监测系统 f i g l - 6m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do i l r t d 国内在局部放电在线监测方面的研究起步相对国外较晚，与国外相比差距较大发 展也较为缓慢。尤其是由于局部放电机理比较复杂，绝缘老化理论目前仍不完善，为这 方面的研究带来了很大的困难。国内最早出现的监测仪器是9 0 年代初上海工业大学和 上海科技大学聪合研制的射频监测仪，其原理和性能参数类似于8 0 年代美国 w c s t i n 曲o u s e 公司的产品这套装置选择性好抗干扰性强，但由于通带较窄系统灵 敏度较低【1 9 。但是，近几年随着各大院校及科研机构加大了对局部放电在线监测产品的 研究力度，也开发出了一些先进的监测系统。清华大学研制的d j y c 一1 型电机绝缘放电 在线监测系统可采用高频电流互感器和固定电容耦合器接地端串联电阻作为检测阻抗 第1 章绪论 来检测放电信号。该系统采用低速采样和高速采样相结合的方法，低速采集数据用来统 计局部放电的相位等模式，高速采集放电信号时域波形的特征，可进行幅频分析【26 ，取 得了一定的效果。武汉高压研究所研制的j d y 型发电机故障放电监测仪从中性点耦合 电容器引出局部放电信号，接入窄带选频放大器【2 6 1 。西安交通大学研制的b y g i i 发电 机局部放电在线监测系统利用类似于p d a 法的时延鉴别算法区分发电机内部局部放电 信号和外部噪声，基于信号的高速采样，在放电类型的自动识别方面作了一定的尝试。 其它高校例如上海交大、西南交大、重庆大学等也研发了自己的监测系统。国内的这些 监测系统采用d s p 、自适应滤波、小波分析、神经网络等先进的算法和技术，均取得了 不错的效果。 目前的发电机局部放电在线监测系统通常根据系统带宽可划分为宽带和窄带系统， 窄带局部放电监测系统类似于选频器，通常只有数十k h z 以内的带宽，通过中心频率 的选定，选取系统监测的频段，此类系统抗干扰能力很强，但在现场选取合适的中心频 率比较困难，而且由于系统带宽过窄可能导致信号部分能量和频率成分的丢失，获得信 息量相对较少，且不同中心频率的设定获得的结果可比性较差，因此不容易获得满意的 测量结果【2 6 1 。而宽带系统监测的频率段较为宽泛，获取的频率成分较为全面，胄皂量丢失 少，信息量相对丰富，而且在不同机组上的测量结果具有可比性。同时，随着信号处理 和分析技术的日益发展，有效抑制干扰手段的应用，宽带局部放电监测系统逐渐形成了 稳定的测试回路和标准，发展了较为全面的故障诊断理论，有较为良好的发展前景。此 外，由于局部放电信号的频带很宽，目前不同局部放电监测系统所选取的监测频段从数 十k h z 到数百m h z 不等，监测频带也是区分局部放电监测系统的重要参数。由于大部 分噪声信号的频率并不是很高，在较高频带监测可以较容易地获得较高的测量信噪比， 因此随着电子技术和信号处理技术的发展，监测频带的选取有向高频化发展的趋势，但 是由于发电机传输回路复杂，信号高频能量部分传输损耗较大，一味地高频化也有同样 可能导致局部放电信号能量的遗漏，造成漏判，因此局部放电信号的监测需要选取合理 的频带【1 5 】。 1 3 研究的内容和主要工作 本课题的研究目标是构建一套能够对发电机整个定子绕组的绝缘劣化状况在线监 测的系统，实现其数据采集与监测单元。 本课题的主要研究内容有以下几个方面： 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 理解发电机局部放电脉冲的特性、类型，深入研究局部放电脉冲的传输特性， 特别是在发电机绕组中的传输特性； 2 选取系统传感器类型和参数以及监测点； 3 基于数据采集与监测平台，实现局部放电信号采集单元，以模块化的思路构建 信号调理、采集、检测的硬件电路部分； 4 研究局部放电监测系统的软件算法、参数和流程，重点理解和研究软件处理的 核心一拟积分算法，通过仿真的方式研究各拟积分参数对积分效果的影响，并 选取适合本系统的拟积分参数，最终在f p g a 中实现； 5 研究典型的故障放电模型及其放电机理，利用系统采集故障放电信号，分析系 统捕获的典型故障图谱的正确性。 8 第2 章局部放电的机理和表征 第2 章局部放电的机理和表征 2 1局部放电的分类和机理 局部放电按照发生在发电机中的位置，可以分为内部放电、槽部放电、端部放电和 电弧放电。 2 1 1 内部放电 内部放电发生在发电机定子绕组主绝缘层内部、绝缘材料与防晕层间或绝缘材料与 线棒导体间的空隙、气泡里。大型电机定子绕组的主绝缘通常采用环氧树脂浸溃来固化、 胶粘云母带的结构。但是在制造的过程中，如果浸溃的不够充分，就会留存小的气泡和 空隙。绝缘材料在长期的运行过程中，由于受到热、电、环境和机械应力的作用，也会 产生气泡i 裂纹等缺陷。又因为绝缘材料的介电常数比空气大得多，因此，气泡内部的 电场强度远大于绝缘材料的电场强度，且空气的击穿场强较低，因此气泡会很容易被击 穿，从而形成内部放电。 内部放电有三种具体的表现形式：有陡峭的上升沿的火花放电；无脉冲表现的辉光 放电；以及介于火花放电和辉光放电之间的亚辉光放电。当气泡位于绝缘体内部时，这 三种放电形式通常同时存在。 内部放电产生的化学物质，热量，带电粒子等会进一步破坏绝缘材料，使气泡增大 并产生新的气泡，从而降低绝缘材料的有效厚度，降低击穿电压，最终可能导致绝缘系 统被击穿。 2 1 2 槽部放电 槽部放电通常发生在发电机定子槽内的两处位置，一是线棒主绝缘表面与槽壁或槽 底间的空隙里，另一处是接近铁芯通风道处的绕组。发电机在运行时，由于定子铁芯的 振动，会引起固定线棒的部件的松动和防晕层的破坏，从而导致线棒表面和定子槽壁不 能良好接触，其间存在空隙，此空隙内就容易发生击穿，而槽壁与线棒之间面积较大， 使得放电的等效电容较大( c = 兰) ，因此槽放电属于高能量电容型放电，其产生的高 尼刀口 速粒子，对绝缘材料产生轰击作用，生成的化学物质，可引起主绝缘材料、表面防晕层 和槽楔等的腐蚀。此外，由于通风道口为尖锐的边缘，此处电场分布极为不均匀，附近 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的空气容易被电离而发生局部放电。实际运行的经验表明，槽放电引起的电腐蚀作用， 对发电机绝缘的损坏非常迅速。 2 1 3 端部放电 发电机端部绕组区域发生的故障放电种类很多，是绝缘事故的多发区域。线棒端部 并头套连接处的绝缘结构通常采用绑扎式固定，由手工包绕而成，在运行中容易产生脱 层；在振动和热应力的作用下，除并头套外的其他部分的绝缘中也容易开裂、损坏；假 如线棒冷却水系统漏水，会进一步降低此区域的绝缘强度。另外在绕组端部区域，不同 相间线棒位置近，若发电机冷却气湿度较大，相间击穿电压降低，相间放电就比较容易 产生。相间起固定作用的材料，也容易被导电油污污染，引起滑闪放电、击穿、闪络等 相间放电。 发电机绕组端部容易留存异物，在运行时随着振动会磨损绝缘材料，特别是当异物 为金属时，会产生强烈的悬浮电位放电，严重地破坏绝缘材料。 线棒出槽口处轴向场强非常强，通常采用分段涂刷半导体防晕层的方式减缓电压梯 度。但当发电机运行时端部绕组的振动引起防晕层磨损，会导致端部电晕和沿面放电， 特别是当机内湿度大时，甚至有可能引起滑闪放电。 2 1 4 电弧放电 准确地讲，根据局部放电的定义，电弧放电不属于局部放电的范畴，但它通常可以 通过检测局部放电的方式来监测。绕组端部并头套连接处的导体是焊接在一起的，并且 需要牢靠地固定。如果导体焊接或固定不可靠，而发电机端部绕组采用绑扎固定的结构， 在运行的过程中振动较大，容易发生断裂，特别是当其固有频率落到其振动频率( 二倍 工频频率) 附近时，导体容易发生疲劳断裂；此外，导线在运行中存在严重的冷却系统 故障时，导线也容易由于过热断裂。当股线发生断裂后，断口两端的导体由于振动若即 若离，形成火花放电，并由于通断电流而不断地熄弧燃弧，而在断口处形成电弧放电。 这种放电产生的热量足以使烧毁股间绝缘、烧毁对地主绝缘，并融毁导体，引起相间短 路和多处接地故障。 2 2 局部放电的表征 2 2 1 表征参量 1 】 ( 1 ) 视在放电量q 1 0 第2 章局部放电的机理和表征 视在放电量是表征局部放电最基本的参量。其定义为【l 】：在试品两端注入一定电荷 量，使试品两端电压的变化量和局部放电发生时两端电压变化量相同，此时注入的电荷 量即称为局部放电的视在放电量，以皮库( p c ) 为单位表示。 注：实际上，视在放电量与局部放电发生处的放电量并不相等，后者不能直接测得。 ( 2 ) 相位识 破= 3 6 0 ( t f 乃 ( 2 - 1 ) 其中，友是指外加交流电压正向过零点与局部放电脉冲之间的时间差；t 是外加电 压的周期；相位的单位是度( 。) 。 ( 3 ) 脉冲重复率n 在测量时间内每秒内出现放电次数的平均值，单位为( 次s ) 。实际上受到测试系 统灵敏度和分辨能力的限制，测量所得的放电次数只能是视在放电量大于一定值，且相 邻两次放电间隔时间一定长时的放电脉冲数。 2 2 2 统计图谱 最初的识别局部放电的发生的位置、故障种类和严重程度时是基于局部放电脉冲的 时域波形和频谱分析的，而且至今为止时域和频域分析仍是人们分析放电脉冲的常用的 手段。随着人们对局部放电的深入认识，发现局部放电在一定程度上的随机性，于是发 明了基于统计的方法，而且逐步建立了不同故障类型与特征统计图谱的联系，并将其有 效地应用于故障诊断。常用的局部放电统计图谱有p r p d 图谱，三维矽一q 一，z 图谱，二 维- q - n 图谱。 ( 1 ) p r p d 图谱( 基于相位的局部放电统计图谱) 放电发生的相位是局部放电的最主要特征之一，因此基于相位统计的p r p d - - p h a s e r e s q l v e dp a r t i a ld i s c h a r g e 图谱，是一种在局部放电统计和诊断中最常用的图谱，它直观、 明显地反映故障放电脉冲的相位、视在放电量、脉冲重复率三者之间的关系。如图2 1 示例，横坐标表示放电的相位，纵坐标表示视在放电量，颜色表示脉冲重复率，在图谱 上用点表示在统计周期内，对应相位上，对应视在放电量的放电发生的脉冲重复率，根 据图谱的形状可以分辨故障放电的类型，根据幅值和颜色可以判断故障的严重程度。 中国i 油大学( 牛采) 颤士学位论文 ( 2 ) 三维dqn 图谱 国2 - 1p r p d 图谱示例 f i 9 2 - 1 p r p dp l o t 一 ： ： ： ： | i ： 三维一q h 图谱同p r p d 图谱很类似，也给出局部放电相位、视在放电量、脉冲 重复率三者之间的关系，以提供诊断和分析必要的信息，只是将p r p d 图谱中用颜色表 示的脉冲重复率用另一维坐标表示，并连成曲面。如图2 2 所示，在三维d q h 图谱 中竖坐标表示脉冲重复率，平面横坐标表示相位，纵坐标表示视在放电量。 图2 - 2 三维d q n 图谱示倒 f i 9 2 03 d 一q 一 p l o t ( 3 ) 二维一g m 图谱 二维一q n 图谱通常是将局部放电相位、视在放电量、脉冲重复率三者两两组合 为= 个二维罔谱，在图谱中利用曲线来描述二维量间的关系。如图2 3 所示，其中q n 图谱中，两条曲线分g 十为正向放电与负向放电的q 一一关系曲线 ，鲞 _。薷i 第2 章月部放电机理目表征 2 23 特征值 图2 - 3 二维gn 图谱示倒 f i 9 2 - 3 2 dd q 一“p l o t 局部放电水平的机理比较复杂，相关的因素也比较多，因此需要丰富的特征值从不 同的侧面反映局部放电水平。常用的特征值有： ( 1 ) 平均放电电流i 平均放电电流是指在单位时间内所有的单个放电脉冲的视在放电量绝对值之和。平 均放电电流的单位通常用c s 或a 表示。 = 勰引) f 2 2 1 ( 2 ) 放电功率p 放电功率是指在单位时问内，试品两端由于局部放电而被注入的平均功率。 ，寺缸u r 2 - 3 1 式中，q 是指当局部放电吼发生时，试品两端所加电压的瞬时值。这些值的单位也 必须考虑。放电功率的单位通常用w 表示。 ( 3 ) 二次放电密度d 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 二次放电密度是指单位时间内所有的单个放电脉冲的视在放电量的平方和。 d = 亭( 9 2 ，) 上 i = 1 二次放电密度的单位通常用c 2 s 表示。 ( 2 _ 4 ) ( 4 ) 准最大放电量q 在每秒内出现1 0 次及以上的最大的视在放电量。 最大放电量的单位通常用c 表示。 ( 5 ) 标准化放电次数n q n 标准化放电次数是一个标准化的量，它将放电幅值平均分为n 个档位，统计每个 档位内放电次数( 只) 的总和，同时将放电幅值的影响也计入，它的数学表达式为： n q n = 蒜) 薹- 1 ( 1 0 9 , o # ) ( 2 5 ) 其中，f s 为系统量程，g 为系统增益。 ( 6 ) 起始放电电压阢( v ) 将施加在试品两端的电压逐渐上升，直至可测量到局部放电时，此时外加电压的有 效值为起始放电电压。 ( 7 ) 放电熄灭电压以( v ) 将施加在试品两端的电压从规定的试验电压开始下降，直至观察不到局部放电信号 时，此时外加电压的有效值为放电熄灭电压。 1 4 第3 章系统总体框架及技术路线 第3 章系统总体框架及技术路线 3 1 系统的b s ( 浏览站服务器) 框架 基于b i s 模式构建的本局部放电在线监测系统，有着强大的数据处理、存储、分析、 显示、共享以及远传功能，可实现不同的人，在不同的位置，以不同的方式访问和操作 共同的数据库，为远程数据管理和诊断提供了极大的便利。 3 1 1b i s ( 浏览站服务器) 结构 b s 结构( b r o w s e r s e r v e r 结构) 即浏览器和服务器结构。它是随着i n t e r n e t 技术的 兴起，对c s 结构的一种变化和改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过w w w 浏览器来实现，极少部分事务逻辑在客户端( b r o w s e r ) 实现，主要事务逻辑是在服务 器端( s e r v e r ) 实现，这样就大大减轻了客户端的负荷，降低了系统维护与升级的成本 和工作量，提高了系统可靠性。 如图3 1 所示为三层b s 模式的结构示意图。第一层为客户端表示层，即w e b 浏 览器( w e bb r o w s e r ) 。w e b 浏览器通过静态和动态h t m l 图形页面，显示用户界面， 传递w e b 服务端的运行结果，并接收用户的操作。第二层为功能层，即w e b 服务器( w e b s e r v e r ) 。主要是负责接收客户端的数据查询请求，把数据请求发送给数据库以获取相 关数据，再把结果数据转化成h t m l 及各种脚本返回到客户的浏览器上。第三层为数 据库服务器层，即后端数据源，由通用的数据库管理系统软件构成，数据库服务器负责 管理数据库，处理数据更新及完成查询要求，运行存储过程。数据库服务器和w e b 服 务器在逻辑上是相互独立的，实际应用时可运行在一台或多台计算机上。 1 5 中目石 学( 华东) 预l 学论文 教库月务器w e b * $ 敲据库量务层 动耄e 表i 基 社i 览# 涮览器 图3 - 1 三层w s 模式的结构示意图 f i 9 3 - 2 b r o w s e r s e r v e r $ t l - u c t i l r e 3 12 系统的总体框架 基于b s 模式的局部放电在线监测系统是构建在i n t e r n e t 广域网( w a n ) 技术之上的 应用系统，图3 - 3 所示为系统总体结构图，主要包括三个部分： 远程诊断专家 睡程用户 远程用户r 爨蟊要皇啦幽罂鹫墨蜘 、+ 丌 z 一： 耍啦：；蚕l _ j竖至竖 图3 - 3 系统总体结构图 f i 9 3 - 2s y s t e ms t 邝d 件 a ) 局部放电数据采集与监测单元对从传感器耦合的发电机局部放电信号进行信号 调理和采集，并进行一系列的处理，计算和分析后，将数据发送到中心服务器。 b ) 中心服务器由w e b 服务器和数据库服务器组成，它通过同局部放电数据采集与 冷 愿图骥 第3 章系统总体框架及技术路线 监测单元进行通讯获得实时监测数据，存储于数据库中，然后生成各种诊断图 谱，同时提供w e b 服务，供用户和专家进行实时监测和诊断分析。 c ) 远程用户和诊断专家通过i n t e m e t 从中心服务器获得实时和历史的监测数据，以 进行实时分析和趋势分析。同时，监测数据也可实时地发送至远程监测与诊断 中心，进行数据存储和发布，供上级用户统一管理和专家诊断分析。 3 1 3 局部放电数据采集与监测单元及其开发平台 如前文所述，局部放电数据采集与监测单元是局部放电在线监测系统的重要组成部 分之一，主要完成局部放电信号的调理和采集、数据的处理和分析。在本系统中，它是 基于如图3 4 所示的数据采集与监测平台开发的。 图3 4 数据采集与监测平台示意图 f i 9 3 - 3 d a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gp l a t f o r m 数据采集与监测平台的外形为1 9 英寸宽，各板卡均采用6 u 背插式结构。平台采 用模块化设计，可以根据不同的需求，开发具有不同功能的监测模块，将其与公共模块 组合，以构成具有不同监测功能的数据采集与监测单元，同时也可兼容多种监测模块构 成综合的数据采集与监测系统。 数据采集与监测平台的公共的模块有电源模块、c p u 模块以及母板，其中电压模 块自适应接收11 0 2 2 0 v ，5 0 6 0 h z 工频交流电，输出5 v ，1 2 v 的直流电压，为平 台内其它各板卡供电。c p u 模块包含一块p o w e r p c 主处理芯片及其最小系统，在其内 部移植嵌入式l i n u x 操作系统，c p u 模块是监测功能模块与服务器之间的桥梁，它通过 h 订p 协议实现与w e b 服务器通讯，完成获取配置信息，打包上传采集得到的数据等 功能；同时通过b l v d s 总线通讯管理各功能模块，完成下传设置信息、下达采集命令、 收集数据等功能。母板固定在机箱背部，在对应每个板卡的位置上有一个插槽与各板卡 连接，主要作用是连通各板卡，为各模块提供供电通路和b l v d s 通讯总线。各功能模 块包含主处理芯片f p g a ，其最小系统，信号调理及采集电路和其它附属电路，主要负 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 责接收c p u 模块的命令，实现不同功能的数据采集、分析、计算和处理功能，然后将 数据打包上传至c p u 和服务器。各功能模块与c p u 模块通讯采用主从模式，其中c p u 模块为主设备，即上位机，功能模块为从设备，即下位机，所有数据通讯都从主设备开 始通信，从设备响应主设备的请求。 3 2 系统的主要技术路线 3 2 1发电机内部局部放电脉冲的波形特点 局部放电是电力设备绝缘系统在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电。这种 放电以仅造成导体间的绝缘局部短路桥接而不形成导电通道为限。 局部放电发生在发电机内部的绕组附近，由于发电机内部很高的电场强度和局部放 电发生位置的随机性，以及由于局部放电脉冲的高频成分很丰富，经过短暂的传输之后， 局部放电脉冲的波形可能发生很大的变化，因此原始的局部放电脉冲很难被测量到。局 部放电信号的波形，取决于其发生位置处的固有特性：缺陷气隙的形状和大小以及空腔 的直径，空腔表面固体或液体材料的