（高电压与绝缘技术专业论文）电机定子局放信号极性判别的研究.pdf

中文摘要 近年来，通过测量局部放电( p d ) 信号对高压电气设备进行在线检测的技术 取得了很大的进步。局部放电在线检测系统中的放电类型的模式识别，能够及时 发现绝缘内部局部缺陷及放电发展程度，防止事故发生。因此，通过分析放电脉 冲特征评估电力设备的绝缘状况并正确识别出放电类型对于绝缘系统的诊断是 一项重要工作。在以往的研究中，大家习惯于应用传统的q q n 三维谱图( 即指 纹法，描述局部放电的重要特征量：相角q ，放电量q 和单位时间内的放电次数 n ) 对局放模型进行识别，在研究中也得到了比较好的识别效果。但是，在识别 中我们遇到了较多的实际困难。 首先，由于高压设备现场较为复杂，各种噪声对信号的干扰和湮没要求我们 具有较好的消噪方法。其次，i p q n 三维谱图包含的信息量大，要求较高的处理 设备配置和软件设置，在某些特定的现场和设备中，实现较为困难。同时，对特 定高压设备的局放模式，如发电机，变压器等可根据其特有的局放类型提取特征 最明显的信息，可以通过一些比较简单的特征参数对其进行识别。 本文针对发电机定子特有的局放类型，槽放电，端部放电，绝缘内部放电和 磨耗放电四种特定类型，构建相应的局放模型i u ；研究适用于高频率小电流信号 的r o g o w s k i 线圈，调试线圈的结构和参数；将消噪效果考虑在内，选取d m e y 小波提取实验模拟的电机局放信号的极性特征；通过比较不同局放类型的正负极 性信号的统计特征达到识别局放类型的目的；对相应的局放类型提出可行性的后 续操作建议。实验结果表明，该方法相较于传统的q q n 三维谱图在保留了其原 有的识别能力前提下，计算更为简便，更为直观有效。 关键词：局部放电小波包理论r o g o w s k i 线圈模式识别 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g r e a ti m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d ei n0 1 1 - l i n em o n i t o r i n go f h i g hv o l t a g e ( h a p p a r a t u sb yd e t e c t i o no fp a r t i a ld i s c h a r g e 伊d ) s i g n a l s i nt h i s m e t h o d ，i ti se s s e n t i a lt oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep dp u l s e st oe v a l u a t e i n s u l m i o nc o n d i t i o n s r e c o g n i t i o no fp dt y p e si sf u n d a m e n t a lf o ri n s u l a t i o ns y s t e m d i a g n o s i s i nf o r m e rr e s e a r c h e s ，t h et r a d i t i o n a l9 q n3 - d i m e n t i o n a l ( 3 - d ) p l o t s a r e u s u a l l ya p p l i e dt or e c o g n i z et h ep dp a t t e r n ，w h i c hr e c e i v e d o b v i o u sr e c o g n i t i o n r e s u l t si nr e s e a r c h e s b u ti ti sr a t h e rd i f f i c u l tt ou s e i np r a c t i c e f i r s t l y , b e c a u s eo f t h ec o m p l e xe n v i r o n m e n to fh va p p a r a t u s ，s i g n a l sa r eb u r i e d i nv a r i o u sn o i s e s ，w h i c hr e q u i r e sb e t t e rd e n o i s e dm e t h o d s e c o n d l y ，平一q 。n3 - dp l o t s c o n t a i ne x c e s s i v ei n f o r m a t i o n ，w h i c hn e e dm o r ea d v a n c e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f s i g n a lp r o c e s s i ns o m eo f t h es p e c i f i cd e t e c t i o ns c e n ea n dp r a c t i c a lf a c i l i t y ；i tm i g h t b eh a r dt oc r e a t et h e3 - dp l o t m e a n w h i l e ，t h es p e c i f i cp dp a t t e r n si nc e r t a i nt y p eo f h va p p a r a t u s ，s u c ha sg e n e r a t o r s ，t r a n s f o r m e r s ，e t c ，c a l lb er e c o g n i z e db ys o m e i n d e x e so r2 dp l o t si n s t e a do f3 - dp l o t sw i t hl e s sc a l c u l a t i o n t h i sp a p e rc r e a t e sf o u rr e l e v a n tp dm o d e l su p o nt h ep e c u l i a rp dp a t t e r n so f g e n e r a t o rs t a t o r s t h ef o u rp dp a t t e r n sa r es l o td i s c h a r g e ，e n d - w i n d i n gd i s c h a r g e ， i n n e rd i s c h a r g ea n da b r a s i o nd i s c h a r g e t h er o g o w s k ic o i li sd e s i g n e da n dr e j u s t e d t o t e s tt h el o wh i g hf r e q u e n c yc u r r e n ti nt h ee x p e r i m e n t t h es i g n a l sa r ed e c o m p o s e d a n dr e c o n s t r u c t e du s i n gm o t h e rw a v e l e td m e yo fw a v e l e tp a c k e t ( w p ) t h e o r y i nt h i s w a y , t h en o i s e sa r er e m o v e da n dp o l a r i t yc h a r a c t e r i s t i c sa r ea b s t r a c t e d t h ep l o t so f n e g a t i v ea n dp o s i t i v ed i s c h a r g es i g n a l s d i f f e rb e t w e e nd i f f e r e n tp dp a t t e r n s a c c o r d i n g l y , t h ef e a s i b l eo p e r a t i o ns u g g e s t i o n sa r eg i v e no u tt oc e r t a i np d t y p e s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di sm u c hs i m p l e rc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a l 中一q 。n3 - d p l o t sb u tr e m a i n st h ea c c u r a c yo fp a r e r n - r e c o g n i t i o n k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ， r e c o g n i t i o n ， w a v e l e tp a c k e tt h e o r y , r o g o w s k ic o i l ，p a t t e r n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 武援 签字日期： 矽9 7 年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 相辱 签字日期：加刁年 月功伺 签字日期：唧了月 2g 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题提出的目的和意义 随着我国电力工业现代化建设的深入进行，自2 0 世纪9 0 年代以来，我国电 力建设以每年新装机容量1 07 k w 以上的超常规速度加快发展。到2 0 0 0 年底，我 国电力发电总装机容量己达3 1 6 1 0 8 k w ，年发电量1 3 5x1 0 1 6 l ( w h ，其中火 电占7 5 以上。我国各大区域已建成以5 0 0 k v 超高压电网为主网，单机3 0 0 m w 和6 0 0 m w 为主力机组，装机容量超过4 1 0 3 m w 的大型电力系统，8 0 0 m w 发 电机组也逐渐投入运行。 目前，我国己形成了东北、华北、华中、华东、川渝、南方四省5 0 0 k v 跨 省市主干电网和山东5 0 0 k v 电网以及西北结构精密的3 3 0 k v 电网，其中，5 0 0 k v 输电线路有2 7 2 6 0 k m ，5 0 0 k v 变电设备容量高达9 4 x1 0 7 k v a 2 j 3 】【4 】【5 j 。到2 0 1 0 年， 我国电网将实现跨区大规模输电和大电网互联的宏伟目标。高电压设备及高压电 缆在电力系统中的广泛应用，要求高压设备绝缘的可靠性进一步提高。 高压电力设备，例如大型电机，由于在电力系统中处于重要地位，其运行的 安全性一直受到人们的高度重视。大型电机运行安全的主要威胁来自其绝缘系 统，这是由电机的绝缘结构、绝缘的运行环境和运行条件决定的。众所周知，大 型电机的绝缘结构是由不同耐热等级的绝缘材料组合而成的固体( 槽部) 和固体 一气隙( 端部) 结构，其绝缘强度没有自恢复性。虽然在设计时要求它具有相当的 耐热等级、足够的电气强度、优良的机械性能和良好的工艺性，但制造过程中的 偶然因素可能给它留下先天的缺陷，而运行过程中的局部放电、电磁力、热应力、 湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘更会造成其性能的逐渐劣化，而且这种 劣化过程是不可逆和不断加速的。一旦由于某种原因造成绝缘缺陷，它就有可能 发展成为击穿短路事故。 长期以来，电力设备的绝缘状态检测沿用传统的定期试验方式，但是随着电 力工业的迅速发展，电网容量的增大，设备数量的急剧增加，传统的预防测试方 法存在较多缺点，如停电时间较长造成的损失，绝缘劣化的不可预测性等等，这 些都要求我们对电力设备实行实时的或定时的在线检测，及时反映绝缘的劣化程 度，以便采取预防措施，避免停电事故的发生。 第一章绪论 人们对于大型高压设备事故原因的认识不断加深，研究开发了许多能够发现 事故隐患的手段和方法。例如，人们发现当绝缘由于局部过热而发生裂解时，会 散发出具有特定成分的气体，检测这些气体引起的离子室电离电流变化，或对它 们进行气相色谱分析，能够了解局部过热的程度和部位【6 】【7 】【8 】【9 】，并据此研制了 g c m ( g e n e r a t o rc o n d i t i o nm o n i t o r ) 装置；人们发现绕组端部振动会引起线棒绝缘 破坏和导线疲劳开裂，因而研制了端部振动传感器和监测系统【l o 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】；人们 发现机内冷却气体湿度的增加会降低绝缘的起晕电压【1 4 】，引起绝缘放电和性能劣 化、转子护环应力腐蚀【1 4 】【1 5 1 ，因而开发了机内气体湿度监测装置1 1 5 1 【1 6 】。除此之 外，大量的工作集中在对绝缘放电的监测和分析上。原因很简单，绝缘的劣化和 击穿是与放电密切相关的，击穿本身就是强烈的放电。其它故障中，有许多只是 引发和加速绝缘的放电与劣化，通过放电的发展表现其存在，并不立即导致灾难 性的后果，通过绝缘放电的检测和分析，可以了解绝缘的现实状况，预防事故的 发生。 大量的实验表明，不同放电模式对绝缘的危害程度不同。如：电机绝缘放电 主要存在内部放电、端部放电、槽间放电和端部断股放电。其中内部放电、端部 放电、槽间放电可以归纳为局部放电；端部断股放电十分强烈，不属于局部放电。 这些类型的放电由于产生的原因不同，其发展的过程及表现形式也各不相同，对 电机运行产生的危害程度也有区别。因此，对局部放电的检测必须进行不同局放 类型的识别，这越来越成为各国学者研究的焦点。 1 2 局部放电检测的现状与进展 1 2 1 局部放电特征提取 局部放电检测的目的是防止发生严重绝缘事故，预测绝缘寿命，为此，应建 立一套评价绝缘劣化程度的方法。而绝缘劣化程度与局部放电有密切关系，因此 对局部放电的特征提取与模式识别进行研究具有重要意义。国内外在这方面作了 大量工作，但仍然存在许多问题。实际工作中，人们不仅希望从局部放电信号中 获取电机绝缘的整体信息，还希望能获取更为详细的具体信息，如故障类型、严 重程度以及故障点定位等。 早期局部放电的特征提取与模式识别主要是通过统计放电量阈值来进行，然 而放电对绝缘的危害不仅取决于放电量，还与放电频率有关。即局部放电不仅与 第一章绪论 每次的放电量有关，还与单位时间内的放电次数及放电发生的工频相位有关，即 不同的局部放电具有不同的放电“指纹一。国内外大量的研究表明了这一点。在 文献【16 】中介绍了介质气隙放电和绕组端部放电具有不同的放电指纹，并据此判断 放电类型，目前的研究工作仅能识别部分放电类型。由于计算机以及新技术、新 方法的应用，局部放电的特征提取与模式识别的研究得到前所未有的发展，出现 了许多特征提取与模式识别方法。 在特征提取方面的方法可以分为两类，一类采用放电脉冲的统计分析，另一 类采用放电脉冲的波形分析。 放电脉冲的统计分析采用各种各样的、q 、n 关系谱图。在二维谱图中有采 用二维痧一q 、q 一挖谱图的7 1 ，也有采用一q 谱图的【1 6 】。有许多采用三维谱图的 【1 6 】【1 8 】。在文献中还有基于谱图采用概率分布来提取特征参数的参数提取方法【19 1 。 放电脉冲的波形分析有频谱分析、滤波等。 由于从局部放电信号提取出的信息可以有效估计绝缘状况，预测绝缘寿命， 对大型电力设备而言，预防了大型事故的发生，避免了故障发生时的严重后果和 停电损失，因此具有很高的研究意义。由于电力设备的局放信号非常微弱，其在 线检测难度也最大、存在的问题很多。干扰信号的抑制一直是局部放电在线检测 技术中的最关键问题，至今都没有得到根本性的解决。尤其在工作场所存在强烈 干扰的情况下，使目前局部放电在线检测的方法，很难达到实际工程应用的水平。 因此，如何运用现有的先进的软、硬件技术，更有效地去除各种干扰，来准确提 取出真实的局放信号，为后续的绝缘诊断提供更可靠的信息，目前正是困扰电力 设备局放在线检测实施的难题。 因而，我们采取了小波消噪和传感器改进相结合的方法，以实验室模拟采出 局放电信号作为参照，以加强局放信号分析的准确度。 1 2 2 局部放电信号处理 局放信号是一种典型的具有突变性的、强奇异性的信号。对于这种信号的分 析，f o u r i e r 变换是无能为力的。因为f o u r i e r 变换是纯频域分析方法，它在时域 上没有任何分辨能力。而小波变换最突出的优点是：在时域和频域同时具有良好 的局部化性质，由于小波变换对高频成分在时域( 或频域) 中采用逐渐精细的采样 步长，从而可以聚焦到对象的任意细节【2 0 j 。利用小波分析卓越的时频局部化能力， 可以作为抑制干扰、提取局放信号的强有力的数学工具。 由于小波在突变信号分析中体现出的优势，小波被广泛应用于局部放电的信 第一章绪论 号分析。小波变换应用于外部电晕放电和绝缘内部放电的信号处理，可有效抑制 干扰、区分局放和电晕放叫2 。小波变换应用于局部放电测量，根据交流下局部 放电的间歇性和小波变换局部极大值的特性，起到抑制干扰的作用田】。用自相关 函数的小波变换方法可用于分析局部放电在线监测中局部放电信号及白噪声特 征，从而把局部放电信号从白噪声中提取出来【2 3 】。小波变换提取信号的效果及有 关影响因素也被广泛关注，并提出采用二重小波( 多小波) 提取局放信号的方法 【2 4 1 。针对局部放电测量中存在的缓变窄带干扰，可采用m a l l a t 塔式小波分解算 法对局部放电信号和噪声信号的小波分解特性进行研究，从而发展出了a dh o e 算法【2 5 】。由于小波分析具有可同时进行时域和频域局部分析的特点，将小波分析 应用于电力系统在线监测一类具有较大干扰背景情况下的信号处理，对混有噪声 的信号进行小波分解，以实现信号与噪声的分离1 2 6 1 。小波变换也被尝试应用于提 高用脉冲电流法测得的局部放电脉冲的信噪比【27 1 。文献 2 8 】在分析变压器绕组的 频率特性的基础上，根据小波变换和f o u r i e r 变换的特性，综合运用这两种变换 处理信号，提出了一种新的大型电力变压器绕组内部局部放电定位的方法。 人们还在小波变换基础上发展出了多小波分析理论用于电力系统。 局部放电检测的情况错综复杂，未经了解的情况较多，有待进一步的研究。 小波作为一种分析奇异信号的有力的数学工具，必将在局放检测方面得到更为广 阔的应用。 1 3 本文研究目标及内容 综上所述，小波由于其时频局部化特性，非常适合于突变信号或非平稳信号 处理，因此在局放检测的干扰抑制中得以广泛应用，并成为该领域的研究热点之 一，但是在具体应用中还存在许多不足。本论文主要针对小波分析在局放信号消 噪和特征提取中的应用进行研究，主要工作内容如下： ( 1 ) 对小波包理论应用于局部放电检测中去干扰进行特征提取的原理进行 系统分析。 ( 2 ) 建立发电机线棒模型，模拟发电机局部放电的信号。 ( 3 ) 研究适用于高频率小电流的r o g o w s k i 线圈，对线圈的结构和参数进行 设定和调试，从而更好的采得局放信号。 ( 4 ) 针对发电机局部放电信号，选取去噪和特征提取的最优母小波及其分解 层级。 第一章绪论 ( 5 ) 通过小波分析提取特征参量，达到分辨不同局放类型的目的。 ( 6 ) 对相应的局放类型提出可行性的后续操作建议。 论文的整体章节安排为：第一章概述本论文研究的目的、意义、背景和现状。 第二章简要介绍局部放电产生的机理及其放电特性。第三章简要介绍本文研究的 理论基础小波和小波包分析的基础理论及其消噪原理，并对不同振荡频率和 衰减系数的局放信号进行模拟，以小波包进行极性特征提取。第四章介绍了 r o g o w s k i 线圈的基本原理和本文实验中采用的线圈制作过程中的参数选择及结 构设计。第五章介绍了如何建立发电机典型放电的放电模型，并对这些模型的制 作和机理作出详细的介绍，进而对实验室模拟的局放信号进行测量与分析，从而 达到区分局放类型的目的。第六章对全文作简要总结并提出尚未解决的问题和未 来的努力方向。 第二章局部放电特性 第二章局部放电特性 所谓“局部放电”是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而 并没有形成贯穿性放电通道的一种放电现象。局部放电信号大致可分为指数衰减 脉冲、高斯脉冲和三角脉冲几种，包含丰富的频率信息【2 9 1 。 2 1 局部放电的产生及其放电过程 绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，这种现 象称之为局部放电 2 9 1 。局部放电 可能发生在绝缘体的内部，也可 能发生在表面，前者称为内部局 部放电，后者称为表面局部放 电。发生在被气体包围的导体附 近的放电，可称之为电晕，当绝 缘体中局部区域的电场强度达 到击穿场强时，该区域就发生放 电。在实际的绝缘系统中，有的 是由复合材料构成的，在不同材 料中的电场强度不同，而且击穿 场强也不同，这就可能在某种材 料中首先出现局部放电。有的绝 缘系统虽然是由单一的材料做 成，但由于制造过程中存在缺 陷，或在使用中绝缘老化产生气 泡、裂纹或其他杂质，在这些绝 缘的缺陷中往往会首先发生放 电，其中最常发生的是气泡放 电。在交流电场中，电场强度是 图2 - 1 含有单气隙的绝缘结构 图2 - 2 介质中含有一个气隙的等效电路图 第二章局部放电特性 与介电常数成反比的，因为气体的介电常数* l i d , ，所以气泡中的电场强度要比周 围介质中高得多，而气体击穿场强一般都比液体或固体低得多，因而很容易在气 泡中首先出现放电。 此外，导体表面的毛刺、导体尖端或导线的直径太小、在导体附近的电场集 中也会造成放电，如电容器的电极边缘、高压架空导线、没有屏蔽好的变压器的 高压端头、电缆的端头以及电机线棒的出槽口等部位，都经常会出现局部放电。 最简单的情况就是在介质内部含有一个气隙，如图2 - 1 所示。图中c 代表气 隙，b 是与气隙串联部分的介质，a 是除了b 之外的其他部分的介质。假定这一 介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用 图2 - 2 所示的等效电路来分解。假定在介质中的气隙是扁平状而且与电场方向垂 直( 如图2 - 1 所示) ，则按电流连续性原理可得 玑e = “k 丝： 巩 万 d 一6 ( 2 - 1 ) 在工频电场中若苁和九均小于1 0 - 1 1 ( q 聊) 卅则上式可简化为 墨：堡笆：三生 e v ( a 一万) ( 2 2 ) 在直流电场中 墨：丝 以 ( 2 3 ) 式中e 、e 一一气隙和介质中的电场强度( v m ) ； u 、以一一气隙和介质上的电压( v ) ； 艺、虼一一气隙和介质的导纳( 1 q ) ； 、一一气隙和介质的相对介电常数； 以、兀一一气隙和介质的等效电导率( q 聊) ； 厌d一一气隙和介质的厚度( m ) 。 由此可见，在工频电场中气隙中的电场强度是介质中的电场强度的三生倍。 通常情况下兰1 ，g 2 ，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的 击穿场强即气隙发生击穿时的电场强度一般都比固体的击穿场强低。因此，在外 第二章局部放电特性 加电压足够高的时候，气隙首先被击穿，而周围介质仍然保持其绝缘特性，电极 之间并没有形成贯穿性的通道，这种现象就称为局部放电。 在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点， 在外加电场作用下，正离子沿电场力方向移动，电子( 或负离子) 沿相反方向移 动，于是这些空间电荷建立了与外施电场k 方向相反的电场瓦( 如图2 3 示) ， 这时气隙内的实际电场为 e = 一瓦 ( 2 4 ) 、u 一 珥 瑭贻， 。 、 u g， _ _ ； e i 、 、 ，h r abc 吒h l _ 、一 l d 、 - ； | 1 |；|l g d 吲 r l t 1fflf ff f f fff 图2 - 3 局部放电过程示意图 ( b ) 第二章局部放电特性 即气隙上的电场强度下降了e 一或者说气隙上的电压降低了u 。于是气隙中 的实际场强低于该气体的击穿场强，气隙中的放电就暂停。在气隙中发生这样一 次放电过程的时间很短，约为1 0 - s 数量级；在油隙中发生这样一次放电过程的 时间比较长，可达1 0 。s 数量级。 如果外施电压为正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压以达 到气隙的击穿电压啡。时，气隙发生放电。由于放电的时间极短，可以看作气隙 上的电压由于放电而在瞬间下降了u ，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿 电压，放电暂停( 这相当于图2 - 3 中的a 点) 。此后气隙上的电压又随外加电压 瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压坼厅时，气隙 又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降玑，于是放电又暂停。假定气隙表 面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中放电电荷建 立的反向电压为一2a 以。依此类推，如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发 生了n 次放电，每次放电产生电荷都是相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压 为一na 以。在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压吒，逐渐减少，当 u 舢，= n a 以时，气隙上的实际电压为零( 相应图2 - 3 中的e 点) 。外施电压的瞬 时值继续下降，当i u 。，一n a u 。i = 日时，即气隙上实际电压达到击穿电压时，气 隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于在此以前放电电荷所建立的电场 加，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为 l u 。一( 疗一1 ) a u 小 坼。于是放电暂停( 相应图2 3 中的f 点) 。此后随外施电压 继续下降到负半周，当重新达到i u 。，一( 力一1 ) a u 小= u c 8 时，气隙又发生放电， 放电后气隙上的电压为i u 删一仰一2 ) a u 。i 于是放电又停止。依此类推直到 外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为n a 。随着电压的回 升，在一段时间内- - u o u t + n a u 。 不会出现放电，直到+ 以虬= 【，时 气隙又发生放电。放电后气隙上的电压为吒，+ 0 1 ) 玑 b 于是放电又暂停 ( 相应于图2 - 3 中的h 点) 。此后随着外加电压升高放电又继续出现。 由此可见，在正弦交流电压下，局部放电是出现在外加电压的一定相位上， 当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电都有一定时间间 隔。电压越高放电次数越多。在外施电压一个周期内的放电次序如图2 - 3 ( d ) 所 示。 第二章局部放电特性 2 2 局部放电的类型 2 2 1 普通局放类型 根据局部放电发生的位置和机理不同，可分为内部局部放电、表面局部放电 以及电晕放电三种i 3 圳。各种局部放电的起始条件、放电波形以及放电随施加电压 的变化规律各不相同。 ( 一) 、内部放电 在介质内部或介质与电极之间的气隙放电，都属于内部局部放电。这种放电 的特性与介质的特性和气隙的形状、大小、位置以及气隙中气体的性质有关。局 部放电总是首先出现在试验电压的瞬时值上升接近9 0 。和2 7 0 。的相位。随着试验 电压的升高，出现放电脉冲的相位范围逐渐扩展，甚至可以超过0 。和18 0 。，但在 9 0 。和2 7 0 。之后的一段相位总是不会有放电脉冲的。每次放电大小不等、疏密度 不均、放电量小的间隔短，放电次数多；放电量大的间隔时间长，放电次数少。 当气隙的四周都是介质时，在试验电压的正负半周出现的放电波形是对称的。 ( 二) 、表面放电 在沿介质表面的电场强度达到击穿场强时所发生的局部放电，都属于表面局 部放电。在电机绕组、电缆、套管等绝缘结构的端部，从导体到介质表面常会出 现局部的放电。在空气中的表面局部放电实际上与在介质和导体之间的内部局部 放电类似。电极边缘的电力线是贯通与介质表面上的空气间隙和介质内部的。电 极边缘气隙中的电场强度比介质内部的高，而介质的沿面击穿电压又远低于介质 内部的击穿场强。因此，在电极边缘沿介质表面就会发生局部放电。表面局部放 电的放电量随外加电压的升高而增大，这是由于电压升高时放电的通道增长，放 电面积增大。表面局部放电与介质表面的状况密切相关，在湿度增大时，局部放 电的起始电压一般要下降。但在电场极不均匀的情况下，由于介质表面上的水份 使电场分布变为均匀一些，从而使放电起始电压反而提高。由于影响介质表面状 态的因素很多，表面局部放电是很不稳定的。 ( - - ) 、电晕放电 在气体中，高电压导体周围产生的局部放电称为电晕。如高压传输线、高压 变压器等高压电气设备，因高压接线端暴露在空气中，都有可能产生这种局部放 电。电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体附近的电场强度达到气体的击穿 场强时发生的。这时在电极间其他地方的电场强度仍然低于击穿场强。因此放电 只是发生在局部区域而没有贯穿到整个电极之间。电晕起始电压与很多因素有 第二章局部放电特性 关。如电极的极性、尺寸，特别是针尖电极的曲率半径，电极间的距离，周围气 体的压力、湿度、温度等。电晕放电波形的波尾较长，是由于负离子在远离针尖 电极电场强度较低的地方迁移率比较慢造成的。 2 2 2 电机特有的局放类型 发电机特有局放类型主要有内部放电、端部放电( 及其后期较为严重时产生 的磨耗放电) 、槽间放电和端部断股放电。其中内部放电、端部放电、槽间放电 可以归纳为局部放电；端部断股放电十分强烈，不属于局部放电。这些类型的放 电由于产生的原因不同，其发展的过程及表现形式也各不相同，对电机运行产生 的危害程度也有区别。 ( 一) 内部放电 内部放电可发生在绝缘层中间、绝缘与线棒导体间或绝缘与防晕层间的气 隙、气泡里。这些气隙、气泡或由于制造时的浸渍不充分产生【3 1 1 ，或在电机的运 行过程中，由于热、机械应力联合作用下引起绝缘脱层、开裂而产生【3 2 】【3 3 】。特 别在绕组线棒导体的棱角部位因电场更为集中，其放电电压更低。当气隙或气泡 上所加的电压超过其耐受电压时，它就会击穿放电，这就是内部放电。内部放电 可以导致匝间绝缘和主绝缘击穿。 内部放电有三种形式：无脉冲表现的辉光放电；具有陡上升沿脉冲的火花放 电；介于辉光放电和火花放电之间的伪辉光放电。当气泡位于绝缘中间时，这三 种放电形式是同时存在的，因而大多数内部放电都可以由脉冲系统检测出【3 4 】。 ( 二) 端部放电 大型发电机端部是绝缘事故的高发区，在诸多导致事故的绝缘放电中，端部 放电占据重要地位。 发电机线棒出槽口处的电场是套管型结构，一般要采取防电晕放电的措施， 分段涂刷半导体防晕层【3 5 】【3 6 1 。端部振动或振动引起的固定部件的松动均会损伤 防晕层，引起端部电晕，它比内部放电剧烈，破坏作用也大，甚至可能发展为更 危险的滑闪放电。机内湿度增大也会加剧电晕放叫3 2 】。 绕组端部并头套连接处的绝缘需要手工处理，质量难以保证。当工艺控制不 严或使用材料不当时【3 7 】，运行中容易脱层；振动和热应力作用下，线棒其它部分 的绝缘也会开裂磨损1 3 2 1 。由于这些原因形成的气隙中会发生放电，放电逐渐侵蚀 绝缘，使绝缘强度降低，水冷绕组的漏水也会进入气隙【3 引，使绝缘强度进一步降 低。另外，绕组端部采用绑扎或压板结构固定，不同相的线棒之间距离较小，当 第二章局部放电特性 发电机冷却气体的相对湿度过大，击穿电压大幅度降低对1 3 9 1 4 ，相间的总体绝 缘强度就可能不足以承受相电压，而导致相间放电，也可能导致相间短路事故。 不同相的线棒之间存在的固定材料容易被漏水漏油污染，引起滑闪放电，也可能 导致相间短路事故p 目p “。绕组端部的渐开线部分容易留存异物。运行中的端部 振动使异物与绝缘相互摩擦，损伤绝缘1 3 “。当异物为金届时，其浮动电位将引起 强烈的火花放电，对绝缘的损伤更为严重。 ( 三) 槽问放电 大型发电机运行时的定子铁心振动i * 】，能够导致线棒固定部件如槽楔、垫条 的松动和防晕层的损害删4 0 川忡】、转子密封油的渗漏会通过减少部件之间的摩 擦力而加剧这种松动和损坏的过程 4 ”。线棒和铁心接触点过热造成的应力作用 也会损伤线棒防晕层1 4 ”，由于这些原因使线棒表面和槽壁或槽底之间产生孔隙而 失去电接触，槽郝放电就是发生在这些原因造成的线棒与槽壁或槽底之间的孔隙 里的高能量的电容性放电。 槽部放电有多种形式它既可能是电晕，也可能是滑闪放电，甚至可能是电 ( a ) 槽放电( b ) 端部磨损导致的电弧放电 图2 4 电机槽内实际放电情况 弧。除了主绝缘表面和槽壁间孔隙放电外绕组靠近铁心通风道处，由于电场集 第二章局部放电特性 中，也易于产生电晕。防晕层电容电流压降和电磁感应电动势的合成电压也可能 给气隙造成强烈的火花放叫3 5 j 。当防晕层因受损而存在脱落斑点时，根据斑点半 径和气隙厚度的不同，放电或发生在绝缘和铁心之间，或者发生在绝缘表面。当 防晕层脱落斑点扩大、汇合，在绝缘表面形成孤立的漆斑时，由于浮动电位和电 容效应，放电可能呈现很高的幅值，具有电弧的特点【4 3 j 【矧。 不同形式的放电对绝缘的危害不同。由于主绝缘大电阻的限制，线棒对铁心 之间的放电( 包括电晕) 电流不大，因而对环氧云母绝缘的危害较小。但是滑闪放 电、火花放电和浮动电位放电的强烈热效应，会导致绝缘材料的局部裂解、熔化， 当它们和铁心振动、放电产生的臭氧及氮的氧化物与气隙内水分共同作用时，会 引起防晕层、主绝缘、槽楔、垫条等的烧损和电腐蚀，会迅速损坏电机绝缘。 ( 四) 断股电弧放电 绕组端部并头套连接处的导线需要焊接，引线和股线需要可靠固定。如果导 线焊接质量不好或固定不可靠，运行中会因为振动而断裂；导线本身质量不好或 装配过程中因硬性扭转而承受内应力时，或者运行中存在严重的冷却系统故障 时，也容易断裂1 3 9 1 。另外，端部采用的绑扎和压板式固定结构因振动而松动，当 其自振频率变化到与电磁力的作用频率( 二倍工频频率) 接近时，振动将加剧，引 起股线的疲劳断裂【1 1 】【3 2 】。 股线断裂后，断头两端由于振动而若即若离，形成火花放电，并由于开端电 流变化而不断燃弧熄弧。这种局部电弧能够使股间绝缘烧损，局部涡流损耗加大， 并使导线熔化、对地绝缘烧坏，引起相间短路和多处接地故斟”】。断股电弧放电 由于其放电不存在固定的放电间隙，放电十分强烈，放电重复率较低，故不属于 局部放电，对于这种类型的放电主要采用频率识别的方法。本文不对其进行研究。 第三章小波理论在信号处理中的应用 3 1 引言 第三章小波理论在信号处理中的应用 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 是8 0 年代后期发展起来的一门新兴学科，它是 傅里叶( f o u r i e r ) 变换的发展结果。由于小波变换在时域和频域同时具有良好的局 部化性质，人们可以对对象的任何细节加以分析，所以称之为“数学显微镜 1 2 0 1 。 傅里叶变换只是一种纯频域的分析方法，它所反映的是整个信号全部时间下 的整体频域特征，而不能提供任何局部时间段上的频率信息。为了研究信号在局 部时间范围的频域特征，1 9 4 6 年g a b o r 提出了著名的g a b o r 变换，之后又进一 步发展为短时傅里叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，简记为s t f t ，又称为加 窗傅里叶变换) 。但由于s t f t 的定义决定了其窗函数的大小和形状均与时间和 频率无关而保持固定不变，这对于分析时变信号是不利的。此外，在进行数值计 算时g a b o r 基无论怎样离散，都不能构成一组正交基，因而给数值计算带来了不 便，这些是g a b o r 变换的不足之处，但恰恰是小波变换的特长所在【2 2 】。 小波变换的思想来源于伸缩和平移方法，它不仅继承和发展了s t f t 的局部 化思想，而且克服了窗口大小不随频率变化，缺乏离散正交基的缺点，是一种比 较理想的进行信号处理的数学工具瞰】。目前小波分析方法在许多领域得到了广泛 的应用。 3 2 短时傅立叶变换 对频域特性随时间变化的非平稳信号用傅里叶变换进行分析是不适合的。因 为傅里叶变换只在频域有局部分析能力，而在时域不存在这种能力，我们虽然可 以知道信号含有的频率信息，但不能知道这些频率信息究竟出现在哪些时间段 上。为了克服它的局限性，继而出现了短时傅里叶变换或g a b o r 变换。 为了研究信号在局部范围的频域特征，1 9 4 6 年d e n n i sg a b o r 提出了加窗傅 里叶变换，其基本思想是，取时间函数g ( f ) = 7 1 - 1 1 4 e 卅0 2 作为窗口函数( 如图3 1 ( a ) 第三章小波理论在信号处理中的应用 所示) ，用g ( t - z ) 同待分析函数( 称信号为函数) 厂( f ) 相乘，然后再进行傅里叶变 换 g f ( 万，f ) = 上厂( f ) g ( f - f ) e - j d t = ( 3 - 1 ) 其中： g 二，( f ) = g ( t - v ) e 一7 矗= g ( t t ) e 7 一 ( 3 - 2 ) 称上式为窗口函数甙o 的窗口傅里叶变换或g a b o r 变换。 由g a b o r 变换得知，g ，( 万，f ) 表示的是f ( t ) 的以f 为中心，左右为f 局部时 间内的频谱特性( 如图2 - 1 ( a ) 所示) ，窗口宽度a v 的大小决定了时间域的分辨率。 式( 3 1 ) 中g ，( 巧，f ) 实际上是( f ) g ( f f ) 的傅氏变换，设g ( 万) 为窗口函数g ( f ) 的 傅氏变换，其形状如图3 1 ( b ) 所示。则 1 g ，( t f f , z ) 2 寺f ( 万) g ( 万弦一炒7 0 3 - 5 ) 。 z 万il 可知在f = 时，g ，( 万，) 实际上描述的是信号频谱f ( 万) 经频域窗 g ，细弦叫眠卷积平滑后的结果。其平滑对原函数频谱f 洄) 的影响由g 洄) 的窗 i = i2 万决定，因此窗口函数g ( f ) 的频域窗口2 万的大小又决定了g a b o r 变换的频 域分辨率。 g a b o r 变换同时提供了信号的时域和频域信息，它是一种时频分析的方法， 但是，它的局限性在于当窗函数g o ) 选定之后，它的时频分辨率就固定了，由窗 口函数的时频域窗口大小直接决定。一个较窄的窗函数对信号的高频成分有很好 的分辨力，对信号的低频成分分辨力较弱；而一个较宽的窗函数对信号的低频成 分分辨力较强，对高频成分分辨力较弱。那么是不是能找到一个窗函数其时间分 辨率和频率分辨率都很高? 海森堡的“测不准原理表明，窗函数的时间分辨率 与频率分辨率是相互制约的。时间分辨率越高，频率分辨率就越低，反之亦然。 对于我们要分析的非稳态信号来说，也许某一小时间段上是以高频信息为主，我 们希望用小时间窗进行分析，而在紧跟着的一个长时间段上是一些低频信息，我 们希望用一个大时间窗进行分析，因此对于一个时变的非稳态信号，很难找到一 个“好的”时间窗口来适合于不同的时间段。 此外，还可以证明，无论如何离散化，都找不到l 2 ( 尺) 上的离散正交基，为 了不丢失信息，在信号分析中必须采用非正交的冗余基，增加不必要的计算量和 存储量，这些缺点限制了s t f t 变换的应用。如何选取一个灵活的时频窗使信号在 第三章小波理论在信号处理中的应用 高频区具有较高的时间分辨率，在低频区具有较高的频率分辨率? 这一问题促成 了小波分析的发展。它继承和发展了s t f t 的局部化思想，同时又克服了窗口大小 不随频率变化，缺乏离散正交基等缺点，是进行信号时频域分析的理想数学工具。 ( a ) 时域波形( b ) 频域波形 图3 1g a b o r 变换窗口函数的时频波形 3 3 小波变换及其基本性质 3 3 1 连续小波变换 w t s ( a ，6 ) 埘ii m 儿杪( 等户，口。 ( 3 _ 4 ) 或用内积形式：啊g ，b ) = i y ，y 础) ( 3 - 5 ) 式帆胁i 矿m y 要使逆变换存在，y o ) 要满足允许性条件： q = 肾 ( 3 - 6 ) 式中汐如) 是y o ) 的傅里叶变换。 这时，逆变换为 几) = 掣o 蚂g ，6 灿爵 p 7 ) 第三章小波理论在信号处理中的应用 巳这个常数限制了能作为“基小波( 或母小波) 刀的属于r q ) 的函数y 的类， 尤其是若还要求沙是一个窗函数，那么y 还必须属于r 似) ，即 ii y 【f 肛 0 。 4c 性质4 ( 冗余性) ：连续小波变换中存在信息表述的冗余度。其表现是由连续 小波变换恢复原信号的重构公式不是唯一的，小波变换的核函数虬。( f ) 存在许多 可能的选择。尽管冗余的存在可以提高信号重建时计算的稳定性，但增加了分析 和解释小波变换的结果的困难。 3 3 2 连续小波离散化 由于连续小波变换存在冗余，因而有必要搞清楚，为了重构信号，需针对 变换域的变量a ，b 进行何种离散化，以消除变换中的冗余，在实际中，常取 6 = 吾，口