（电气工程专业论文）发电机局部放电监测方法的研究.pdf

华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘要 本文在分析国内外局部放电检测技术发展现状的基础上，研究了局部放电产生的原 因和危害，分析了发电机产生局部放电的类型和特点，分别介绍了基于脉冲电流法、超 声波法、超高频法检测局部放电的原理和方法。详细的叙述了基于脉冲电流法、超高频 法、超声波法三种局部放电检测系统的硬件组成和软件组成。最后采用三种方法联合检 测某发电机的局部放电，通过具体分析，发现了发电机端部放电严重，经检查端部存在 绝缘缺陷。具体的应用结果表明，采用脉冲电流法、超声波法、超高频法三种方法联合 的方式进行局部放电检测在现场具有广阔的应用前景。 关键词：局部放电，程控放大，程控滤波，虚拟仪器 a b s 。i r a c i b a s e do na 1 1 m y z i n gm ed e v e l o p m e n to fp a n i a ld i s c l l a 娼et e c l u l o l o g yo v e rt l l ew o r l d ，t l l e c a u s ea n dt h eh a z a r do ft h ep a r t i a ld i s c h a 玛ea r es t u d i e d t h et y p ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e d i s c h a 唱eo c c u r r i n gi ng e n e r a t o ri sd e v e l o p e d ，a n dm e nt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d 诎c ha r e u s e dt om e a s m ed i s c h a r g eb a s e do np u l s e - c u r r e n t ，s u p e r s 0 1 1 i c 、v 乏i v e ，s u p e r - f - r e q u e n c ya r e i n 仃0 d u c e d f u r t h e n n o r e ，t 王l eh a r d w a r ea 1 1 ds o r w a r eo fe a c hd i s c h a r g em e a s u r i n gs y s t e mi s 锄d u c e dt o o a tl a s t ，w eu s em e s et h r e em e t l l o dt om e a s u r co n eg e n e r a t o r t l l er e s u l t ss h o w t 1 1 a tt h ee n do f 也eg e n e r a t o rh 嬲v e r yl a r g ed i s c h a 玛e ，、v ed i s c o v e rt h a tt h e r ei si 1 1 s u l a t i o nf l a w t h e 印p l i c a t i o nr e s u l ts h o wt h a tm e s em e em e t h o d sc o 舢【n i n u t e dt 0m e a s u r i n gp a n i a l d i s c 】b r j 萨c a i lr e a c h t h er e q u i r e m e n ta n dh a sap o t e n t i a la p p l y i n gp r o s p e c t g o uj i a n m i n ( h i 曲v o l t a g ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b yp r o f l i uj i a n x i n k e yw o r d s ： p a r t i a id i s c h a r g e ， p r o g r a m m a b l ea m p l i 6 c a t i o n ， p r o g r a m m a b i e f i i t r a t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士学位论文发电机局部放电监测方法的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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。 学位论文作者签名期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期： 师签名： 日 期： 华北电力大学，丁程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 大型发电机定子绝缘局部放电在线监测的意义 大型发电机是电力工业生产的重要设备之一。随着电力工业的发展和技术进步，发 电机正朝着大容量、高电压的方向发展。单机1 3 0 0 m w 的汽轮发电机在2 0 世纪7 0 年 代初己投入运行，单机8 0 0 m w 的水轮发电机也己投入运行多年【1 。发电机单机容量的 提高，为提高发电机效率、降低成本、减轻电能生产对环境的影响提供了可能，但同时 也对发电机的安全可靠运行提出了更高的要求。大容量的发电机一旦发生故障，事故的 涉及面大，修理周期长，费用高，甚至危及电力系统的稳定运行，经济损失巨大【2 】。例 如，据国外文献报道，核电机组日停运损失可超过2 5 万美元，如果大修期以两个月计 算，则不计维修费在内的总体损失至少为1 5 0 0 万美元f 3 】。因此，大型发电机的检修和维 护已成为电力系统的重要内容之一。 对发电机定子绕组的局部放电进行检测，可以判断发电机定子绝缘的状态，能够指 导制定有效的检修计划，防止严重事故的发生，对发电机自身和电力系统的安全、稳定、 可靠、经济运行有重大的意义。 1 2当前国内外的研究现状 局部放电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低部位发生的放电现象， 它表现为绝缘体内掺入物的击穿，液体介质的局部击穿或固体介质局部的沿面放电 等。局部放电过程中会产生各种电现象如电脉冲、电磁辐射，并伴随有电荷的转移 和电能的损耗，同时也会产生各种非电的信息，如产生声波、发光、发热以及产生一 些新的生成物岭，6 j 。变压器局部放电检测按检测的物理量性质分为电测法和非电测 法，根据局部放电过程中所产生的各种放电现象，相应的有脉冲电流法、超声波检 测法、红外检测法、化学检测法、射频检测法等检测方法，这些检测法都有其优缺 点，在现场也得到不同程度的应用，其中常规检测方法主要为脉冲电流检测法和气 相色谱检测法【7 j 。 ( 1 ) 脉冲电流法博j 脉冲电流法是通过检测阻抗来检测局部放电引起的脉冲电 流信号，从而获得局部放电的基本信息，如视在放电量、放电次数以及放电相位。 脉冲电流法是研究最早，应用最广泛的一种检测方法，i e c 和我国均对此制定了专 门的检测标准，该方法的优点在于灵敏度高，可定量测量局部放电的特征参数。但 由于其受电磁干扰严重，在现场提取电脉冲信号困难，尚未做到在线检测。检测变 压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成，与被测变压器仅有磁 耦合，而无电气连接。电流传感器按频带分为窄带和宽带两种，窄带传感器频率一 般在l o k h z 左右，中心频率在2 0 3 0 k h z 之间或更高，具有灵敏度高，抗干扰性强等 华北电力大学i ：程硕士学位论文 优点，但输出波形严重畸变；宽带传感器带宽为1 0 0 k h z 左右或更宽，中心频率在 2 0 0 4 0 0 k h z 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。脉冲电流法是目前国 际上唯一有标准的局部放电检测方法，尽管测量频率低、频带窄、信息量少，但依 据i e c 6 0 2 7 0 标准进行测量，所得数据具有可比性，目前是不可替代的。 ( 2 ) 超声波检测法【5 9 l 在电力变压器内部发生放电时，会伴随有超声波能量的 放出，超声波检测法是通过固定在电气设备表面的超声波传感器接收其内部局部放 电产生的超声波信号，其优点在于可避免电磁干扰的影响，便于空间定位，易于实 现在线检测，缺点是放电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的，超声信号 常常因为多种因素影响而失真( 如传播途径、频率、速度相关特性以及不同介质中 的传播衰减等) 。典型的超声波传感器的频带大约为5 0 k h z 到2 0 0 k h z ，超声波测量 主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲电流检测法或者直接利用超声 信号对局放源进行物理定位。超声波检测法作为主要的辅助测量手段【l o l ，随着对局 部放电超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度，从而形成从检测到定 位的局部放电判别标准。 ( 3 ) 化学检测法局部放电可导致绝缘材料分解产生新的生成物，通过检测生成 物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态【9 】。局部放电产生的生成物一气体主要包 括c 2 h 4 ，c 出，h 2 ，c 0 2 ，c 2 h 2 等，放电产生的气体与放电能量是紧密相关的。离 线化学检测方法，即实验室油色谱分析可定期进行油中的气体分析，此方法可以根 据局部放电所分解的气体成分和浓度判断局部放电的模式，但所获得的信息为长期 异常现象产生气体的累加值，对于突发性故障感知能力低。化学方法的在线检测正 逐步推广，包括变压器油色谱的在线检测、变压器油中氢气浓度在线检测、变压器 油中乙炔在线检测等，它们可以反映不同气体的动态特性，具有更好的展现变压器 内部变化的潜能，但是这个知识体系是随现场经验的增多而逐渐积累起来的，需要 时间、精力、资金和创造力。化学检测是一种定性检测法，不能反映突发性的早期 潜伏性故障，如围屏放电、主绝缘放电这类对变压器绝缘造成极大危害的流注型放 电。 ( 4 ) 红外检测法红外检测是基于放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像 原理实现热点测量。由于变压器结构和传热过程的复杂性，要利用红外成像方法直 接检测位于变压器本体内部的局部放电是十分困难的【9 】。目前变压器红外检测主要 是针对变压器外部故障，如导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和 变压器套管故障等。 ( 5 ) 射频检测法其基本原理是利用罗哥夫斯基线圈从变压器的中性点处提取 信号，信号检测频率可达3 0 m h z 。射频检测法具有测试系统安装方便，检测设备不 改变电力系统的运行方式等优点【7 】，但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局 2 华北电力大学：【程硕士学位论文 部放电信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干扰。 1 3 抗干扰的国内外现状 1 3 1 干扰的分类 局部放电测量中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干扰和宽带干扰两 种，而按其时域波形特征通常可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和自噪三类【i 引。 连续的周期性干扰是主要干扰，主要包括： ( 1 ) 电力系统载波通讯和高频保护信号引起的干扰； ( 2 ) 无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和频带 宽度。 白噪包括各种随机噪声，如电机绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线 路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。理论上，白 噪干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上：而在实际应用中，若其频谱在较宽频 段上为连续平缓的，即可认为是白噪声。 脉冲型干扰信号包括： ( 1 ) 供电线路或高压端的电晕放电； ( 2 ) 电网中的开关、可控硅整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰； ( 3 ) 电力系统中其他非检测设备放电引起的干扰： ( 4 ) 试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰； ( 5 ) 浮动电位物体放电引起的干扰； ( 6 ) 设备的本机噪声和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的尖 冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域 和频域特征。 1 3 2 去除连续的周期性干扰的现状 1 、模拟滤波法 此方法对于消除工频及其谐波、载波通信、无线电广播等窄带干扰比较有效。从 j o l u l s o n 等人早期的槽部放电监测到以后的g c a 等装置，再到p a m o s 系统和e b i n d e r 等人开发的定子绕组放电监测系统1 5 】，都采用无源的或有源的、高通的或是带通的模 拟滤波器。但是其带宽和中心频率的选择依识别的干扰信号而定，窄带提取抗干扰性强， 能抑制带通以外的干扰，但也容易造成信号某些频率成分的丧失；宽带提取可测得信号 的频率成分比较丰富，但是不利于抑制干扰，因此选择带宽很重要。最大缺点是必须根 据干扰频带的先验知识确定滤波器的通频带，没有数字滤波方便，通用性差。 华北电力大学一l ：程硕士学位论文 2 、频域分析法 由于局部放电信号是宽带信号，而连续的周期性干扰信号是窄带信号，两者经过 f f t 变换后有很大差别。局放信号是连续的波形，干扰信号是离散的谱线且幅值远远大 于局放信号。利用这个特点，有阈值直线法、阈值曲线法【l6 1 ，将干扰成分置零，但是 该方法丢失信号的能量过多，不利于提取局放信号的特征。 3 、傅立叶级数法【1 7 】 由于连续的周期性干扰多为高频正弦信号，因此傅立叶级数容易获得。应用计算傅 立叶级数得到噪声的参数后，得到模拟噪声，再从信号中减去获得的模拟噪声。该方法 相对于单纯频域方法获得了较好的效果，只是步骤较为繁琐。 4 、应用神经网络【l s 】 m a x n e t 网络【l9 1 是利用振幅谱中干扰的幅值普遍高于局放信号，通过横向比较使 得最大值输出，而其他值置零，获得干扰信号的频率并将其挖除，反复迭代至满意为止。 该方法有较强的自适应能力，可根据干扰信号和调制信号位置自动确定要挖除的频率成 分，但是由于频率成分出现较大的跳跃性，可能会出现振荡和波形失真。 5 、自适应滤波2 1 2 2 】 自适应滤波特点是只需要很少或完全不需要任何关于噪声和信号的先验统计特性 知识，直接利用有限个观测数据来估计噪声分量，通过计算，自动调节滤波器参数，以 满足某种最佳准则的要求。但是由于时延收敛因子等多种因子的选择对结果影响较大且 有时会不收敛，因此该方法调节困难。 6 、二阶级联无限冲击响应( 1 i r ) 格型滤波器2 3 0 2 6 1 该方法先计算输入信号的自相关系数，并计算干扰和局放信号的功率谱，再求出周 期性干扰的谐振频率，估算各谱波函数，最后用数字陷波滤波法去除干扰，输出的就是 去除周期性干扰后的自相关函数。该滤波器具有对周期性干扰抑制比高、对局放脉冲波 形畸变最小、对脉冲干扰稳定性好以及处理时间少等优点。但这种滤波器对于多谐波成 分的周期型干扰存在参数调整困难、滤波时间长、占用内存大等问题。 7 、小波变换提取放电信号【2 7 l 局部放电信号经过小波变换后分布在整个尺度空间，而连续的周期性干扰信号只分 布在有限的尺度空问上，针对这个特点运用小波变换来去除连续的周期性干扰。目前利 用不同的小波函数如二次小波、离散小波、小波包等有多种方法。但是如何确定使用最 优小波函数和去噪算法目前还没有很好的方法。 8 、数学形态学数字滤波【2 8 】 4 华北电力人学1 ：程硕十学位论文 构造自适应组合形态滤波器，根据干扰信号和局放信号波形的几何结构特性不同来 去除干扰。需要预先定义的结构元素对信号进行匹配和修e 。 1 3 3 去除白噪声干扰的现状 1 、模极大值法【2 9 1 白噪和信号的小波变换系数的模极大值沿尺度具有不同的传递特性，因而可根 据这种差别来滤除白噪。然而这种方法在具体的实现过程中需要进行十几次交错投影， 不仅计算速度慢，而且算法也不够稳定。另外，模极大值点的确定具有很大的主观性和 随机性，因而实际应用并不多。 2 、阈值法【3 0 】 基于小波变换门限值的去噪方法，该方法对去除白噪和载波干扰都比较有效，而且 容易实现，运算量小。然而在这一算法的具体应用过程中，需要考虑小波分解和重构算 法、小波函数、分解尺度以及门限值的选择等问题，选择不当将极大地影响去噪的效果。 文献【3 0 】在对局部放电信号和白噪的小波分解特性进行分析的基础上，从尽可能减小去 噪对局部放电脉冲畸变的角度出发，对阈值法作了改进。改进算法更有效地提取局部放 电的脉冲波形。 3 、空域相关法 空域相关滤波算法表明，信号的突变点在不同尺度的同一位置都有较大的峰值出 现，噪声能量却随着尺度的增大而减小。因此，可以取相邻尺度的小波系数直接相乘进 行相关计算，使得在锐化信号边缘与其他重要特征的同时抑制噪声，而且能够提高信号 主要边缘的定位精度，更好的刻画真实信号。但是计算量较大，需要通过迭代，并且用 到了阈值滤波的一些思想。 1 4 论文内容 局部放电是一个热点问题，对发电机进行局部放电检测可以发现发电机的绝缘故 障。针对这种情况，本课题主要内容有： 1 、研究发电机局部放电的机理 从局部放电的原理入手，详细论述了局部放电产生的原因，描述了最简单局部放电 产生的三电容模型，并分析发电机主要的四种放电类型，为局部放电测量做好理论准备。 分析脉冲电流法的原理、测量方法和该方法在发电机局部放电监测中的应用 2 、在2 0 0 m w 机组检修时进行局部放电试验 利用脉冲电流法、超声波法、超高频法等3 种方法对2 0 0 m w 的2 j f j 机组进行局部放 电检测试验。并且用这三套系统所带的局部放电分析系统对测试结果进行对比分析。 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 第二章局部放电原理与监测方法 2 1 局部放电产生机理 在电气设备的绝缘系统中，各部分的电场强度往往是不相等的，当局部区域的电场 强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但是放电并没有贯穿施加电 压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有击穿，仍然保持绝缘性能，这种现象称为局部 放电。发生在绝缘体内的称为内部局部放电；发生在绝缘体表面的称为表面局部放电， 发生在导体边缘而周围都是气体的，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，如液体与固体、气体与固体等复合绝缘系统。在 这样的绝缘系统中，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，但由于在制造中 残留或在使用中绝缘老化而产生的气泡、裂纹或其他杂质，这些绝缘的缺陷往往会首先 发生放电。其中最常发生的是气泡的放电，因为气体的介电常数很小，在交流电场中， 电场强度是与介电常数成反比的，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。这在固体 绝缘中，如干式互感器、电机、胶纸套管以及塑料电缆等等，尤为严重。 基本的气体放电机理有电子碰撞电离放电和流注放电两类。在大气中的放电，当电 极的距离比较大、气压比较高时，就可能出现流注放电。在绝缘体内部的气隙，一般都 是很薄的，通常都是电子碰撞电离放电，但由于绝缘体的表面电阻很高，放电产生的空 间电荷积累在气隙两端的介质表面上，使电场集中，从而可能产生流注放电。 气体放电可分为脉冲型( 火花型) 放电和非脉冲型( 辉光型) 放电两种基本形式。 在一般情况下，局部放电都属于脉冲型放电，这种放电可以在一定的外电压的相位上观 察到单个分离的脉冲。在低气压小气隙中有可能出现辉光放电，这种放电观察不到单个 分离脉冲，但可以观察到发出的辉光，也可以检测到低频放电电流。 局部放电是一种复杂的物理过程，有电、声、光、热等效应，还会产生各种生成物。 从电性方面分析：产生放电时，在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损失，最 引人注意的是反映到试品施加电压的两端，有微弱的脉冲电压出现。这个脉冲信号可以 通过一个简单的模型和等效电路来说明，图2 1 所示为最简单的含有单气隙的绝缘体放 电模型。 6 华北电力入学j j ：程硕十学t ；7 ：论文 ( a ) 单气隙绝缘结构模型 占一气隙厚度( m ) d 一整个介质的厚度( m ) 联部分介质的电容e 一其余部分介质的电容 ( b ) 单气隙等效电路 e - 气泡的电容c 6 一与气泡串 假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向垂直，则按电流连续性原理可得： 玑艺= 艺 ( 2 - 1 ) 瓷= 镑筹，去 陋2 ， 把+ ( 彩氏) 2 扎万 在工频电场中，若圪和均小于l o 叫1 ( q 朋) ，则上式可简化为： 墨：黑：叠 ( 2 3 ) e bu l | 婶一6 、。 在直流电场中： 等= 丛 ( 2 4 ) 式中e 、毛气隙和介质中的电场强度( v m ) ： 旺、一气隙和介质上的电压( v ) ； 、k 一气隙和介质的导纳( 1 q ) ； g 。、一气隙和介质中的相对介电常数； 以、扎一气隙和介质中的等效电导率( q 聊) ； 艿 、d 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电场强度的倍。通常情 华北电力大学t 程硕十学位论文 况下s 。兰l ，占，。 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，在外加电压足够高时，气 隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之问并没有形成贯穿性的通道， 这种现象称之为局部放电。 在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由于在 制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙。但却不可避免 地存在着充满绝缘油的间隙。这些油的介电常数通常也比固体介质为低，因此，在油隙 中也会发生局部放电，不过与气隙放电比要在高得多的电场强度下才会发生。 此外，除了介质不均匀或有缺陷造成电场集中之外，即使在介质中不含有气隙或油 隙，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。在电工设备或电路中，还会 因有浮动的金属体而出现感应放电，或者有连接电接触不好而发生放电等。 2 2 发电机局部放电的类型及特征 发电机中的局部放电主要有四种类型【3 2 l ：内部放电、端部放电、槽放电和电晕放 电。 1 、内部放电 由于制造工艺上的原因或在长期运行中的电、热、化学和机械力的作用，高压电机 定子绕组不可避免地会在层间出现气隙，气隙中的场强可达平均场强的3 5 倍左右。在 运行电压作用下，气隙中的场强很容易达到击穿场强，出现绝缘内部局部放电。内部放 电主要有三种形式：辉光放电、火花放电和介于辉光放电和火花放电之间的亚辉光放电。 其中流柱状高气压辉光放电，存在大量能量很大的带电粒子，这些高能带电粒子以很高 速度碰撞气隙壁，能够打断绝缘体的化学键，造成绝缘材料的表面侵蚀；局放产生的局 部过热，会造成高温聚合物裂解而使绝缘损坏。通常在运行电压的作用下，气隙首先击 穿，形成局部放电；内部局放的电、热、化学和机械力的联合作用，又进一步使气隙扩 大，造成绝缘有效厚度减少，使击穿电压进一步降低，最终导致绝缘击穿。 通常介质内部气隙放电在正、负两个半周内基本上是相同的，但每次放电的大小， 即脉冲的高度并不相等，而且放电多发生在外加电压幅值的绝对值上升部分的相位上， 只有放电很剧烈时，才会扩张到下降部分的相位上。 2 、端部放电 电机定子绕组端部并头套的连接处，是绝缘的薄弱环节，尽管采取了一系列的措施 ( 防晕漆涂层和分级防晕层) ，仍是大型电机绝缘事故的多发区。通常大型电机绕组端 部采用绑扎或压板结构固定，当电机冷却气体湿度过大，击穿电压降低时，可导致相问 8 华北电力大学工程硕十学位论文 放电。在运行中由于振动和摩擦使防晕层损坏时，会引起端部表面放电。由于电机端部 电场局部集中，一旦发生端部表面放电，将对电机的绝缘产生很大的破坏作用。 放电产生的电荷只在介质一边积累，更不容易在外加电压绝对值的下降相位出现放 电。当电极系统是不对称时，放电只发生在其中一个电极的边缘。 3 、槽放电 槽放电是指线圈主绝缘表面和铁芯槽壁之间的放电。其产生的原因是线圈槽部表面 不能和铁芯槽壁完全接触，存在间隙，且通风槽口处电场分布不均匀，当局部电场强度 达到一定数值时，气隙中的气体发生局部电离而产生槽放电。槽放电是比电晕放电能量 大数百倍的间隙火花放电( 电容性) 。槽放电的局部温度可达数百至上千度；放电所产 生的高能加速电子对线槽表面产生热和机械力的作用，在短期内可造成l 姗以上深度 的麻坑。放电使空气电离产生臭氧、氮及其氧化物与气隙中的水分子起化学反应，产生 腐蚀性很强的硝酸等，引起线棒表面的防晕层、主绝缘、槽楔、垫条等烧损和腐蚀。由 槽放电引起的这种现象称为电腐蚀。高压电机中出现电腐蚀现象是很普遍的，对电机绝 缘的危害相当严重。 放电脉冲在外施电压正半周幅值大、次数多，而在负半周放电量小、次数少。 4 、电弧放电 在一定的光、热和电场作用下，介质中的中性的、不导电的质点将产生自由电子、 正离子和负离子从而形成游离。当介质达到一定游离程度时，介质将被击穿而产生电弧。 介质的游离过程主要有表面发射和空间游离。表面发射又分为：场强发射、热发射、光 发射、二次发射：空间游离又分为：光游离、碰撞游离和热游离。 2 3 脉冲电流法测量原理及系统组成 脉冲电流法是根据试品局部放电时放电处会产生电荷交换，在一个与之相连的回路 中就会产生脉冲电流，通过测量此脉冲电流来测量局部放电的方法。英文缩写为e r a 。 它可以根据局部放电的等效电路来校正视在放电电荷，而且测量的灵敏度高，是目前应 用最广方法，也是正c 和国家标准推荐采用的方法。 2 3 1e r a 基本测量原理【3 3 】 产生次局部放电时，试品e 两端产生一个瞬时的电压变化u ，此时如经过一耦 合电容g 耦合到一检测阻抗z 埘上，回路中就会产生一脉冲电流i ，如图2 2 所示。 9 华北电力大学一【程硕十学位论文 z s 一试验电源z 一阻塞阻抗c 一试品电容g 一耦合电容z 埘一检测阻抗 m 一局部放电检测仪 巳一对地电容 图2 2 脉冲电流法的基本框图 从图2 2 可以看出：当试品c 内部出现局部放电时，由于其真实放电量无法测得， 所以用视在放电量g 来表征放电强度： 岭走 q + 蠢 ( 2 - 5 ) 其中c 卅主要由与测量装置相连的电缆的电容、放大器的输入电容等组成。 以所含的主要频率分量是很高的，所以在检测阻抗上分配到的脉冲电压可以简 化为按g 与c 埘分压来计算： 州丧2 亦2 舌 ( 2 - 6 ) 式中g = q + 1 + 鲁卜各量符号见图2 - 2 0 由此可见，当测试回路中e 、q 、q 确定时，c 为常数，正比于g 。通过一 定的校正方法，就可用测得的分度为视在放电电荷9 。由于脉冲电流法测试灵敏度相 当高，而且可用已知电荷量的脉冲注入校正定量，从而可测出放电量口，因此，脉冲 电流法已成为局部放电测试中最基本的方法。 2 3 2e r a 检测信号特征分析 从信号的时域、频域特征来看，通过对实验室模拟的典型放电模型的单次局部放电 信号的分析，可知局部放电信号是一种上升沿很陡，持续时间很短并逐步衰减的脉冲信 1 0 华北电力人学上程硕士学位论文 号，其频率范围非常宽，约从数百h z 到数百m h z 。脉冲电流法主要利用局部放电频谱 中的较低频段部分，一般为数k h z 至数百k h z ( 至多数m h z ) ，以避免无线电干扰。从 检测阻抗上获得的检测脉冲信号，一般数值很小，如1 0 ，的等效电容，放电量2p c 时， 只相当于0 2 矿的电压变化，必须经过检测仪器放大后才能进一步处理。此外，来自检 测阻抗的电压信号中混合有数值相对可能高得多的工频电压及其谐波分量，为只采集局 部放电脉冲信号，需要高通滤波器来抑制工频电压及其谐波分量。 2 3 3e r a 试验回路和测量系统的组成 脉冲电流法的基本测试回路有3 种，如图2 3 所示，s 是电源即试验发电机，除长 电缆和带绕组的试品外，一般情况下试品均可看作集中参数电容c ，。g 为耦合电容， 它为c ，和z m 之间提供一个低阻抗通道，g 越大则测试灵敏度越高。当c ，两端发生局部 放电而引起电压变化u 时，经g 耦合到检测阻抗乙上，回路上即产生脉冲电流并在 z 卅上转化为脉冲电压，通过测量这个脉冲电压来检测局部放电。阻塞阻抗z 的作用是 阻塞放电电流，使之不致被发电机入口电容所旁路，同时可降低来自电源的噪音干扰， 故它是个高压低通滤波器，z 应比z 卅大，通常z 是个电感线圈。在测试局部放电的试 验电压下，除c 。外，g 、s 、z 和整个回路接线均不应该发生局部放电。m 是测量装置， 用以测量及显示z 卅上的脉冲电压。 z z 图2 3 脉冲电流法的局部放电检测回路 检测回路的接法分为两大类，一是直接法，它有并联法串联法两种，前者适用于试 品一端接地的情况，后者试品需要对地绝缘。另一类是平衡法，如图2 3 ( c ) 所示，它 华北电力大学上程硕士学位论文 需要两个相似或相同的试品，这种回路能有效抑制电源或试品高压侧干扰。 z 。的作用是采样局部放电所产生的高频脉冲电压信号，并使其持续时间足够短以 保证所需的脉冲分辨率。z 。对试验电压的低频信号则应予以消除或减弱。z 。是连接试 品与仪器的一个关键部件，与仪器的频率特性及灵敏度有直接的关系。 检测阻抗z 。可分为r c 型及l c r 型两大类，如图2 4 所示。图中，c 卅主要由与测 量装置相连的电缆的电容、放大器的输入电容等组成。 ( a ) r c 型 ( b ) l c r 型 图2 4 两类检测阻抗 测试回路按r c 型检测阻抗时的等效电路如图2 5 ( a ) 所示，当c ，发生局部放电， 引起电压变化【，视在放电量为g 时，通过计算可得检测阻抗上的输出电压“。为： = q q + e ( 1 + q g ) ) e x p ( 一t ) ( 2 7 ) 式中： = 1 ( 2 - 8 ) 靠= 如 c 卅+ e g ( e + q ) = 如g ( 2 9 ) 其中，气分别为检测回路的衰减常数和时间常数：e 为检测阻抗两端的总电 容，又称调谐电容。“。是非周期性的单向脉冲，每个脉冲与绝缘内部局部放电脉冲一一 对应。越大，脉冲持续时间越短，分辨率越高。这种检测阻抗输出的脉冲电压是指 数衰减型，频谱较宽，即含有各种( 从低频到高频) 频率分量，应用于频带较宽的测试 系统，有较高的灵敏度和分辨力，但抗干扰能力较差。 1 2 华北电力人学一翻警硕士学位论文 ( a ) 等效电路( b ) 脉冲电压波形 图2 5r c 检测阻抗的等效电路及脉冲电压波形 l c r 检测阻抗的等效电路如图2 6 ( a ) 所示，在e 放电瞬间，u 按电容分配，故检 测阻抗上的初始电压和r c 型电路一样，之后呈现一个衰减振荡，此时： = g g + e ( 1 + g g ) e x p ( 一f ) c o s r ( 2 - 1 0 ) 式中： 2 l 2 如g ( 2 1 1 ) g = g + e g ( e + g ) ( 2 1 2 ) = 尺。 ( 1 l c ) 一 l ，2 ( 1 kc r ) 2 ( 2 1 3 ) 是检测回路的振荡频率，通常口。 以上分析均假定放电脉冲的前沿为阶跃波，若脉冲前沿为指数波，则起始值为零， 当接l c r 型检测阻抗时，“。的波形将如图2 - 6 ( b ) 所示。此种检测阻抗输出的是指数衰 减振荡波形，频谱较窄，集中在谐振频率附近。 乏 e 3 幽 聊 丑 簿 0八八，、 v v 时伽t ( s ) ( a ) 等效电路( b ) 脉冲电压波形 图2 6l c r 型检测阻抗的等效电路及脉冲电压波形 2 3 4 脉冲电流法测量电机绝缘的局部放电 局部放电的测量方法有多种，随着脉冲电流法被广泛应用，电机的生产和运行部门 i 3 华j 匕电力大学r 程硕士学位论文 已经广泛采用此种方法。 2 3 4 1 线圈的局部放电测量 对于单只线圈( 或线棒) 局部放电的测量，一是检查线圈绝缘内部是否含有较大气 隙，二是检查线圈端部防晕处理是否合格。对线圈( 或线棒) 进行局部放电测量可以用 直接法、也可用平衡法。直接法又有并联测试和串联测试两种。 ( a ) 并联法( b ) 串联法 图2 7 测量线棒局部放电的两种方法 2 3 4 2 绕组局部放电测量 线圈( 线棒) 下入槽中，按一定规则连接后组成绕组。这时每只线圈( 线棒) 的槽 部外表面均是接地的，因此，不能用平衡法测局部放电，只能用直接法进行测量，而且 只能用并联回路进行测量。 对于运行中的电机，不需要外施高压，只需要将电机绕组高压端连到耦合电容器上 即可进行测试。也可以从中性点上取信号进行测量。主要优点有： 中性点对地电位较低( 理论上为零电位) ； 电机中任何位置的放电脉冲都会流过中性点； 在中性点接地变压器处容易接近中性点，便于在实际中进行操作。 发电机 接地变j i i i 气 j 发电机 ( a ) 高压出线端接线方式( b ) 中性点接线方式 图2 8 运行中的电机局部放电测量接线方式 1 4 华北电力人学j ：科硕+ 学位论文 2 4 超声法测量原理 局部放电发生时会伴随着声、光、电等一系列的物理化学现象。超声波检测法【9 】在 电力设备内部发生放电时，会伴随有超声波能量的放出，超声波检测法是通过固定在电 气设备表面的超声波传感器接收其内部局部放电产生的超声波信号，其优点在于可避免 电磁干扰的影响，便于空间定位，易于实现在线检测，典型的超声波传感器的频带大约 为5 0 k h z 到2 0 0 k h z ，超声波测量主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲 电流检测法或者直接利用超声信号对局放源进行物理定位。超声波检测法作为主要的辅 助测量手段【l o 】，随着对局部放电超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度， 从而形成从检测到定位的局部放电判别标准。 2 5局部放电超高频电磁波的辐射原理 随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向着超高频和 超宽频方向发展。局部放电超高频检测是通过超高频天线传感器提取变压器内部局 部放电所产生的超高频信号，从而实现局部放电的检测。局部放电超高频检测技术 作为电气设备局部放电检测的一种新的手段和方法，越来越受到重视，在国内外得 到了较快发展，并在电力设备如g i s 、同步电机、电缆等的检测中得了到初步的应 用f 引。 在局部放电产生过程中，每一次局部放电的产生都会发生正负电荷的中和，伴随有 一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较 短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比 较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。 通常变压器绝缘结构中发生的局部放电信号可以看成是由一个点源所发出的【4 4 们， 当电介质某处发生局部放电时，由放电产生的电磁扰动随时间变化，将会产生电磁 波，它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程【4 5 l ： v h = 皖+ 詈 v e ：一等 ( 2 - 1 4 ) 西 7 v b = 0 d = p 式( 2 1 4 ) 中，五为电流密度，单位为a m 2 ：p 为激励源，单位为c m 3 。引 入动态向量位力和动态标量位驴来分析局部放电产生的时变电磁场，这时麦克斯韦 基本方程组( 2 1 4 ) 变为动态位方程组： 华北电力大学工程硕十学位论文 哟叫孔耶s 盯m s 等 p v 2 口+ v 型：一旦 。8ts v j ：一胆譬 ( 2 1 6 以及1 ，= 旷万，则式( 2 2 ) 可化为： 卜糍叫五 p h 一吉窘= 一詈 考虑体积v 中所有电荷的作用，其解为： ( 2 一1 8 ) 贴戊硝，：去掣y p 砸戊印，：卷一y 陋2 。， 式( 2 1 9 ) 和( 2 - 2 0 ) 说明局部放电产生的电磁波是以速度v 沿着r 方向传播的，它 是时间与位置的函数，该电磁波的能量以速度v 沿着r 方向分布，即沿电磁波的传 播方向流动4 6 ，4 刀。 1 6 0 o = = 么 缈i n 以一扩却一矿，一伊，一伊 一 一 4 够 v v 华北电力大学 ：程硕士学位论文 2 6 本章小结 本章主要介绍了局部放电产生的机理以及发电机局部放电的类型和特点，根据试验 所用设备的要求，介绍了脉冲电流法、超声波法、超高频法测量局部放电的原理；采用 三种方法联合的发电机局部放电试验能够全面准确的反映发电机发生局部放电的情况。 1 7 华北电力人学工程硕十学位论文 第三章局部放电检测系统构成 3 1基于脉冲电流法的局部放电检测系统 3 1 1 硬件系统以及工作原理 3 1 1 1 传感器 局部放电的过程会产生脉冲电流、声波、光、热以及新生成的物质，因此可以采用 多种传感器提取局部放电信号，实际应用较多的包括检测阻抗、高频c t 、超声波换能 器、罗氏线圈等。本设计主要采用的i e c 标准推荐的检测阻抗作为传感器。 检测阻抗实际上是一种采样元件，当脉冲电流通过时，在检测阻抗两端就会出现脉 冲电压，将此电压输入检测仪可以测出局部放电的视在放电电荷、放电重复率等基本 表征参数。 如第二章所叙述的，检测阻抗有两种类型，一种r c 型检测阻抗，另一种l c r 型检 测阻抗。本文所采用的l c r 型检测阻抗设计成一个双绕组的升压变压器，如图3 2 所示， 其输出侧绕组的匝数比输入侧多，可以提高测量灵敏度。 x a 始 x o - 入地 x c 柬 x b 中 c q ：i !二 ， r p l pi ，ol ， 喀1 1 蠢j 九一。 = = j l p i ：l l ljr slj 融 ， c p 7 嘧2 zp “1 l 屏蔽 图3 1l c r 检测阻抗实际线路 3 。1 1 2 前置放大器 局放信号很微弱，特别是大电容量的试品。如电容为1uf 的试品，出线5 p c 视在 放电电荷时，在检测阻抗两端可能拾取的电压约为uv 级，因此必须经过放大才能送 入后继的电路。 放大电流是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，很容易受到外部和内部的一些不规 则信号影响。如果不妥善处理放大器的噪声，会造成对局放信号的严重干扰。图3 3 所 示为设计的放大电路，通过选择电阻来改变放大倍数。 华北电力大学工程硕士学位论文 一 r 4 7 专r 一七 k 1 c 3 丁b 3o j 一 t 1 凳白 ，- 一皇。 7a 0 5 0 7 j 善一一一一 一2j 一，。一1 i j r 3 2 0 0 0 2 k 一一一一4 1 ，一 4 ：半7 鼍# d k 2 ：j 舀i。p 4 一 罩9 2 ：兰箜 一 一 c 寸士o s “疆一。 一 t 5 一ilqi枣 2 寸奎。 。 。t守6 一z 2 - i g 1 习- 毛飞。一 上l 图3 2 放大电路设计图 3 1 1 3 数据采集卡 数据采集卡采用美国国家仪器公司( n i ) 的高速数据采集卡p c i 5 1 0 2 。该数据采集 卡为3 2 位p c i 总线结构，可插到带有标准p c i 槽的普通p c 机或者工控机里工作。该 卡具有2 个单端同步输入通道，最高采样速率可达2 0 m s s ，模拟输入带宽1 5 m h z 分辨 率为8 位，带有6 6 3 k 的先入先出存储器( f i f o ) 。模拟输入范围5 v 。 p c i 5 1 0 2 的外接头有5 个接头，其各个接头的用途如下： c h o 、c h l ：分别表示双通道输入信号的同轴电缆接头； 喇g ：表示外部的模拟触发信号( 输入) ； p f l 、p f 2 ：表示可由软件设置的数字触发信号( 输入) 或其他有关的数字信号( 输 出) 。 p c i - 5 1 0 2 的最高实时采样率为2 0 m s s ，并且采集长度取决于计算机的内存容量。 在局部放电测量中，采用的传感器的输出信号的最高频率为1 m h z ，远远满足采样定理的 要求。另外，测量周期为5 0 h z 工频周期，即一次采集时间为2 0 m s ，这样即使设置为最 高采样率工作，采集的数据长度也只有4 0 0 k ，所以p c i 5 1 0 2 数字示波器采集卡满足测 量局部放电的要求。 p c i 5 1 0 2 数据采集卡具有同步采集功能，为了能够采集完整的周期数据信息并确定 放电脉冲的相位，设置了一个触发器来触发采集，称之为同步信号。触发器的主要功能 是在每个周期的过零点上升沿触发数据采集卡。图3 - 4 为触发器的接线图。 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 3 触发器的接线图 3 1 1 4 计算机系统 采用a d l i n k 机箱r k 6 1 0 ，r u p r 0 8 4 l ，c p u 为p 4 处理器，主频2 8 g h z ，带有 1 g 内存，1 2 0 g 硬盘，它在速度和稳定性以及抗干扰方面具有优良的性能。 3 1 2 软件系统及其流程 目前应用比较多的虚拟仪器开发环境有两种：一种是文本式的编辑语言，如c 语言， s u a lc + + ，l a b w i n d o w s c v i 等；另一种是图形化的编程语言，比如l a b v i e w 、h p v e e 系统。图形化的语言具