（电力系统及其自动化专业论文）大型发电机定子绝缘局部放电在线模式识别研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 分析了发电机定子绝缘内部放电的放电机理，建立了三类基本放电 的理想数学模型，并设计了用于发电机局部放电在线模式识别的样本；采 用分层抗干扰方法处理了发电机局部放电在线监测系统采集的数据，得到 了发电机局部放电统计特征向量和极性统计谱图；分别设计了以极性统计 谱图和以统计向量为特征提取量的发电机局部放电在线模式识别，并建立 了用于在线模式识别的神经网络分类器；开发了基于虚拟仪器的发电机局 部放电在线模式识别系统。 关键词：发电机，定子绝缘，局部放电，模式识别 a b s t r a c t l n a l y z eg e n e r a t o rs t a t o ri n s u l a t i o ni n n e rd i s c h a r g em e c h a n i c s ，e s t a b l i s h t h ei d e a im a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h et h r e et y p ed i s c h a r g e s ，a n dd e s i g nt h e s a m p l e sw h ow i l l b eu s e do f g e n e r a t o fp a r t i a ld i s c h a r g eo n - l i n ep a t t e r n r e c o g n i t i o n ；a d o p t i n gl a y e r sa n t i j a m m i n gm e t h o dp r o c e s st h ed a t aw h oa r e c o l l e c t e db yg e n e r a t o rp a r t i a ld i s c h a r g eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ；0 b t a i n g e n e r a t o fp a r t i a ld i s c h a r g es t a t i s t i c a l c h a f a c t e r i s t i cv e c t o r sa n dp o l a r i t y s t a t i s t i c a la t l a s ； d e s i g ng e n e r a t o r d i s c h a r g e o n l i n e p a t t e f nr e c o g n i t i o n s e p a r a t eb a s e do nt h ep o l a f i t ys t a t i s t i c a ia t l a sa n dt h es t a t i s t i c a lv e c t o r sa n d e s t a b l i s ht h en e u r a ln e t w o r kc i a s s i f i e rw h ow i l lb eu s e do f0 n l i n ep a t t e r n r c c o g n i t i o n ；e x p l o i tg e n e r a t o rp a r t i a ld i s c h a r g e0 n l i n ep a t t e r nr e c o g n i t i o n s y s t e m d o n gz h i m i n ( e l e c l r i cp o w e rs y s t e m 柚di l sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ih e m i n g k e yw o r d s ：g e n e r a t o r s t a t o ri n s u l a t i o n ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，p a t t e r n r e c o g n i t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型发电机定子绝缘局部放电 在线模式识别研究，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。 学位论文作者签名缓 期： 砂譬。l 。 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) 作者签名邀 _ 一l 导师签名乏翻 导师签名： 茎竺! ”们 日期：之丝翌! ：弓 华北电力大学硕+ 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模式识别的意义 大型发电机是电力工业生产的重要设备。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。发电机单机容量的增大，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“l 。大容量的发电机一旦发生故障，将会造成停i 电事故， 甚至危及电力系统的稳定运行。事故的涉及面大、修理周期长、费用高、经济损失 巨大【1 4 l 。因此，大型发电机的安全、可靠运行已成为电力系统的头等大事。 大型发电机运行的可靠牲在很大程度上取决于其绝缘的可靠性1 3 j 。虽然大型发 电机在设计时具有足够的电气强度和优良的机械性能，可是制造过程中的偶然因素 会造成一些先天性绝缘缺陷，这些局部缺陷将造成绝缘内部局部放电，它的电介质 长时击穿电压常常不到短时击穿电压的几分之一【】。因此，局部放电作为大型发 电机长期运行中绝缘劣化的一个主要因素而倍受重视。国内外普遍认为测量局部放 电是一种能及时发现设备潜伏性故障的手段。 长期以来，为了确保大型发电机的安全运行，电厂采用了定期大修和预防性试 验制度，基本可以保证大型发电机在两次大修期间的运行安全( j 。但是定期大修和 预防性试验制度有它固定的缺陷，主要表现在：定期停电不利于电厂经济运行， 它仅对设备进行了次彻底的检查，但要花费大量的人力、物力和财力；预防性 试验是在与运行条 牛完全不周的情况下对大型发电机进行的试验。难以发现潜伏性 缺陷，所以对突发性事故显得有些力不从心。同时，随着大型发电机电压等级的提 高，容量的增大，绝缘承受的电场场强相应增大，漏磁场的影响加强，导致大型发 电机定子绝缘局部过热和局部电场强度过大，使得大型发电机定子绝缘局部放电量 增大c 甜， 事实上，局部放电在大型发电机正常运行时始终存在。由局部放电发展到绝缘 故障往往有一个较长的时期，并不是大型发电机一出现局部放电就一定要求停电检 修。所以，可以利厢先迸技术和数字化设备对运行中的大型发电机进行局部放电的 在线监测，及时取得反映定子绝缘故障特征的各种信号、数据、图像和图形以全面 综合分析，从而对大型发电机定子绝缘的可靠性随时做出诊断，对定子绝缘的寿命 做出预测，并及j i 寸采取措旌避免绝缘缺蹈的扩大，从而减少停电次数，把握“最佳” 维修时机【8 】。 大型发电机定子绝缘局部放电在线模式识别是通过局部放电在线监测系统获 l 华北电力大学硕士学位论文 得大型发电机定子绝缘局部放电的信息【9 1 ，利用计算机代替人对局部放电的放电所 属相、放电类型、放电程度、放电等级、放电位置和放电发生原因等进行分类和判 别，以便进一步判断大型发电机定子绝缘的可靠性，从而减少事故的发生【1 0 1 。 1 1 1 发电机局部放电产生的原因和种类 发电机定子绝缘局部放电是指在电场作用下，定子绝缘系统中只有部分区域发 生放电而没有形成贯穿性放电通道的一种放电。产生局部放电的主要原因是电介质 不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场强度达到击穿场 强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘的特性。大型发电机的绝缘结构比较复杂， 使用的材料多种多样，整个绝缘系统电场分布很不均匀。由于设计和制造工艺上的 不尽完善使绝缘系统中含有气隙，或是在长期运行过程中绝缘受潮，在电场作用下 发生分解产生气体而形成气泡。因为空气的介电常数比绝缘材料的介电常数小，即 使绝缘材料在不太高的电场作用下，气隙气泡部位的场强也会很高，当场强达到一 定值后就会发生局部放电。另外，绝缘内部存在缺陷或混入各种杂质，或者在绝缘 结构中存在某些电气连接不良，都会使局部电场集中，在电场集中的地方就有可能 发生固体绝缘表面放电和悬浮电位放电。 发电机局部放电对定子绝缘结构起着一种侵蚀作用，它对定子绝缘的破坏机理 有以下几个方面【3 】：带电粒子冲击定子绝缘，破坏其分子结构，因而定子绝缘受 到损伤；由于带电离子的撞击作用，使定子绝缘出现局部温度升高，从而易引起 定子绝缘的过热，严重时就会出现碳化；局部放电产生的臭氧及氮的氧化物会侵 蚀定子绝缘，当遇有水分则产生硝酸，对定子绝缘的侵蚀更为剧烈。局部放电的持 续发展会使定子绝缘的劣化损伤逐步扩大，最终使定子绝缘正常寿命缩短，短时绝 缘强度降低，甚至可能使整个绝缘击穿。 从发电机局部放电发生的位置、放电过程和现象来看，局部放电可以分为三种 类型：绝缘内部放电、端部表面放电和槽部放电。 1 ) 绝缘内部放电 大型发电机定子绕组的对地绝缘，大多采用以云母为基材、用环氧树脂浸渍固 化的绝缘结构【l 】。在其制造过程中，如果工艺控制不严格，浸渍不充分，就会在定 子绝缘中留下微小的气泡或气隙：大型发电机在长期的运行过程中，由于受到电、 热、机械应力的联合作用，也会在定子绝缘中产生气泡。因为绝缘材料的介电常数 比空气的介电常数大得多，在外旌电压的作用下，气泡首先被击穿，形成绝缘内部 放电。内部放电的热、化学、机械效应又进一步促使气泡产生和扩大，造成绝缘有 效厚度减少，使击穿电压降低，最终导致整个绝缘层的击穿。 2 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 端部表面放电 大型发电机的绕组端部并头套连接处的绝缘需要手工处理，采用绑扎或压板结 构固定，当大型发电机冷却气体的相对湿度过大，击穿电压大幅度降低时，相间的 总体绝缘强度就可能不足以承受相电压，从而导致相间放电；不同相的线棒之间还 存在固定用的涤玻绳和适形材料，它们容易被漏水漏油污染，从而引起表面滑闪放 电；绕组端部的渐开线部分倘若留存异物，运行中的端部振动使异物和绝缘相互摩 擦而损伤防晕层，或者振动引起固定部件松动也会磨损防晕层，从而引起端部表面 放电。 3 ) 槽部放电 大型发电机槽部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。其闯总有闻隙，且通风槽口处电场分 布不均匀，当局部电场强度达到定数值时，气隙中的气体发生局部电离而产生槽 放电。 槽放电的预防方法主要采用低阻防晕层进行处理。一方面使通风槽口处电场分 布均匀，以降低轴向场强；另一方面，低阻层与槽壁接触处为低电位，将该间隙短 路，防止了电晕的产生。 以上是三种最基本的局部放电形式。此外，大型发电机的定子绝缘中存在水珠、 导电介质和悬浮电位体也会引起局部放电【2 1 。 1 1 2 模式识别的概念、方法和原理 模式识别是指对表征事物或现象的各种形式的( 数值的、文字的和逻辑关系的) 信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程。它是研 究一些自动技术，依靠这些技术，计算机自动地( 或者人进行少量干涉) 把待识别模 式分配到各自所属的模式类中去【】。 模式识别方法主要有两种：统计模式识别方法和结构模式识别方法1 1 。在统 计模式识别方法中，将每个样本用特征参数表示为多维空间中的一个点，根据“物 以类聚”的原理，同类或相似的“样本问距离应该较近，不同类的“样本”间距 离应该较远。这样就可以根据各点间的距离或距离的函数来判别、分类、并利用分 类结果预测未知；结构模式识别是以模式结构信息为对象的识别技术，它是用符号 串来描述模式。 基于统计识别法的模式识别系统主要由五部分组成【7 】：数据获取、预处理、特 征抽取、分类器设计和分类器。如图1 1 。 3 华北电力大学硕士学位论文 客卜至卜l 预处理卜一一特征抽取 - 一一分类器1 分类器设计 一一分类纺果 图1 1 统计识别系统 1 ) 信息获取 为了使计算机能够对客体进行分类识别，必须将客体用计算机所能接受的形式 表示，通过测量、采样和量化，可以用矩阵或向量表示二维图象或一维波形，这就 是信息获取过程。 2 ) 预处理 预处理的目的是去除噪声，加强有用的信息，并对种种因素造成的退化现象进 行复原。常将样本的特征参量表示为多维空间的点，可用矢量表示： x = ( _ ，_ ) ( 1 1 ) 3 ) 特征抽取 由信息获取部分获得的原始数据量一般是相当大的。为了有效地实现分类识 别，要对原始数据进行选择或变换，得到最能反映分类本质的特征，构成特征向量。 这就是特征抽取的过程。实际应用中特征提取过程往往包括：先测试一组直觉上合 理的特征，然后将其减少到数目合适的最佳集。通常，符合上述要求的理想特征是 不易建立的。 4 ) 分类器设计 为了把待识别模式分配到各自的模式类中去，必须设计出一套分类判别规则。 基本作法是：用一定数量的样本( 称为训练样本集) ，确定出一套分类判别规则，使 得按这套分类判别规则对待识别模式进行分类所造成的错误识别率最小或引起的 损失最小。这就是分类器的设计过程。 5 ) 分类器 分类器按已确定的分类判别规则对待识别的各种模式进行分类识别，输出分类 结果。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 大型发电机定子绝缘局部放电在线模式识别的发展现状 自从5 0 年代j o h n s o n 和w a r e n 发现发电机的槽部放电以来【8 1 ，大型发电机定子 绝缘局部放电的检测方面已开展了大量的研究，提出了许多检测方法和模式识别方 法。 1 2 1 发电机局部放电在线监测的研究进展 近年来，国外对大型发电机定子绝缘局部放电的在线监测研究取得了相当大的 进展，并积累了大量成功的运行经验。其技术已经从窄带系统逐渐过渡到宽带系统 甚至超宽带系统，同时成功地将多种技术应用于大型发电机的局部放电在线监测 中。而国内在大型发电机局部放电在线监测方面的研究起步较晚，发展也比较缓慢。 特别是由于局部放电过程比较复杂，到目前理论仍很不完善，给该方面的研究带来 了很大的困难【i o 】。 局部放电统计模式识别系统是大型发电机数字化局部放电在线监测系统的后 续工作，是局部放电在线监测中最后也是最关键的一步。其主要任务是通过对局部 放电信息统计分类，确定放电所属相、放电类型、放电程度、放电等级、放电位置 和放电发生原因，来判断运行的发电机是否存在能导致绝缘故障的绝缘缺陷，缺陷 的严重程度以及缺陷定位，并预测发电机的寿命。 随着人们对大型发电机局部放电在线监测重视程度和期望水平的提高，大型发 电机定子绝缘局部放电在线模式识别的研究逐步深入到一个新的水平。其研究方法 也越来越丰富。主要的研究方法有：神经网络、遗传算法、小波变换、分形理论、 数学形态谱、模糊理论、概率分类法、距离分类法和专家系统。这些方法大大地提 高了局部放电模式识别的精度，但由于大型发电机定子绝缘局部放电与众多的不可 预知因素相关联而带有很大的随机性和复杂性，所以各种方法均有一定的适用场合 和条件，并需要不断的改进和完善【1 2 珈】。 目前，人工神经网络在大型发电机定子绝缘局部放电模式识别中应用最为广 泛。它是最近发展起来的十分热门的交叉学科，它涉及生物、电子、计算机、数学 和物理等学科，有非常广泛的应用背景，这门学科的发展对目前和未来科学技术的 发展将有重要的影响【8 1 。 事实上，应用神经网络进行大型发电机定子绝缘局部放电模式识别已经成为 种新的趋势。神经网络属于“非参数方法。它能够自动提取放电信息，并且能够 对这些放电信息进行分类或聚类，实现专家分析的功能。它只需要对所要分类的数 据作一定的预处理，而不需要对数据结构作任何假设。 5 华北电力大学硕十学位论文 在识别发电机局部放电方面，用于分类目的的神经网络最常用的有 b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 网络f 2 ，k o h ( k o h o n e ns e i f - o r g a n i z i n gm a p ) 网络，l v q ( 1 e a m i n g v e c t o rq u a n t i z a t i o n ) 网络【2 2 1 。其中b p 神经网络已经能够完全适用于局部放电模式识 别，网络各层的神经元数对训练时间和数据存储量有影响，识别结果主要取决于输 入向量的构成。因此，研究如何提取特征量来构成神经网络的输入向量至关重要瞄j 。 1 2 2 发电机局部放电模式识别特征量的提取方法 由于大型发电机定子绝缘的局部放电信号是脉冲信号，采集局部放电信号的频 率很高，采样周期也很长，所以获取的数据量是很大的。如果用这些数据直接对放 电信号进行识别，是不现实的，困难很大。因此提取局部放电特征是一项十分重要 的工作。局部放电是一个快速暂态的随机过程，测得的局部放电信号有很大的随机 性，所以通过统计学的观点来研究局部放电现象已成为近年来的发展趋势。对局部 放电统计特性的研究，以及电子技术的飞速发展和电子计算机的广泛应用，都大大 地推动了计算机辅助测量系统的发展。计算机辅助测量系统与传统的测量方法相结 合，将测得的局部放电信号经放大，滤波后进行d 转换，将模拟量转换成数字量 后送入计算机进行数据处理和分析f 7 1 。 目前，发电机局部放电的特征参数主要有以下几类： 1 ) 三维9 一q 一珂谱图 文献【2 3 】- 【2 4 】采用三维谱图提取放电指纹特征，并用人工神经网络来识别不同 的放电类型及放电发生的程度。 2 ) 极性放电的g 一嚣谱图 文献 2 5 】分析了发电机局部放电的极性与放电类型的关系，指出可以通过不同类型 放电的正负极性g 一以谱图的不同特点判定其放电类型。文献【2 5 】还给出了提取发电 机局部放电极性信息的方法。 3 ) 放电统计特征参数 文献【2 6 卜【2 9 研究了局部放电二维谱图的统计特性，文献 3 0 】 3 4 】对放电脉冲 幅值分布进行w e i b u l l 分析，将得到的统计参数作为人工神经网络的输入，从而实 现大型发电机局部放电的模式识别。研究了局部放电脉冲幅值分布的统计特性，证 实了单一放电的幅值分布符合两参数w e i b u l l 分布，混合放电的幅值分布符合混合 w e i b u l l 分布。w d b u l l 参数值与发生的局部放电现象有内在联系，用w e i b u l l 参数 值a 和b 作为样本形成特征库，可以识别不同的放电源。估计w e i b u l l 参数值的方 法有图估法、矩法、极大似然法以及最小二乘法等等。 6 华北电力大学硕十学位论文 4 ) 分形特征参数 文献【2 6 】将分维数、空缺率与威布尔分布参数作为局部放电识别特征参数，正 确识别了3 种人工放电模型分别在3 个试验电压下的放电类型；文献【3 5 】采用乜。( ) 分布的分维数，正确区分了5 种人造缺陷放电类型：文献 3 6 】采用g 矽平面上的散 点图的分维数和空缺率分形特征对发电机线棒缺陷进行识别；文献 3 7 】将分形特征 引入局部放电模式识别研究中，采用分维数和空缺率两个分形特征能够区分人造1 0 种缺陷，并成功识别出己使用2 0 年的1 7 k v 三相电缆终端存在沿面放电缺陷。 5 ) 波形特征参数 由于不同类型放电的脉冲波形会有差异，脉冲峰值不同，所以可提取其特征作 为网络输入。在尽可能真实地取碍放电脉冲电流波形后，文献【3 8 】将每次采集放电 脉冲时得到2 5 0 0 个数据点，在经过干扰抑制、数据归一化后，剔除数据序列前后 两端的零值冗余数据，再采用时域数据分段压缩技术进行数据压缩，形成包含l o o 个特征量的样本。结果表明是有效的。 提取局部放电脉冲波形特征可以用脉冲波形的自相关模型参数作为网络输入， 也有用放电量、脉冲上升时间、脉冲下降时间、波形面积、放电量与波形持续时间 的乘积、放电量这6 个特征作为网络输入量。文献【3 9 】采用自回归模型( a r ) 参数作 为波形特征量，a r 模型是根据波形模拟均方误差为最小原则建立的。a r 模型系数 的求解方法很多，有自相关求解法，改进的自相关法，协方差法，b u r g 方法等等。 结果表明由a r 模型得到的一组描述放电波形的系数，在一定程度上能反映波形的 特征，可以作为神经网络的输入量。但由于局部放电的复杂性，以及某些类放电波 形的相似性，单单用a r 模型系数作为特征量会导致对某些放电的识别率不高。 6 ) 图象矩特征参数 图象识别的概念可以引入到局部放电的模式识别中来。将局部放电中的 以( g ，) 模式图谱，投影在妒一g 二维平面上，即为日。( g ，妒) 灰度图象。文献 4 0 】介绍 了以图象模式识别中常用的描述图象基本几何特征的矩特征描述局部放电以( g ，矽) 灰度图象的方法，采用4 阶及以下中心矩( 除去1 阶中心矩) 以及灰度中心坐标成功 识别了电机线棒中的人造缺陷放电类型。 7 ) 小波理论 文献【4 l 】将小波理论应用于局部放电信号的特征分析，其研究结果表明，随着 放电量的增大，小波变换的图谱分布由高频区移向低频区，同时低频分量的时延亦 增大，可应用于绝缘在线监测。 可以应用结合分形理论的小波分析技术对局部放电信号进行分析。先将局部放 7 华北电力大学硕十学位论文 电信号进行小波包分解，使信号变为各个频段的信号，然后计算各个频段信号的分 维数，并通过分维数的变化，来量化分析信号的特征。这样，得到各频段的放电信 号的分形特征。文献【4 2 】研究了小波理论与分形理论的互补性，从局部放电信号小 波分解后的能量谱图提取放电特征，用于局部放电模式识别。其得出的结论是将局 部放电信号的逼近能量谱和精细结构能量谱的分形维数作为局部放电模式特征，能 够有效地应用于局部放电的模式识别中。 1 3 本论文研究内容 从上述对国内外大型发电机局部放电在线监测和模式识别特征量提取方法的 介绍和分析中，可以看出要能很有效的对发电机定子绝缘进行在线监测，必须对引 起定子绝缘缺陷和故障的局部放电进行在线监测，同时要对得到的局部放电信息在 线进行深入分析，这就要对发电机定子绝缘局部放电进行在线模式识别。基于上述 原因，本论文的研究内容有： 1 ) 深入分析发电机定子绝缘局部放电的放电机理，建立发电机局部放电的理 想数学模型，并根据模型设计模式识别分类器的样本。 2 ) 结合大型发电机运行时局部放电信号中的噪声干扰特点，利用已有的抗干 扰算法，采用分层抗干扰的方法，去除干扰，以实现发电机局部放电数据的预处理， 并提取可用于在线模式识别的统计谱图和统计参量。 3 ) 设计可用于发电机局部放电在线模式识别的分类器。 4 ) 开发基于虚拟仪器的大型发电机定子绝缘局部放电在线模式识别系统。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章发电机局部放电放电机理分析和数学模型建立 2 1 发电机局部放电的基本表征参量 下述为发电机局部放电的8 个基本表征参量，视在放电电荷g 口和放电重复率n 是描述发电机局部放电最基本的表征参量，其它6 个参量都可以由这两个参量得到。 视在放电电荷9 。；定义：在绝缘体中发生局部放电时绝缘体上施加电压的两 端出现的脉动电荷量。视在放电量g 。是实际放电电荷量在整体绝缘件上所产生的脉 冲电压“与整体绝缘电容c 的乘积，g 。血c ；单位( p c ) 放电重复率n ；定义：平均每秒钟的放电脉冲数。设l 4 工频周期放电次数 为i 次，则f = 万胛2 ，其中f 为工频；单位( 次秒) 放电能量矿；定义：在一次放电中所消耗的能量。形吼2 ，其中， 为放电体击穿电压；单位( j ) 放电的平均电流i ；定义：在一定时问间隔t 内，视在放电电荷绝对值的总 和除以时间间隔t 。当吼为c ，t 为s 时，j = | g 口，l r ；单位( a ) 放电的均方率d ；定义：在一定时间间隔t 内，视在放电电荷的平方和除以 时间间隔t 。当吼为c ，t 为s 时，d = g 三r ；单位( c 2 j ) 放电功率p ；定义：在一定时间内，视在放电电荷与相应的放电体两端电压 的瞬时值u 的乘积除以时间间隔t ，p = 9 。，吩r ；单位( w ) 起始放电电压弘；定义：当外加电压逐渐上升，达到能观察到局部放电时的 最低电压；单位( v ) 放电熄灭电压玩；定义：当外加电压逐渐降低到观察不到局部放电时，外加 电压的最高值；单位( v ) 2 2 发电机局部放电的理想数学模型 2 2 1 绝缘内部放电的等效电路 由于发电机定子绕组对地绝缘中含有微小气泡或气隙，绝缘在对地电压作用 下，气泡被击穿，形成绝缘内部放电。内部放电主要形式：辉光放电；具有陡 峭上升沿的火花放电；介于辉光放电和火花放电之间的亚辉光放电。绝缘体内部 气隙放电可以等效为一平板电容器的固体介质内部气泡的放电。其等效模型如图 2 一l 所示，用气泡的等效电阻足与电容e ，气泡与介质串联部分的等效电阻咒及电 9 华北电力大学硕士学位论文 容g 以及其他部分介质的等效电阻咒和电容e 组成串并联电路。 图2 1 绝缘内部放电等效电路图 由于气泡中每次放电时间都很短暂，放电产生的脉冲频率是很高的，所以，分 析时忽略电阻，只考虑由c c 、g 、c 口组成的等效电路。则整体绝缘电容为 c ：睾妥+ 乞 ( 2 1 ) c c + g 4、 。 视在放电量9 4 是实际放电电荷量在整体绝缘件上所产生的脉冲电压“与整体 绝缘电容c 的乘积，即 吼幽c 2 2 2 放电过程分析及模型建立 图2 2 是工频一周期的内部放电过程。 一_ ： 冀 砂飞k 卢飞 、x i 、= ，、 x，、- 7 t。 + ，一， ( 2 2 ) 图2 2 绝缘内部放电过程示意图 图中为施加于定子绝缘的对地电压； = s i n ( 耐+ 伊) ( 2 - 3 ) 为放电时产生的反向电压； ，为气泡两端电压；“拈为气泡的击穿电压；“p 为放 电产生的脉冲电压即血。 假设放电n 次，由放电产生的空间电荷建立的内部电压为吲； 假设每次放电建立的内部电压都大小相等，均为厶据，； 1 0 华北电力大学硕士学位论文 假设放电具有瞬时性，放电产生的脉冲电压为一冲击函数万( f ) 。 电压咄也瞬时建立。 在工频电压的前1 4 周期，当 咋2 丧曲 时，气泡开始第一次放电；第一次放电后， 哆= “臼一，坼 “臼 放电停止，气泡电压“，随扰。变化而变化。 咋= 毛s i n ( 耐t 卅，i = 矗乩 “，对时间t 求导，得到 t = 墨国c o s ( 彩乇+ 缈) 第二次放电开始时， “。丘一缸。+ “：= “。= 毛c o s ( 缈乞+ 缈) 假定第一次放电累积的电荷没有泄露掉， 二次放电后，气泡中的内部电压变为一2 缸。 砟2 一2 幽。，坼 放电停止，气泡电压“，又随变化而变化。第三次放电开始时， “以一2 + “：= “抬 2 心= 毛缈c o s ( 鸭+ 矽) 假定前1 愆周期共放电i 次， 必峨= 毛国c o s ( 咄+ 纠 这样，内部 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 设放电脉冲电压与放电后建立的内部电压具有比例关系： 则 咋= 地= 竽c o s ( 吐+ 纠 ( 2 - 1 4 ) 吃慷帝娜e 啦埘旧刎 亿 n 为放电重复率，f 为工频。上式即为绝缘内部放电在工频电压的前l 4 周期的等 效数学模型。因为放电主要出现在“幅值的绝对值上升部分的相位上，所以设2 4 周期时，放电为零。而且，正负半周放电脉冲的幅值的绝对值，放电次数大致相同， 相位对称，所以设3 膳周期放电等效数学模型与l 4 周期相同。4 4 周期与2 4 周期 一样为零。 假设工频周期为t ，则 乞 陋+ e 浮一( 刊 0 一暖+ g 净一( 训 0 o 芝 麓陋主刎 倍 42 fz ：毛2 3 三删1( 2 - 1 6 ) ! 趣 z 。 墨灯 上式即为理想情况下的绝缘内部放电的等效数学模型。 实际中，内部放电的单个脉冲并不是冲击函数，它脉冲的上升沿约为1 4 5 n s ， 下降沿约为2 2 5 n s 。单个放电脉冲接近于三角形脉冲，其电压脉冲的表达式为 ( f ) = 盟( f + f ) 一f t o f 堡( 甜t ) o t r f 式中，u 为局部放电电压脉冲的峰值；f 为三角波脉冲宽度为一半的时间。 2 2 3 槽部放电模型 ( 2 1 7 ) 由于线圈槽部表面不能和铁芯槽壁完全接触，线圈主绝缘表面和铁芯槽壁之间 华北电力大学硕士学位论文 的发生的放电为槽部放电。槽放电的特点是在心的正半周放电量大且次数多；而负 半周放电量小且次数少。设正半周放电次数为n 。，平均最大放电量为吼；负半周放 电次数为n ：，平均最大放电量为吼：n 约是n ：的2 5 倍，g 。约是q ：的3 倍。它的放 电机理与内部放电大致相同，其等效数学模型为 陋+ g 浮一( 吒+ 动。 l o辜弓 铲1 馁+ e 片一( 吱+ 功丢碍 | o孥 ! 匿f n 2 。 再i f n 5 。 ( 2 1 8 ) 而它单个脉冲的上升沿约为1 5 o n s ，下降沿为约1 9 o n s 。单个放电脉冲接近于高斯 脉冲，其电压脉冲的表达式为 f 2 “( f ) = e 2 盯2 式中，吼为电压脉冲峰值，盯为决定脉冲宽度的常数。 2 2 4 端部表面放电模型 ( 2 1 9 ) 定子绕组端部并头套连接处的防晕层被破坏，引起端部表面放电。表面放电的 特点是在心的正半周放电量大且放电次数少；而负半周放电量小且放电次数多。这 与槽放电正好相反。n ：约是n 的2 5 倍。g 。约是g ：的3 倍。它的放电机理与内部放 电也大致相同，其等效数学模型为 f 曛+ 睛一( 吒+ d 。 酗刊篓墨割亿捌 铲1 馁+ e 片一( 吱+ 功乏碍l 啦 圳 q 乏 i o孚阿 而它单个脉冲的上升沿约为4 n s ，下降沿约为1 8 8 n s 。单个放电脉冲接近于指数衰减 1 3 3 3 乏 z 二- 扣，与 = i i ，一h 忆、 华北电力大学硕士学位论文 脉冲，其电压脉冲的表达式为 “( f ) = e 叫行 式中玑为局部放电电压脉冲的幅值，f 为指数衰减函数的时间常数。 2 2 5 各类放电的仿真分析 ( 2 2 1 ) 根据所建立的理想模型进行m a t l a b 仿真。仿真时，模型中的常量取试验值， 并设时间延迟为o ，一周期放电量范围为 - l o o o p c ，3 0 0 0 p c 】，半周期的放电次数范 围为 8 次，4 4 次】，仿真结果如图所示。 图2 3 绝缘内部放电仿真时域图 图2 4 槽部放电仿真时域图 图2 5 端部表面放电仿真时域图 仿真所得到的各类放电的时域波形图都有一个很明显的包络线，它是连接每次 放电脉冲的峰值所形成的。包络线近似于横向或纵向拉长的余弦函数曲线，存在于 前l 4 周期和3 4 周期。前1 4 周期包络线的起始点是第一次出现正极性放电脉冲 的峰值点，而前3 4 周期包络线的起始点是第一次出现负极性放电脉冲的峰值点。 这与放电的发生机理是相吻合的。但是在根据所建立的等效数学模型确定第一次放 电脉冲的相位后，脉冲的峰值点相对于定子对地绝缘电压的初相位却很难确定。这 主要是因为影响单个放电脉冲上升时间的因素不是很明确，有待建立精确的多参数 1 4 华北电力大学硕士学位论文 的单个放电脉冲模型来解决这一问题。 2 2 6 样本设计 上述只是理想情况下的各类放电的模型，有太多的因素忽略掉了，所以并不实 用；而要通过这样的模型来设计与大型发电机局部放电在线监测所采集的局部放电 数据相类似的各类放电样本，必须考虑的因素有： 定子绝缘局部放电的放电阻抗的变化 从定子对地绝缘电压的过零点到首次出现放电脉冲的延迟时间 大型发电机运行时放电脉冲沿线棒传播后的衰减和振荡 大型发电机定子绝缘局部放电在线监测系统的采样频率 所采集的局部放电信号中存在的各种干扰信号 描述放电量大小的视在放电电荷量吼因定子绝缘放电阻抗的变化而不实用。实 际中，通常以单次放电脉冲的电压幅值来描述每次放电量的大小。而且，大型发电 机定子绝缘局部放电在线监测系统所采集到的数据是一组放电相位和放电电压的 数据对，所以样本的类型也应该是放电相位和放电电压的数据对，其放电电压幅值 范围为 - l v ，1 v 】；假定从定子绝缘放电发生处到局部放电采集处的线棒长度范围 为 1 m ，l o o m 】，局部放电信号以光速( 即3 10 8 i n s ) 沿线棒传播时，样本的延迟时间范 围大约为 3 3 n s ，3 3 3 3 n s 】；绝缘内部放电和槽放电单个脉冲的持续时间范围为 【3 0 n s ，4 0 n s 】，端部表面放电单个脉冲的持续时间范围为【1 9 0 n s ，2 0 0 n s 】，假定单个脉冲 的衰减率范围为【l o ，9 0 】，畸变率范围为 2 0 ，8 0 】，则绝缘内部放电样本和 槽放电样本单个脉冲的持续时间范围 3 n s ，3 6 n s 】，端部表面放电样本单个脉冲的持续 时间范围【1 9 n s ，1 8 0 n s 】，一周期放电电压绝对值最大值范围【o 2 v o 8 v 】；假定大型发电 机定子绝缘局部放电在线监测系统的采样频率为2 m h z ，一周期采样点数4 0 0 0 0 ： 至于有效去除发电机局部放电信号中的干扰信号，本节不作过多分析，将在下一章 深入讨论。 下面将分3 步设计不同类型放电的样本。 1 ) 由理想模型初步设计样本 设样本总数量为l o o o ，其中测试样本1 0 0 ，每类放电的训练样本3 0 0 ；设一周 期样本点数为4 0 0 ，样本点在上述放电范围内，按各类放电模型的规律变化。 2 ) 根据最小二乘法得到曲线分段拟合公式： 实际上，发电机局部放电在线监测系统所采集的局部放电单个脉冲的发生有 华北电力大学硕士学位论文 很强的随机性，符合一定的随机性原理， o 0 5 m s 的邻域内做符合放电条件的散点， 3 3 个点为一组。 所以可以在每个样本点的横坐标宽度为 每个样本点附近取9 9 个点，分成3 组， 将每一组进行曲线拟合，拟合原理采用最小二乘法，最小二乘法是通过最小化 误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。这样，每个样本点处将得到3 个曲线 拟合公式，一周期将有1 2 0 0 个。 3 ) 由拟合公式细化样本点数 连接这4 0 0 个样本点左右的拟合公式，得到样本点的真实值；根据拟合公式计 算出放电一周期中，放电相位从o 度到3 6 0 度且每隔o 0 0 9 度所对应的放电电压幅 值大小，这样，就得到了4 0 0 0 0 组放电电压和放电相位的数据对。 2 3 本章小结 这一章主要是从大型发电机定子绝缘局部放电的放电机理出发，推导三类基本 放电的理想数学模型，并分析影响大型发电机定子绝缘局部放电在线监测的各种因 素；通过模型的建立和发电机局部放电在线监测实际条件的综合考虑，设计可用于 大型发电机定子绝缘局部放电在线模式识别的样本。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章发电机局部放电在线监测系统的数据预处理 大型发电机定子绝缘局部放电在线监测系统所采集的局部放电数据不能直接 用来分析它的统计特性，以提取在线模式识别的统计特征量。因为在所采集的局部 放电信号中存在着大量的干扰信号。这些干扰信号的存在，也严重影响了大型发电 机定子绝缘局部放电在线监测的可靠性和灵敏度。因此，有效削弱和抑制干扰既是 提高局部放电在线监测效果的重要保证，更是进行局部放电在线模式识别的先决条 件。 在基于脉冲电流法( e r a 法) 采集的局部放电信号中，含有大量的干扰信号，这 些干扰按时域特征可大致分为4 类： 背景噪声( 白噪声) ；其幅值较小，周期性出现并在一定范围变化，分布密集； 可以通过设定门限值去除。 窄带干扰；诸如工频及其谐波，电力载波和高频振荡干扰等，它是低频系统 中的主要干扰；可以利用联合时频分析区分出窄带干扰的主要频率段，将其去除。 周期性脉冲干扰；一般出现在固定相位，诸如可控硅，周期性火花放电干扰 等；可用相域开窗技术或小波包分解的方法剔除。 随机性脉冲型干扰；与局部放电信号有相似的特征，很难滤除；可通过限制 放电电量和放电电压范围，并利用极性和时延鉴别等法去除。 这些干扰信号，只依靠硬件抗干扰方法很难将其去除，需要进一步采取软件抗 干扰措旌。文献【4 3 】【4 7 】表明要区分不同的干扰类型，根据不同类型的干扰的特点 采用不同的抗干扰算法，分层抗干扰。 3 。l 主要抗干扰算法 3 1 1 陕速傅立叶变换算法 傅立叶变换揭示了信号时域特性和频域特性之间的内在联系。但是傅立叶变换 的计算量很大，快速傅立叶变换( f f t ) 是离散傅立叶变换的一种快速算法。设x ( n ) 是 一个长度为m 的有限长序列，则x ( n ) 的n 点离散傅立叶变换( d f t ) 为： n l x ( k ) = x ( n ) 噼，k = o ，1 n l ( 3 - 1 ) n = o 式中，w n = p 伽川，称为旋转因子或蝶形因子。w n 具有周期性和对称性，利用它可 1 7 华北电力大学硕士学位论文 以使长序列d f t 分解为短序列d f t ，从而提高了效率。这就是f f t 的基本原理。 3 1 2 小波算法 1 )小波变换 设甲( f ) 为一复变函数，且傅立叶变换满足 q = r i 吲2 等 2 ) 小波阈值法 小波阈值法去噪过程一般有三个步骤： 分解过程：选定一种小波，对信号进行层小波分解： 作用阈值过程：对分解得到的各层系数选择一个阈值，并对细节系数用软阈 值处理； 重建过程：将处理后的系数通过小波重建恢复原始信号。 3 ) 小波包变换 相对于小波变换而言，小波包变换具有更好的时频特性，它对信号的低频部分 与高频部分同时进行小波分解，对信号进行更精细的频率分析。函数 虬( 万= 2 ，或2 ，+ 1 ，= o ，1 ，) 关于正交尺度函数( x ) 的小波包为： ，殳 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 6 ) 设彳，厂( x ) 是函数厂( x ) 在分辨率为2 7 的小波包的近似，在实际应用中，正交 小波包的分解与重构算法为： 3 2 分层抗干扰 鬈厂( x ) = 眠( 2 x 一后) 七 蹦。= p h ，s 茄+ 吼划s 基u il ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 分层抗干扰的基本步骤如图3 1 所示。 去除低频窄带干扰；所采集的局部放电信号的时域波形经f f t 后，得到信号 的频域图，划分窄带干扰的频率范围并根据它确定原信号小波分解的层数，去掉近 似信号，保留高频信号并加和。 去除白噪声；比较文献【4 6 】和文献【4 7 】的去噪效果，采用与局部放电脉冲十 分近似的m e y e r 小波，对选取的高频信号分解，用软阈值法处理后重构。小波阈值 的大小可根据通过示波器现场测试得到的背景噪声的大小来确定。 去除高频周期性窄带干扰；对阈值去噪后的信号进行小波包分解，以每个小 波包分解尺度的非零系数为目标函数，以门阀函数为优选指标来搜寻最优小波包 基；在小波包变换上面空间中，非零系数最少的小波系数为局部放电信号，而下面 空间中非零系数最少的小波系数为高频周期性窄带干扰信号，所以，将下面空间的 小波系数置零并进行小波包重构，去除窄带干扰。 去除随机性干扰；按文献【4 8 】给出的结果，对重构后的信号定义有效相位窗 口，正极性放电的放电相位范围为【1 4 4 度，3 1 0 度】，负极性放电的放电相位范围为 【3 2 4 度，1 3 0 度】；根据离线局部放电试验和现场运行经验定义有效放电电压范围 1 9 、- 、 七 石， 2 ， d 纵 g p j “ 沙 沙 l ， 七 砖 如 以 卜 卜 h h q 一 2 缈 七 刍 蹦 p =、， 掣 妙 妙 华北电力大学硕士学位论文 【1 v l v 】；将现场2 2 0 v 交流电信号和局部放电信号的时域波形比较，作时延鉴别。 最后，得到去干扰后的局部放电信号。 3 3 抗干扰前后的比较 图3 1 分层抗干扰 某火电厂发电机组的局部放电在线监测系统采集的局部放电信号如图3 2 中的 所示。该局部放电数据采集系统的数据采集位置在发电机的中性点处，其采样频 率为2 m h z ，一周期采样点数为4 0 0 0 0 。从的时域图中可以看出放电相位每隔6 0 度就有1 个明显的脉冲，一周期有6 个。这是发电机的可控硅器件开断造成的电压 周期性脉冲，其电压幅值范围【3 v ，5 v 】：局部放电信号淹没在大量干扰信号中。 的频域图表明信号频率主要存在于频率相对值【o ，1 8 】和【5 0 ，5 6 】范围内。 按本文上述的抗干扰算法和分层抗干扰方法编制l a b v i e w 程序，信号去干扰 后的结果如图3 2 中的所示。其中，放电电压单位( v ) 2 0 鲴 r ，一一i丫一；一一一一 二 堕 厂叵：蝌，翼 戮一 ；蔼；矗 坶醪未渣前毒书