CN100575978C

CN100575978C - 基于双传感器定向耦合的发电机局部放电在线监测方法

Info

Publication number: CN100575978C
Application number: CN200710018186A
Authority: CN
Inventors: 徐阳; 臧真波; 喇元; 张征平; 冯义; 王凯
Original assignee: TESTING INST GUANGDONG PROV POWER INDUSTRY BUREAU; Xian Jiaotong University
Current assignee: TESTING INST GUANGDONG PROV POWER INDUSTRY BUREAU; Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: CN101086515A; US20100241372A1; WO2009003361A1; US8271213B2

Abstract

本发明公开了一种基于双传感器定向耦合的发电机局部放电在线监测方法，该方法在发电机同一方向母线上，设置2个电容耦合传感器，每个电容耦合传感器串连有检测电阻；局部放电监测系统设置在2个电容耦合传感器之间，由局部放电监测系统鉴别是否为发电机的局部放电信号或者为外部干扰信号，同时通过幅值鉴别把外部干扰信号剔除，保留发电机的局部放电信号，再进行各种数字信号的分析处理。该方法采用双传感器定向耦合并利用软件进行时延、幅值鉴别来消除或者抑制干扰，可以有效测得真实的发电机内部局部放电信号，为评估发电机内部的绝缘状况提供了有效的参考。

Description

基于双传感器定向耦合的发电机局部放电在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种在线监测方法，特别涉及一种基于双传感器定向耦合的发电机局部放电在线监测方法。

背景技术

发电机安全运行是保质供电的前提条件，发电机的故障有很大一部分是由于绝缘故障造成的，因此绝缘状态的在线监测成为电工领域的前沿热点课题之一。

绝缘状态可以有各种特性参数来表征，其中局部放电(PD)是绝缘故障最普遍而且敏感的先兆特征。因为各种绝缘缺陷如分层、开裂、松动、半导电层老化、脱落、高压端污染、受潮，绕组断线，接头接触不良，绝缘老化变脆等等都会出现局部放电(PD)，而且PD又会促使缺陷扩大，进一步恶性循环，加速绝缘老化。因此对于电机的绝缘状态的各种在线监测方法中，人们最为关注的是PD的在线监测。

对运行发电机实施局部放电在线监测面临的最严重的问题是噪声干扰，一般认为影响局部放电测量的干扰噪声源有三种：

a.有发电机输出线引入的来自电力系统的外部噪声。这些噪声信号可能是电力系统中其它电气设备内放电产生的，也可能是输电线从外界耦合来得杂乱干扰。

b.通过电容电感耦合，来自转子直流励磁的高频干扰。这些干扰噪声可能源于励磁的可控硅、轴电势、电刷电弧或是通过刷端传过来的电厂内其它设备产生的高饶噪声。

c.通过发电机定子外壳耦合引入的外界干扰。虽然发电机定子外壳有接点，但它并非是一等电位体，因此外界干扰信号可由外壳与铁芯传到定子绕组。

这些干扰会通过电网系统的母线、地线及空间传输到监测过程中使用的测试系统，而PD的信号很微弱而且频域很宽，因此必须剔除或者抑制这些干扰，使之大大小于放电信号，才能测得真正放电信号，多年来人们都在努力的解决这个关键的技术难题。

自20世纪50年代以来，围绕大型发电机局部放电在线监测，已开展了大量的基础研究与应用开发工作，使该项技术有了很大的发展，截至目前已有多种方法应用于实际工程中。大型发电机局部放电的监测主要有以下几种方法：中性点耦合监测法、射频监测法、PDA监测法和定子槽耦合法。由于汽轮发电机定子绕组的结构不同于发电机，所以定子槽耦合法经常应用于汽轮发电机，而PDA监测法目前则主要应用于发电机的局部放电在线监测。

上述列举的几种在线检测方法，对不同噪声源的噪声抑制效果不一样，例如PDA监测法对第1类噪声有最好的抑制效果，而便携式电容耦合监测法则对第2、3类噪声有较好的识别能力和抑制效果。总之，任何一种成功的在线监测技术必须能可靠地从强噪声背景下提取放电信号，这是该技术能否成功应用的关键。

发明内容

针对目前电力系统中对发电机局部放电在线监测技术中存在的放电信号采样频率低，抗干扰效果差等不足，本发明旨在提供一种基于双传感器定向耦合的发电机局部放电在线监测抗干扰方法，该方法采用双传感器定向耦合并利用软件进行时延、幅值鉴别来消除或者抑制干扰，可以有效测得真实的发电机内部局部放电信号，为评估发电机内部的绝缘状况提供了有效的参考。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种发电机局部放电在线监测方法，其特征在于，该方法采用双传感器定向耦合脉冲进行时延、幅值鉴别，并利用局部放电监测系统的软件消除或者抑制电网传入的干扰信号，具体包括下列步骤：

1)在发电机同一方向母线上，设置2个电容耦合传感器S₁和S₂，其中电容耦合传感器S₁靠近发电机绕组的高压端，电容耦合传感器S₂的位置与电容耦合传感器S₁相隔距离为L；每个电容耦合传感器串连有检测电阻；

2)将局部放电监测系统设置在2个电容耦合传感器S₁和S₂之间，该局部放电监测系统的一端与电容耦合传感器S₁采用长度为L₁的信号电缆连接，其另一端与电容耦合传感器S₂采用长度为L₂信号电缆连接，并满足：

\frac{L}{V_{b}} + \frac{L_{1}}{V_{c}} = \frac{L_{2}}{V_{c}}

或0.65L+L₁＝L₂

式中，V_b表示信号在母线中传播的速度，V_c表示信号在信号电缆中传播的速度，且

\frac{V_{c}}{V_{b}} = 0.65;

3)对于从电网进入的干扰脉冲的一路脉冲信号先到达传感器S₂，再经信号电缆L₂输入局部放电监测系统，另一路脉冲则先经过发电机母线L，再经信号电缆L₁到达局部放电监测系统，两路信号基本同时到达；

4)而对于发电机的局部放电脉冲信号，一路信号先到达传感器S₁后，再经过长度为L₁的信号电缆输入局部放电监测系统，另一路脉冲信号经过L长度母线后，再经过长度L₂的信号电缆到局部放电监测系统，两路信号有明显的时延Δt，通过试验选定基准值Δt₀；

5)当信号时延满足Δt＞Δt₀时，局部放电监测系统鉴别为发电机的局部放电信号；当Δt＜Δt₀时，则局部放电监测系统鉴别为外部干扰信号；同时通过幅值鉴别把外部干扰信号剔除，保留发电机的局部放电信号，再进行各种数字信号的分析处理。

采用本发明的方法进行发电机局部放电在线监测，可以有效的剔除或抑制来自发电机外部的各种干扰，真实的测得发电机内部局部放电信号，为评估发电机内部的绝缘状况提供了有效的参考。

附图说明

图1定向耦合法结构图；

图2是注入信号，其中图2a是近端注入信号，图2-b远端注入信号；

图3是校正脉冲测试线路；

图4是方波模拟放电信号效果图谱，其中a)是近端及远端信号图谱，b)是展开单脉冲分析图谱，c)是鉴别后效果图谱；

图5是方波模拟干扰信号效果图；a)是近端及远端信号图谱，b)是展开单脉冲分析图谱，c)是鉴别后效果图谱；

图6是实际放电的抗干扰效果验证试验原理图；其中C：模拟发电机入口电容Cx：有表面放电的电机线棒(模拟放电源或干扰源)；

图7是线棒模拟外部干扰效果图，其中(a)近端单周期原始信号，(b)远端单周期原始信号，(c)近端单个脉冲波形图，(d)远端单个脉冲波形图，(e)单周期鉴别效果图；

图8是线棒模拟放电效果图，其中：(a)近端单周期原始信号，(b)远端单周期原始信号，(c)近端单个脉冲波形图，(d)远端单个脉冲波形图，(e)单周期鉴别效果图；

图9是脉冲传输时间延迟试验接线图；

图10是调整电缆后脉冲延时效果图，其中a)调整电缆后从近端1处注入方波得到的信号，b)调整电缆后从远端2处注入方波得到的信号；

图11是现场抗干扰测试示意图；

图12是系统测量干扰图，其中a)近端传感器信号；b)远端传感器信号；c)软件鉴别效果；

图13是局部放电监测系统中的双三选一电路原理图；

图14是局部放电监测系统中的电源控制电路图；

图15是局部放电监测系统中的测量控制方案流程图。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

1.定向耦合为主，辅以其他方法

各种干扰按其时域频域特性来分，可分为窄带(或单频率)和宽带两种，宽带又可分为周期性脉冲和随机性脉冲，其中最难克服的是后者，这种干扰主要是从电网(母线)传入的，本发明首先是采用双传感器定向耦合、脉冲时延及幅值鉴别方法来识别、剔除这种干扰，同时也综合采用设置动态阈值、滤波及开相位窗等方法来抑制其他干扰。

2.定向耦合方法的原理

双传感器定向耦合脉冲进行时延鉴别、幅值鉴别抗干扰方法的原理是：在同一向母线上装置2个电容耦合传感器S₁和S₂，一个设置在靠近发电机绕组的高压端(近端)另一个是设置在与其相距L(m)的位置(远端)。对于从电网进入的干扰脉冲一路脉冲信号先到达远端传感器S₂再经信号电缆L₂输入局部放电监测系统(图1的PD监测系统)，另一路脉冲则先经过发电机母线L再经信号电缆L₁到达局部放电监测系统，如图1所示，而发电机的PD脉冲是一路信号先到达近端传感器S₁后再经过信号电缆L₁输入监测系统PD，另一路脉冲信号经过母线L再经过信号电缆L₂到达监测系统PD。选择适当的L、L₁和L₂，使之满足：

\frac{L}{V_{b}} + \frac{L_{1}}{V_{c}} = \frac{L_{2}}{V_{c}},

或0.65L+L₁＝L₂，

(\frac{V_{c}}{V_{b}} = 0.65)

V_b表示信号在母线中传播的速度。V_c表示信号在信号电缆中传播的速度。对于干扰脉冲，两路信号基本上是同时到达监测系统PD。见图2-a；而对于放电脉冲，两路信号有明显的时延Δt，见图2-b。由于测量频带很宽，时延可测到ns级，通过实验可选定基准值Δt₀，当信号时延满足Δt＞Δt₀时，则鉴别为放电信号；当Δt＜Δt₀时，则鉴别为外部干扰信号。其中L、L₁、L₂及Δt₀可先从理论上估计，再从现场实测确定。

幅值鉴别是根据高频信号在传输过程中会发生明显的衰减，对于来自发电机内部的放电脉冲，近端传输距离要比远端距离短的多，因此从近端传感器到达的信号幅值要比远端的大得多，见图2-a；但对于外来的干扰脉冲，分别通过近、远端传感器到达监测系统的两路信号传输的距离相差不大，因此幅值差别也不大，见图2-b。因此通过幅值鉴别也可以把干扰剔除，而同时采用时延及幅值鉴别可以进一步提高测量结果的可靠性。

3.定向耦合法的技术要点

(1)甚高频测试系统带宽10M～100MHZ，脉冲响应好(脉冲首波能被识别)。

(2)高压陶瓷电容耦合传感器能够隔离工频高压，传递甚高频信号，阻抗匹配有安全保护。

(3)通过软件算法，能对测得的两路对应的同极性脉冲进行时延、幅值鉴别，并保留放电信号，在进行各种数字信号的分析处理。

四、本发明的验证

1.实验室验证

(1)校正脉冲测试

选取0.22μF电容模拟发电机入口等效电容，用铜线模拟发电机每相出线端母线，如图3所示，采用以下模拟线路进行测试：

上图中用电容C(0.22μF)模拟发电机一相入口电容，C1、C2为高压耦合电容器，R1、R2为100Ω检测阻抗，两路同轴屏蔽电缆从检测阻抗一端引入系统；校正方波(60ns、100Hz)分别从1和2处注入，分别模拟来自发电机内部的放电和来自外部的电力系统干扰。调整两个耦合电容器之间铜线的距离L和从检测阻抗到PDM型系统同轴电缆的距离L1、L2。使得从2处注入的校正脉冲，信号经过两路耦合能够几乎同时到达系统(小于10ns)。而从1处注入的校正脉冲时，两路信号到达系统的时间相差约为60ns(波形基本一致)。

测试结果如下：

a.近端注入方波(100Hz)-方波模拟放电信号：

b.远端注入方波(100Hz)-方波模拟干扰信号：

测得的波形图4、图5说明，测量系统对于经母线外来的电力系统的脉冲型干扰可以有效剔除，对于发电机内部局部放电脉冲可以有效捕获。同时也可以看到，近端注入方波时，近端幅值大约是远端幅值的3倍；远端注入时，两端幅值相近。

(2)用实际放电源试验

为了进一步验证该方法的可行性，在实验室用实际放电源，采用图6所示线路图，对该系统的抗干扰效果进行进一步的验证。

当放电源Cx接在①端时，就用来模拟发电机定子绝缘的局部放电；将放电源置于②端时，则可以用来模拟外部系统侧的随机脉冲型干扰。根据两路信号到达系统的时延和幅值的差别来去除干扰，提取放电信号。测得对干扰模拟的结果如图7所示，对于放电信号测得的结果如图8。

从图7可以看出，当放电源位于远端时，工频的单周期图及其单脉冲时域展开图均可以看出近端传感器耦合到脉冲的幅值较远端传感器耦合到的模拟干扰小，抽取一对脉冲在时域展开的单脉冲波形图，可以看到两传感器耦合到的脉冲几乎同时到达，通过时间延迟逻辑判断，属于干扰，可以有效地将其去除。

对于图8所测的传感器近端来的模拟线棒放电，其时域展开图可明显的看出，两通道的信号具有较大的时间延迟。通过软件程序进行鉴别，可以将有效的放电信号得以保留。

2.现场验证

(1)校正脉冲

如图9所示，分别从近远端注入脉冲方波，从示波器观察两路信号到达系统的时延。调整近、远端信号线的长度，使得外部干扰信号经过远端信号线到达系统与通过母线及近端传感器信号线到达系统的时延小于10ns；同时来自内部的放电信号经过近端信号线到达系统与通过母线及远端信号线到达系统的时延约为60ns左右。从而满足软件判据的要求。

调整好线长后，分别从上图所示1和2两处注入方波检验电缆调整的效果，以C相为例(其他相基本相同)，如图10所示：

从试验结果可以看出，电缆调整好后，脉冲时延满足抗干扰条件，来自发电机内部的两路放电信号到达测试系统的时延约为70ns，而来自外部电力系统的两路干扰信号到达测试系统的时延＜10ns，通过软件时延和幅值鉴别可以剔除干扰保留放电信号。

(2)发电机停机检测结果

现场测试示意图如图11所示，发电机不加励磁，也不转动，这是绕组中没有电压，不会有局放(PD)产生，但外来的干扰还是存在的，这时近远端传感器都测得干扰脉冲波，但是经过测试系统时延、幅值鉴别后全部被剔除了，如图12所示。

如上所述，采用本发明进行发电机局部放电在线监测，可以有效的剔除或抑制来自发电机外部的各种干扰，真实的测得发电机内部局部放电信号，为评估发电机内部的绝缘状况提供了有效的参考。

五、局部放电监测系统：

基于双传感器定向耦合并利用软件进行时延和幅值鉴别抗干扰方法的局部放电监测系统是在申请人的“水轮发电机局部放电超高频在线监测系统的研制”(西安交通大学硕士论文，2003)作了局部改进，该系统主要由信号调理单元、信号采集单元、工业控制计算机、数据采集分析软件构成。

1.信号调理单元

根据测试要求，设计的双三选一信号调理电路。其电路图如图13所示。信号调理电路包括高频转换开关，滤波电路，放大电路，衰减电路等。

主要功能：

信号调理电路主要实现对来自传感器的电压信号的处理，选择不同的相序，选择不同的处理方式及滤波处理。

其中，高频转换开关分别由三组(或两组)二选一高频继电器组成，线圈电压12V，最大切换电流为0.5A，最大开关电压为30V(AC或DC)。

选择高通滤波器滤去低频干扰，选择8M的截至频率，使的大部分干扰都被抑制。

2.采集单元

采集单元采用美国NI仪器公司的三块PCI-5112型数据采集卡，与RTSI总线共同搭建起一个可同时进行六路信号数据采集的采集单元。采集卡安装在工业控制计算机内，实时采集数据并进行A/D转换。它采用PCI总线方式，由于PCI总线的高速特性，有效地解决了实时采集、实时传输和实时存储等问题，解决了大容量数据的传输瓶颈。

主要功能：

高端数字采集卡负责采集来自调理电路的电压信号，并且进行A/D转换。以便我们对电压的数字信号进行处理，分析。

该采集卡的主要参数如下：

●两路8位的模拟输入通道

●两路同步，单端接地方式

●100MHz的模拟输入带宽可选

●最大2.5GS/s重复采样率，100MS/s单次采样率

●每通道16MB的缓存

●50Ω和1MΩ可选的输入阻抗

●交流/直流的软件选择

●内/外触发可选，上升/下降沿触发可选的触发方式

数字I/O参数

●内置于计算机的PCI插槽

●具有三个数字输入输出端口

每个端口由8位的数字量组成

3.其它辅助模块

其它辅助电路还包括提取放电相位信息，测量系统自检及电源控制。对于局部放电信息，除了幅度大小之外，放电发生时刻对应的工频电压的相位也是重要信息。这信息是从PT(电压互感器)上提取工频电压，经隔离、分压，变换为过零脉冲，输送到采集卡，作为采集放电信号的触发信号。

自检电路是为了检查测量系统是否能正常工作。将机内产生的尖脉冲信号接入监测系统的输入端，用来代替局部放电信号。若系统反映正常，就可以投入正式测量。

供电电源的稳定对于保证整个系统正常工作是非常重要的。附图14为电源控制电路，由数字I/O卡控制电源的开断。

4.工业控制计算机

工业控制计算机是该系统的核心硬件平台，主要实现对整个检测过程的控制。它和应用程序结合起来可以控制采集单元、信号调理单元以及电源管理模块，可以实现服务器/客户机之间对局部放电信号的在线数据采集、局放数据的处理及存贮、对局部放电的谱图显示、对历史局放状况的查询等功能。该系统采用高性能品牌工业控制计算机，性能稳定、工作可靠、具有良好的抗干扰能力，同时配有液晶显示器及笔记本式键盘、光电鼠标。

5.应用软件

应用程序是发电机局部放电在线监测程序的应用软件。它基于美国NI仪器公司图形化编程软件LabVIEW(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)编制而成，采用仿Windows风格的人机界面，界面友好，操作简单、维护方便。本软件还可实现局部放电测量过程的自动化监测，简化工作人员操作，而用户也可以通过手动操作，实现查询、分析等更多功能。

本软件主要由以下几个模块构成：

●数据采集软件

●数据分析软件

●数据库软件

A)采集软件

本局部放电在线监测控制软件是采用LabVIEW图形编辑软件编制而成。该软件在编写控制面板方面具有强大的功能。

该模块主要用来完成硬件接口控制的程序。可以进行网络采集控制，网络数据传输，抗干扰等功能。功能主要有：

●对多路局部放电信号传感器单元的循环数据采集；

●对原有的信号进行滤波(FIR或IIR)，时延鉴别，相位开窗，设置阈值等抗干扰功能；

●其他编辑功能：如对采集速率的调整，采集通道的选择及程控放大倍数的选取等。

采集程序分自动和手动。自动测量程序可以实时监测发电机的工况变化，根据工况变化来启动测量程序，该系统将发电机由启动到满负荷运行分为四个功率区间，当发电机工况从一个功率区间跳变到另外一个功率区间时，系统会监测到工况变化，并且查看测量记录，若此功率区间没有测量记录则启动测量程序，若有测量记录则继续监测工况。系统启动测量流程图如图15所示。系统每次都是测50个工频周期(1s)，显示工频周期放电图(经抗干扰处理后的1s累积放电图)。

B)数据分析软件

分析软件模块也是在Labview的开发平台下完成的，具有友好的界面。

其主要功能如下所示：

●测量系统可以检测放电幅值(Qm)，相位，次数，极性，放电总量(NQN)等参数；

●N-Q图，Q-φ图，N-φ二维及N-Q-φ三维谱图等显示；

●选定区间放电趋势图及查询历史局部放电数据。

●由局部放电引起的故障预警，报警；

读取数据以后，经过程序分析可以得出上述一些重要的谱图，这些谱图对于局放定性、绝缘诊断都具有重要的参考价值。

C)数据库软件

由Microsoft SQL Server构建的局放数据数据库，可以方便实现数据服务器/客户结构，以及升级为数据网络传输。该模块将局放采集信号、诊断及查询的模块联结在一起，对一般用户隐藏，只有拥有高级管理权限的用户可以对其进行数据操作。数据库中存储三部分数据：

1)存贮实时局放数据及预处理数据，此数据可生成各种局放的谱图；

2)存贮历史局放数据信息及典型局放模式数据信息，根据此数据可以生成局放趋势图，并且实现对历史局放相关参数的查询；

3)存贮局放数据，实现对局放警戒值或者出现事故的相关历史数据追踪显示，查询。

Claims

1.一种基于双传感器定向耦合的发电机局部放电在线监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)在发电机同一方向母线上，设置2个电容耦合传感器，其中第一电容耦合传感器(S₁)靠近发电机绕组的高压端，第二电容耦合传感器(S₂)的位置与第一电容耦合传感器(S₁)相隔距离为L；每个电容耦合传感器串连有检测电阻；

2)将局部放电监测系统设置在第一电容耦合传感器(S₁)和第二电容耦合传感器(S₂)之间，该局部放电监测系统的一端与第一电容耦合传感器(S₁)采用长度为L₁的信号电缆连接，其另一端与第二电容耦合传感器(S₂)采用长度为L₂的信号电缆连接，并满足：

\frac{L}{V_{b}} + \frac{L_{1}}{V_{c}} = \frac{L_{2}}{V_{c}}

\frac{V_{c}}{V_{b}} = 0.65;

3)对于从电网进入的干扰脉冲的一路脉冲信号先到达第二电容耦合传感器(S₂)，再经长度为L₂的信号电缆输入局部放电监测系统，另一路脉冲则先经过长度为L的发电机母线，再经长度为L₁的信号电缆到达局部放电监测系统，两路信号基本同时到达；

4)而对于发电机的局部放电脉冲信号，一路信号先到达第一电容耦合传感器(S₁)后，再经过长度为L₁的信号电缆输入局部放电监测系统，另一路脉冲信号经过长度为L的发电机母线后，再经过长度为L₂的信号电缆到局部放电监测系统，两路信号有明显的时延Δt，通过试验选定基准值Δt₀；

5)当信号时延满足Δt＞Δt₀时，局部放电监测系统鉴别为发电机的局部放电信号；当Δt＜Δt₀时，则局部放电监测系统鉴别为外部干扰信号；同时通过幅值鉴别把外部干扰信号剔除，保留发电机的局部放电信号，再进行各种数字信号的分析处理；

所述的局部放电监测系统主要由信号调理单元、信号采集单元、工业控制计算机、数据采集分析软件组成。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的局部放电监测系统的带宽为5MHZ～100MHZ。