CN101655538A - 发电机局部放电在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

发电机局部放电在线监测装置及其监测方法 Download PDF

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Abstract

一种发电机局部放电在线监测装置,包括有与信号调理单元4相连的陶瓷电容传感器1、陶瓷电容传感器2和高频传感器3,信号调理单元4与采集卡5相连接,采集卡5通过光纤输出与与工控机6的网卡相连接,工控机6再与Web服务器7相连,其监测方法是:在中性点位置取信号,高频传感器3把耦合到的信号划分为1000个小段,计算每小段的最大值并计算平均值,将平均值作为信号动态阈值,然后与中性点信号的绝对值比较,小于动态阈值的剔除掉,反之保留,再比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号,具有抗干效果好,安全性高,方便易用的特点。

Description

发电机局部放电在线监测装置及其监测方法
所属领域
本发明属于电力设备绝缘在线监测领域,具体涉及一种发电机局部放电在线监测装置及其监测方法。
背景技术
局部放电测量系统用于发电机定子绕组绝缘状态监测已经有40多年的历史。在过去的25年中,发电机局部放电在线监测技术的进一步发展使之逐渐成为继温度监测之后最广泛最有效的绝缘状态监测手段。至2001年为止,在北美地区,20MW以上的运行的发电机/电动机已经有超过50%的安装了局部放电在线监测系统用于绝缘诊断。人们对于局部放电监测如此关注,原因就在于局部放电会损坏定子绕组绝缘。经运行部门多次组织专家进行现场调查分析,定子绝缘故障仍是发电机的主要故障之一,而定子绕组绝缘的损坏大多数是由于局部放电造成的。
在发电机运行条件下,进行发电机局部放电在线监测,对于及早发现绝缘劣化征兆、制定停机检修计划、防止重大事故发生等具有重要意义。通过对大中型发电机组实时在线监测,提高状态监测水平,结合定期预防试验、综合诊断,积累状态数据和运行经验,逐步由“计划检修”向“状态检修”过渡,可大大提高机组的安全、稳定运行水平。实践证明,实施在线监测可降低发电机组的维修成本,提高运行可靠性及增加可利用时间,从而提高设备的运行维修效益。
发电机局部放电的发生,总伴随着几种物理、化学表现形式:电脉冲,声脉冲,光,热、以及化学反应生成新的生成物等等。局放的检测方法就是根据这几种表现形式分为以下几种:1、脉冲电流法2、射频辐射耦合法3、声与超声检测法4、气体检测法5、光测法等。不过实际应用于现场发电机在线监测的测量系统多采用脉冲电流法和射频辐射耦合法。传感器的种类和安装要求则取决于发电机本身的结构和局部放电的性质。近些年有几所大学加大了对在线监测项目的研究力度,也开发出了一些相应的测量系统。总体上看,国内现有的发电机局部放电在线监测系统中:
1)大都以电压或电流耦合的方式在中性点引出线安装传感器。
2)设计的测量带宽一般比较低,最高达30MHz。
3)抗干扰手段相对单一。
发电机单独采用中性点并非理想的监测点,因为定子绕组内放电脉冲经复杂的容/感网络传输到中性点时高频分量已有严重的衰减,而放电主要是发生在高压端绕组处;另外,在中性点处由于三相放电信号混叠、其他高压设备放电信号混叠等原因使得测量结果的灵敏度和可靠性大大降低。这是国内局部放电在线监测方面期待解决的一个问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种发电机局部放电在线监测装置及其监测方法,能够监测发电机内部绝缘状况,具有抗干扰效果好,安全性高,方便易用的特点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种发电机局部放电在线监测装置,包括有信号调理单元4,陶瓷电容传感器1的输出端、陶瓷电容传感器2的输出端和高频传感器3的输出端均与信号调理单元4的信号输入端相连,信号调理单元4的输出端与采集卡5的信号输入端相连接,采集卡5的信号输出端通过光纤与工控机6的网卡相连接,工控机6再与Web服务器7相连。
所述的信号调理单元4工作原理是:由工控机6中装载的软件发送控制命令,采集卡5接收到命令,改变IO状态控制,一只高频多路转换开关A选通陶瓷电容传感器1、陶瓷电容传感器2和高频传感器3中的信号,该信号经过范围为5M~100MHz通带滤波电路后,由另一只高频多路转换开关B选通放大、直通或衰减的工作方式,然后输出到采集卡。其中高频多路转换开关A或B由高频继电器和数据输出锁存器74LS373组成。
所述的采集卡5具有三路8位的模拟输入通道,16位I/O输出,输入通道三路同步,单端接地,12位A/D转换精度,带宽频率为100k--100MHz,采样速率为100MS/s,存储深度为每通道16MB,输入阻抗:50Ω,触发方式:可选内触发、外触发或沿触发,外部接口为RJ45接口,50-3同轴线接口,通信协议采用TCP/IP网络协议。
所述的工控机6装载有发电机局部放电在线监测软件,采用图形化的编程语言LabVIEW作为开发平台,与其他语言相比,LabVIEW是一种真正意义上的可视化图形编程语言,而且具有开发难度低、开发周期短、形式比较灵活等特点。
所述的工控机6装载的软件工作流程,软件启动后初始化变量,判断工作方式,选择其中的一种方式工作,连续给下位机发送控制、采集命令,下位机接收命令成功,发送给采集卡,采集卡判断工频信号是否过零,是则触发采集,否则继续等待触发信号,开始采集,判断是采集到20ms的数据,是则进行抗干扰处理,处理完毕向上位机传送数据,上位机判断是否继续采集,采集完成由上位机进行数据计算,并存储数据,gprs模块会对不断更新的局部放电数据进行发布。
所述的工控机6装载的软件分析功能;首先打开谱图分析模块,按条件选择要查询历史谱图,软件后台会对数据库中的数据进行条件索引,然后绘制出二维谱图(Q-φ,N-φ,logN-q)、三维谱图(N-Q-φ),谱图包含放电幅值(Qm),相位,次数,极性,放电总量(NQN)等参数;这些参数直接反映出局部放电信号的能量强度。根据谱图的特征判断局部放电类型,谱图特征只需要简单的学习就可掌握,不需要专业的人员判断。打开趋势分析模块,按条件选择查看某段时间Qm、NQN的分布趋势变化,从变化可以看出绝缘状况的好坏,趋势呈上升表现为局部放电变强,绝缘状况变坏。打开数据报表模块,按条件选择查询出局部放电的Qm、NQN,放电时刻,然后输入word或Excel报表,方便存贮,打印。打开报警查询模块,按条件查询报警记录,记录信息包括发电机的工况信息,报警值,报警记录可以输出word报表。
一种发电机局部放电在线监测方法,包括以下步骤:
第一步,在发电机的母线上设有陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2,陶瓷电容传感器1安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器2安装在同一方向距离陶瓷电容传感器1的L处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,L1是信号采集装置到陶瓷电容传感器1的距离,L2是信号采集装置到陶瓷电容传感器2的距离,L是陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2之间的距离,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度,已知Va=0.8V。
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器2经过L2进入监测系统,另一路经过L再经过L2进入监测系统,经过陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2的两路信号到达监测系统时延差为Δt0
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器1经过L1进入监测系统,另一路经过L再经过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延差为Δt1,我们可以通过校准调节Δt的范围来识别放电,当信号满足Δt0>Δt>Δt1时系统识别为发电机局放信号,Δt<Δt0或Δt>Δt1时系统识别为干扰信号,这时我们可以得到放电点的极性和相位;
第二步,中性点位置取信号:在中性点位置安装一只高频传感器3,中性点位置采用高频传感器3耦合到信号,把耦合到的信号划分1000个小段,计算每小段的最大值,再将这1000个最大值求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,然后将中性点信号的绝对值与动态阈值做比较,小于动态阈值的值剔除掉,反之则保留,把保留下来的一组值与第一步得到的值相同相位的极性进行比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号。
本发明的有益效果是:由于本发明通过时延鉴别辅以中性点极性鉴别,可以测量到来自于发电机内部的局部放电信号,剔除掉来自发电机外部的其他干扰信号,此方法是发电机在线监测装置的关键环节,本方法可以提高局部放电的识别率60%以上。提高了系统的可靠性,具有抗干效果好,安全性高,方便易用的特点。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图。
图2为本发明的发电机陶瓷电容传感器安装位置示意图。
图3为本发明的中性点高频传感器安装位置示意图。
图4为本发明的系统软件结构图。
图5为本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1,一种发电机局部放电在线监测装置,包括有信号调理单元4,近端陶瓷电容传感器1的输出端、远端陶瓷电容传感器2的输出端和高频传感器3的输出端均与信号调理单元4的信号输入端相连,信号经过调理电路的放大或衰减输出,与采集卡5的信号输入端连接,采集卡5按照预设采样参数采集输出,采集卡5的信号输出端与工控机6的网卡相连,数据通过光纤进入工控机6,然后由在线监测软件进行算法处理识别放电信号并存贮,为以后绝缘诊断提供依据,工控机6再与Web服务器7相连,通过gprs或者Internet发送到远程,实现数据共享。
参照图2,在发电机的母线上设有两只陶瓷电容传感器1和2,陶瓷电容传感器1安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器2安装在同一方向距离陶瓷电容传感器1的L处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,L1是信号采集装置到陶瓷电容传感器1的距离,L2是信号采集装置到陶瓷电容传感器2的距离,L是陶瓷电容传感器1、2之间的距离,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度,已知Va=0.8V;
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器2经过L2进入监测系统,另一路经过L再经过L2进入监测系统,经过陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2的两路信号到达监测系统时延差为Δt0
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器1经过L1进入监测系统,另一路经过L再经过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延差为Δt1,我们可以通过校准调节Δt的范围来识别放电,当信号满足Δt0>Δt>Δt1时系统识别为发电机局放信号,Δt<Δt0或Δt>Δt1时系统识别为干扰信号,这时我们可以得到放电点的极性和相位。
参照图3,中性点高频传感器3是利用罗格斯夫线圈制作而成,信号通过传感器3由输出端接到信号调理单元4,经过信号调理单元4处理输出,接入采集卡5输入端,采集卡5取到数据,通过光纤接入工控机6。
系统采集到中性点的信号首先进行软件滤波,把在局部放电频带以内的信号保留,把耦合到的信号划分1000个小段,分别计算每小段的最大值,再对这1000个最大值组成的一组数求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,小于动态阈值都按照基带干扰剔除掉,其他的点保留,因为系统采集使用外触发电路,触发信号就是发电机的PT信号,会保持三路信号的相位同步,若是机组内部放电经过相同时刻它的相位会保持,利用这个特性,判断出来的放电点和中性点同相位的极性相同,就判别为放电,极性相反则判别为干扰;识别出来的点就认为是发电机局部放电点。
参照图4,本发明的系统软件主要功能包括:数据采集,数据处理,数据存储,数据分析,数据发布五个部分。首先系统初次采集数据之前要进行方波校正,得到发电机每相的校正系数,实时获取工况信息,判断是否采集,下位机接收到采集指令,采集数据,对信号进行相位开窗、数字滤波、动态阈值、时延鉴别,一系列算法处理,处理后把数据发送给上位机,上位机通过计算生成Qm、NQN数据并且存储,Qm为1秒钟内出现过10次的放电幅度,NQN为绝缘劣化的总量,存储的数据可以通过客户端或gprs对外发布,对于历史数据可形成多个谱图:二维图(Q-φ,N-φ,logN-q)、三维(N-Q-φ)放电谱图、工频周期放电图,Qm、NQN趋势图,报警查询。
参照图5,软件启动后初始化变量,判断工作方式,选择其中的一种方式工作:手动方式或自动方式,连续给下位机发送控制、采集命令,下位机接收控制、采集命令成功,发送给采集卡,采集卡判断工频信号是否过零,是则触发采集,否则继续等待触发信号;开始采集后,判断是否采集到20ms的数据,是则进行抗干扰处理,处理完毕向上位机传送数据,上位机判断是否继续采集,采集完成由上位机进行数据计算,并存储数据,一次测量结束。
实施例一
一种发电机局部放电在线监测方法,包括以下步骤:
第一步,在发电机的母线上设有陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2,陶瓷电容传感器1安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器2安装在同一方向距离陶瓷电容传感器1的15m处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,信号采集装置到陶瓷电容传感器1的距离是L1为35m,信号采集装置到陶瓷电容传感器2的距离是L2为50m,陶瓷电容传感器1、陶瓷电容传感器2之间的距离是L为15m,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度,已知Va=0.8V,V=2×108m/s
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器2,经过312ns通过L2进入监测系统,另一路经过75ns通过L再经过219ns通过L1进入监测系统,干扰信号经过陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2两路信号到达监测系统时间差18ns,认为信号几乎同时到达系统。
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器1,经过219ns通过L1进入监测系统,另一路经过75ns通过L再经过312ns通过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延168ns,这时得到时延范围为(18,168),当信号满足18>Δt>168时,系统识别为发电机局放信号;Δt<18或Δt>168时系统识别为干扰信号,这是我们可以得到放电点的极性和相位;
第二步,中性点位置取信号:在中性点位置安装一只高频传感器3,中性点位置采用高频传感器3耦合到信号,把耦合到的信号划分1000个小段,分别计算每小段的最大值,再对这1000个最大值组成的一组值求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,然后将中性点信号的绝对值与动态阈值做比较,小于动态阈值的值剔除掉,反之则保留;把保留下来的点与此前得到的点相同相位的极性比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号,这时认为识别出了局部放电信号。
实施例二
一种发电机局部放电在线监测方法,包括以下步骤:
第一步,在发电机的母线上设有陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2,陶瓷电容传感器1安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器2安装在同一方向距离陶瓷电容传感器1的8m处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,信号采集装置到陶瓷电容传感器1的距离是L1为25m,信号采集装置到陶瓷电容传感器2的距离是L2为33m,陶瓷电容传感器1、陶瓷电容传感器2之间的距离是L为8m,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度,已知Va=0.8V,V=2×108m/s;
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器2,经过206ns通过L2进入监测系统,另一路经过40ns通过L再经过156ns通过L1进入监测系统,干扰信号经过陶瓷电容传感器1和陶瓷电容传感器2两路信号到达监测系统时间差10ns,认为信号几乎同时到达系统;
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器1;经过156ns通过L1进入监测系统,另一路经过40ns通过L再经过206ns通过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延90ns,这时得到时延范围为(10,90);当信号满足10>Δt>90时,系统识别为发电机局放信号;Δt<10或Δt>90时,系统识别为干扰信号,这时我们可以得到放电点的极性和相位;
第二步,中性点位置取信号:在中性点位置安装一只高频传感器3,中性点位置采用高频传感器3耦合到信号,把耦合到的信号划分1000个小段,分别计算每小段的最大值,再对这1000个最大值组成的一组值求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,然后将中性点信号的绝对值与动态阈值做比较,小于动态阈值的值剔除掉,反之则保留,把保留下来的一若干个点与此前得到的点相同相位的极性比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号;这时认为识别出了局部放电信号。

Claims (5)

1、一种发电机局部放电在线监测装置,其特征在于,包括有信号调理单元(4),陶瓷电容传感器(1)的输出端、陶瓷电容传感器(2)的输出端和高频传感器(3)的输出端与信号调理单元(4)的信号输入端相连,信号调理单元(4)的输出端与采集卡(5)的信号输入端相连接,采集卡(5)的信号输出端通过光纤输出与与工控机(6)的网卡相连接,工控机(6)再与Web服务器(7)相连。
2、根据权利要求1所述的一种发电机局部放电在线监测装置,其特征在于,所述的采集卡(5)具有三路8位的模拟输入通道,16位I/O输出,输入通道三路同步,单端接地方式,12位A/D转换精度,带宽频率为100k-100MHz,采样速率为100MS/s,存储深度为每通道16MB,输入阻抗:50Ω,触发方式:可选内触发、外触发或沿触发,外部接口为RJ45接口,50-3同轴线接口,通信协议采用TCP/IP网络协议。
3、一种发电机局部放电在线监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,在发电机的母线上设有陶瓷电容传感器(1)和陶瓷电容传感器(2),陶瓷电容传感器(1)安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器(2)安装在同一方向距离陶瓷电容传感器(1)的L处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,L1是信号采集装置到陶瓷电容传感器(1)的距离,L2是信号采集装置到陶瓷电容传感器(2)的距离,陶瓷电容传感器(1)、陶瓷电容传感器(2)之间的距离是L,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度;
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器(2)经过L2进入监测系统,另一路经过L再经过L2进入监测系统,经过陶瓷电容传感器(1)和陶瓷电容传感器(2)的两路信号到达监测系统时延差为Δt0
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器(1)经过L1进入监测系统,另一路经过L再经过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延差为Δt1,我们可以通过校准调节Δt的范围来识别放电,当信号满足Δt0>Δt>Δt1时系统识别为发电机局放信号,Δt<Δt0或Δt>Δt1时系统识别为干扰信号,这时得到放电点的极性和相位;
第二步,中性点位置取信号:在中性点位置安装一只高频传感器
(3),中性点位置采用高频传感器(3)耦合到信号,把耦合到的信号划分1000个小段,计算每小段的最大值,再将这1000个最大值求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,然后将中性点信号的绝对值与动态阈值做比较,小于动态阈值的值剔除掉,反之则保留,把保留下来的一若干个点与第一步得到的点相同相位的极性比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号。
4、根据权利要求3所述的一种发电机局部放电在线监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,在发电机的母线上设有陶瓷电容传感器(1)和陶瓷电容传感器(2),陶瓷电容传感器(1)安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器(2)安装在同一方向距离陶瓷电容传感器(1)的15m处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,信号采集装置到陶瓷电容传感器(1)的距离是L1为35m,信号采集装置到陶瓷电容传感器(2)的距离是L2为50m,陶瓷电容传感器(1)、陶瓷电容传感器(2)之间的距离是L为15m,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度,已知Va=0.8V,V=2×108m/s;
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器(2)经过312ns通过L2进入监测系统,另一路经过75ns通过L再经过219ns通过L1进入监测系统,干扰信号经过陶瓷电容传感器(1)和陶瓷电容传感器(2)两路信号到达监测系统时间差18ns,认为信号几乎同时到达系统;
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器(1)经过219ns通过L1进入监测系统,另一路经过75ns通过L再经过312ns通过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延168ns,这时得到时延范围为(18,168)当信号满足18>Δt>168时系统识别为发电机局放信号,Δt<18或Δt>168时系统识别为干扰信号,这时得到放电点的极性和相位;
第二步,中性点位置取信号,在中性点位置安装一只高频传感器(3),中性点位置采用高频传感器(3)耦合到信号,把耦合到的信号划分1000个小段,计算每小段的最大值,再将这1000个最大值求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,然后将中性点信号的绝对值与动态阈值做比较,小于动态阈值的值剔除掉,反之则保留,把保留下来的一若干个点与此前得到的点相同相位的极性比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号,这时认为识别出了局部放电信号。
5、根据权利要求3所述的一种发电机局部放电在线监测方法,其特征在于,一种发电机局部放电在线监测方法,包括以下步骤:
第一步,在发电机的母线上设有陶瓷电容传感器(1)和陶瓷电容传感器(2),陶瓷电容传感器(1)安装在发电机母线的出线端,陶瓷电容传感器(2)安装在同一方向距离陶瓷电容传感器(1)的8m处,同时满足公式
L 2 V a = L 1 V a + L V
其中,信号采集装置到陶瓷电容传感器(1)的距离是L1为25m,信号采集装置到陶瓷电容传感器(2)的距离是L2为33m,陶瓷电容传感器(1)、陶瓷电容传感器(2)之间的距离是L为8m,Va是信号在电缆中传输速度,V是信号在母线中的传播速度,已知Va=0.8V,V=2×108m/s;
对于外部来的干扰信号先到达陶瓷电容传感器(2)经过206ns通过L2进入监测系统,另一路经过40ns通过L再经过156ns通过L1进入监测系统,干扰信号经过陶瓷电容传感器(1)和陶瓷电容传感器(2)两路信号到达监测系统时间差10ns,认为信号几乎同时到达系统;
对于内部放电信号先到达陶瓷电容传感器(1)经过156ns通过L1进入监测系统,另一路经过40ns通过L再经过206ns通过L2进入监测系统,两路信号会有明显的时延90ns,这时得到时延范围为(10,90)当信号满足10>Δt>90时系统识别为发电机局放信号,Δt<10或Δt>90时系统识别为干扰信号,这时得到放电点的极性和相位;
第二步,中性点位置取信号,在中性点位置安装一只高频传感器(3),中性点位置采用高频传感器(3)耦合到信号,把耦合到的信号划分1000个小段,计算每小段的最大值,再将这1000个最大值求平均值,将这个平均值就作为这组信号动态阈值,然后将中性点信号的绝对值与动态阈值做比较,小于动态阈值的值剔除掉,反之则保留,把保留下来的一若干个点与此前得到的点相同相位的极性比较,若极性相同则判断为放电点,极性相反则判断为干扰信号,这时认为识别出了局部放电信号。
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