CN112595940A - 一种大型发电机局部放电在线监测及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型发电机局部放电在线监测及定位方法，包括步骤：利用计算编程实现矩阵迭代的计算，并开发出相应的软件界面；利用同一时间点四路脉冲序列信号的时延判定放电源的位置，在同一个界面显示并比较脉冲时间差，脉冲序列信号到达对应传感器的时间越短，则放电源位于发出该路脉冲序列信号的传感器所在的块内。本发明的有益效果是：提供了一种大型发电机局部放电在线监测系统，该系统设有四个传感器和数据集中处理器，用于评估发电机整体绝缘状况，还设有过渡模块和控制器；用于提前预判内部绝缘部件的裂化程度和定位，为运行维护人员节省了大量的维修时间。

Description

一种大型发电机局部放电在线监测及定位方法

技术领域

本发明属于大型发电机绝缘监测技术领域，特别涉及一种基于宽频带内置式传感器发电机局部放电在线监测及定位方法。

背景技术

发电机在电网运行中起到至关重要的作用，担负着其他能源到电能的转换，是电能传送的起点，所以发电机是否正常运行在电网传送整个环节中起到至关重要的作用。对于发电机的绝缘监测研究是维护发电机运行重要部分，其中局部放电参量是衡量发电机绝缘状态的唯一直接参量，特别是对于6kV及以上大型发电机的定子线圈，运行时在绝缘内部及表面都可能发生局部放电，而且随着电压等级的提高，局部放电越严重，破坏性也就越大。据统计约有50％的电机损坏事故是由于电机定子绕组绝缘损坏造成的，而定子绕组绝缘损坏大多数是内部长期存在局部放电，因此发电机的局部放电在线监测，对于发电机稳定运行及提前预知事故发生有重要意义。

目前对于发电机的局部放电在线监测，主要是以外置传感器方式，具体包括：

第一、在发电机每相出口母线上并联两个电容型VHF传感器，即近端传感器和远端传感器，频带一般为几十兆赫兹到百兆赫兹，并通过脉冲时延方式判定放电源的方向来源；此种方式可以判定放电源是否来自发电机内部，适合用于在线监测；但是不具备发电机内部放电源定位功能，另外在出口母线并联接传感器，这对于传感器的可靠性要求较高，如果内部耦合电容出现短路则会直接影响发电机的运行，导致突发停电事故；

第二，在发电机中性点安装HFCT传感器，其频带几百千赫兹到几十兆赫兹，主要是耦合中性点高频脉冲电流信号的方式，达到监测发电机局部放电的目的，此种方式优点在于传感器为穿心互感式结构，与发电机无任何电气连接，不会对发电机造成任何影响；其最大缺点是容易受到发电机外部的电磁干扰，另外当存在小放电源时，由于信号衰减严重而无法被系统测到；

第三，在发电机外壳紧贴超声波传感器，其频带为几十千赫兹到几百千赫兹，主要是耦合发电机表面局部放电超声波，特点是安全性高，适合巡检时使用，使用多个传感器可进行局部放电源定位；但是测试时由于发电机自身振动波强大，经常出现淹没局部放电信号情况，导致系统出现误判和定位失效，且不适合长期在线监测使用；

第四，在发电机槽部安装微带线，其频率集中在几十兆赫兹到百兆赫兹，耦合表面电磁波，此种方式虽然在发电机内部；但是放电源的脉冲信号在表面电磁波分量较少，另外传感器所在的位置对信号的耦合效果有很大的影响。

综上所述，除超声传感器方式不适合在线监测之外，在几种在线监测方法里，均没有放电源定位功能；因此，提出一种大型发电机局部放电在线监测及定位方法，就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种大型发电机局部放电在线监测及定位方法。

这种大型发电机局部放电在线监测系统，包括：四个传感器、发电机本体、发电机转子、上盖、底座、水轮、信号线、过渡模块、射频电缆线、分析模块、数据线、中央处理模块、数据线和显示模块；四个传感器分别为传感器A、传感器B、传感器C和传感器D；发电机本体的上盖左右两边分别安装有传感器A和传感器D；发电机的底座上左右两边分别安装有传感器B和传感器C，发电机转子位于发电机本体内部，水轮位于发电机本体下方，水轮与发电机转子相连；四根信号线分别连接传感器A、传感器B、传感器C和传感器D，四根信号线与过渡模块相连，过渡模块再通过射频电缆线连接到分析模块中，分析模块再由数据线与中央处理模块相连，中央处理模块由数据线连接到显示模块上。

作为优选，分析模块里含有信号的选频、检波和放大处理电路；传感器整体呈平面结构紧贴在绝缘板上，绝缘板分别固定在发电机的上盖和底座上，传感器的输出信号线沿发电机外壳地电位走线，并从预留的出线孔中引出，连接到过渡模块。

作为优选，过渡模块内含有宽频带匹配电路，宽频带匹配电路采用渐变线和无感电阻与电容并连。

作为优选，传感器A、传感器B、传感器C和传感器D均预先内置到发电机内部；传感器A、传感器B、传感器C和传感器D均为单向平面天线式传感器。

作为优选，传感器A、传感器B、传感器C和传感器D的工作频带为100MHz至3GHz，频带内驻波比小于2。

这种大型发电机局部放电在线监测系统的在线监测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、利用传感器(传感器A、传感器B、传感器C、传感器D)耦合发电机内部空间局部放电信号，并将其转换成四路宽频带局部放电信号(电磁波信号)然后通过特高频同轴线接入过渡模块，由控制器控制增益和频宽，使信号达到最佳信噪比；

步骤2、四路宽频带局部放电信号经过信号匹配、信号滤波和信号放大后分成两路信号，再把两路信号接入分析模块：

一路信号经过选频、检波和放大处理后得到低频包络信号，然后将低频包络信号数字化后，进行局部放电的脉冲识别：若确认是由发电机内部放电源产生放电，则进入局部放电信号量划分，计算出局部放电的实时参量并形成局部放电参量的各种谱图，并将局部放电参量的各种谱图和实时量交由数据集中处理器进行分析后存储到数据库并显示；数据集中处理器根据分析后的最终结果的数据特征，通过控制器在调理过程中对信号加以控制；

另一路信号组成脉冲序列，进入脉冲序列同步逻辑模块，用于同步高频采集，可用于干扰源类型判别或者放电源定位算法；由数据集中处理器发出控制命令，判断是否对脉冲序列启动同步采集：若控制命令为是，则启动放电源定位算法，由计算机软件计算得到放电源位置坐标信息，并将放电源位置坐标信息反馈到数据集中处理器中；若控制命令为否，则进入干扰源判别逻辑。

作为优选，步骤2中控制器对信号进行控制的具体方式为：滤波频带选择控制、放大增益控制、选频控制、检波控制和低频放大增益控制。

这种大型发电机局部放电在线监测系统的定位算法，包括如下步骤：

步骤1、利用计算编程实现矩阵迭代的计算，并开发出相应的软件界面；将发电机空间平均分成上左、上右、下左和下右四块，发电机内部每个块内均含有一个传感器；若判定传感器所测信号为发电机内部放电源发生的局部放电，则启动空间定位算法；由数据集中处理控制器启动同步采集命令；四个通道以1GM/s采样率同步采集四路脉冲序列信号；

步骤2、利用同一时间点四路脉冲序列信号的时延判定放电源的位置，在同一个界面显示并比较脉冲时间差，脉冲序列信号到达对应传感器的时间越短，则放电源位于发出该路脉冲序列信号的传感器所在的块内；利用最小二乘方计算方法，采用矩阵迭代的方式计算出放电源所在的空间坐标位置。

作为优选，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、根据实际发电机本体尺寸建立三维模型，配置好四个传感器的位置坐标信息：将发电机整体当作带有坐标的正方体模型，根据实际发电机尺寸确定正方体坐标，将正方体标出三维坐标，其中放电源坐标为Q(x，y，z)，四个传感器坐标分别为：上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)、上右传感器Q₂(x₂，y₂，z₂)、下左传感器Q₃(x₃，y₃，z₃)、下右传感器Q₄(x₄，y₄，z₄)；

步骤2.2、放电电磁波在发电机内部传输速率为v；设放电源所产生的电磁波到四个传感器的传播时间分别为t₁，t₂，t₃，t₄；则放电源Q至传感器Q₁、传感器Q₂、传感器Q₃和传感器Q₄之间的距离方程分别为：

上式中，f₁(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₁的距离，f₂(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₂的距离，f₃(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₃的距离，f₄(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₄的距离；v为放电电磁波在发电机内部的传输速率；

步骤2.3、设Δt₁₂为放电源产生的电磁波到上右传感器Q₂(x₂，y₂，z₂)与到上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)的时间差；Δt₁₃为放电源产生的电磁波到下左传感器Q₃(x₃，y₃，z₃)与到上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)的时间差；Δt₁₄为放电源产生的电磁波到下右传感器Q₄(x₄，y₄，z₄)与到上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)的时间差，则

上式中，t₂，t₃，t₄分别为放电源产生的电磁波到上右传感器Q₂(x₂，y₂，z₂)、下左传感器Q₃(x₃，y₃，z₃)和下右传感器Q₄(x₄，y₄，z₄)的传播时间；其中Δt₁₂、Δt₁₃、Δt₁₄为在线监测系统同步采集计算出的参量；

引进向量表示，令：

则将式(1)、式(3)、式(4)和式(5)变形为：

f(x,y,z,t)＝0 (6)

步骤2.4、利用迭代公式(7)通过计算机软件对公式(6)逐次进行迭代计算，求出位置坐标Q(x，y，z)参量的近似值作为放电源的空间坐标位置：

上式(7)中：

将式(8)和式(9)变形为：

其中[A^T _KA_K]^*为[A^T _KA_K]的伴随矩阵。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种大型发电机局部放电在线监测系统，该系统设有四个传感器和数据集中处理器，用于评估发电机整体绝缘状况，还设有过渡模块和控制器；用于提前预判内部绝缘部件的裂化程度和定位，为运行维护人员节省了大量的维修时间。

附图说明

图1为发电机局部放电在线监测系统结构图；

图2为发电机局部放电在线监测方法流程图；

图3为分块式发电机局部放电源定位模型图；

图4为同步采集四路信号的时域脉冲图；

图5为发电机内部放电源距离四个传感器的定位坐标图；

图6中(a)为上左传感器一路信号测试结果50个工频周期的三维图；(b)为上左传感器一路信号测试结果50个工频周期的Q-Φ图；(c)为上左传感器一路信号测试结果50个工频周期的N-Φ图；(d)为上左传感器一路信号测试结果50个工频周期的N-Q图。

附图标记说明：传感器A1、传感器B2、传感器C3、传感器D4、发电机本体5、发电机转子6、发电机上盖7、底座8、水轮9、信号线10、过渡模块11、射频电缆线12、分析模块13、数据线14、中央处理模块15、数据线16、显示模块17。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

为了增加现场测试精度，提高系统抗干扰能力，并在线监测系统中实现放电源的定位功能，本发明提出一种基于内置式宽频带传感器发电机局部放电监测及定位方法，以此评估发电机整体绝缘状况，提前预判内部绝缘部件的裂化程度并进行定位，为预防发电机绝缘击穿导致停机事故的发生；本发明还带有放电源空间定位功能；本发明首先根据内置式宽频带传感器信号特性，经过特殊的信号处理及数字化后统计分析得到发电机局部放电参量的放电谱图，然后启动放电源定位功能，对发电机内部放电源进行初步和精确定位，初步定位是应用四个传感器信号的时间到达法，判定放电源所属的发电内部机坐标模块内部；精确定位是利用矩阵迭代方法实现对放电源空间坐标的近似计算，从而实现对放电源的精确定位，为运行维护人员节省了大量的维修时间。

本发明的宽频带传感器是为实现在线监测方法专门定做，传感器预先内置到发电机内部；每台发电机配备4个传感器，分别在发电机的上盖左、上盖右、底座左、底座右四个位置，可同时接收发电机内部局部放电信号，为一种能耦合空间电磁波的单向平面天线式传感器；传感器响应频带为100MHz至3GHz，频带内驻波比小于2，用GTM小室检测频带内平均等值高度为11mm，完全满足局放信号测试需要。传感器整体呈平面结构紧贴在绝缘板上，绝缘板分别固定在发电机的上盖和底座上，输出信号线沿发电机外壳地电位走线，并从预留出线孔中引出，连接到发电机旁边的过渡模块里。由于发电机为全封闭式结构，很好屏蔽了以无线通信为代表的外界超高频、特高频电磁波信号，传感器自身又很好的屏蔽了低于100MHz的各种无线电干扰，由于背景噪声很小，所以系统的整体信噪比很高，实验室条件下，距离放电源小于1米，中间无隔档物时，系统最小灵敏度可达0.5pC，技术指标完全满足测试需要。

由于宽频带传感器所输出信号的频带宽、灵敏度高特点，要求与传感器相连的过渡模块，与常规的处理方法有很大不同，如图2所示，首先含有宽频带匹配电路，采用渐变线加无感电阻与电容的并连方式实现；其次滤波和放大也是考虑到宽频带的影响，由控制器控制增益和频宽，使信号达到最佳信噪比；再其次同时输出两路信号：一路到脉冲序列同步逻辑模块，用于同步高频采集，可用于干扰源类型判别或者放电源定位算法；另一路经过信号的选频、检波及放大后采集，最终可用于局部放电的量化分析，计算出局部放电的实时参量，并形成各类统计谱图；最终由数据集中处理控制器把各类数据进一步处理，存储到数据库并显示，另外通过控制器控制其他模块。

作为一种实施例，如图1所示，在实验室搭建一个模拟大型发电机的实验平台，按照图1的要求固定和连接好传感器A1、传感器B2、传感器C3、传感器D4和发电机局部放电在线监测系统，在计算机软件上根据实际发电机本体尺寸建立如图3所示三维模型，并标识出各个传感器的坐标值，如图5所示，其中上左传感器Q₁(1.5，13.5，26.3)；上右传感器Q₂(25.2，17.2，26.3)；下左传感器Q₃(1.8，13.6，1.7)；下右传感器Q₄(24.3，16.1，1.7)，单位(m)；在计算机软件的设置中将模拟放电源模型放置在发电机的上左模块中；放电源坐标点为Q(3.2，10.2，23.7)单位(m)。

启动发电机局部放电在线监测系统，通过自检后进入测试界面，给放电源模型施加一定的电压使之能稳定的放电，利用图2中的发电机局部放电在线监测流程，信号源被四个传感器耦合到，通过信号的调理和采集后，进入数据集中处理器中，经过累计50个工频周期的测试数据，形成如图6所示的放电谱图，通过图6(a)至图6(d)可清楚的表示出，在预知缺陷情况下，所测试出的局部放电量，以及所表现出来的放电谱图特征；该放电谱图符合发电机内部放电特征，判定为发电机内部放电。

随后启动在线监测系统的定位功能，如图4所示，上左传感器所耦合到的脉冲时间点明显超前于其他三路传感器的脉冲信号，所以初步判定放电源在发电机上左模块内部，继而启动对放电源精确定位，经过内部的定位算法的迭代计算，最终坐标点近似值Q(3.15，9.8，22.8)单位(m)，与准确坐标位置的误差率：x坐标1.6％、y坐标3.9％、z坐标3.8％；完全满足定位要求。

由此可知，本实施例中基于内置式宽频带传感器发电机局部放电在线监测方法，能准确的测试出发电机内部绝缘缺陷，并通过内部的定位算法，对放电源的精确定位，定位误差率整体小于4％，给运行维护人员节省了寻找放电源的时间，减小了维修周期。对于发电机正常运行和预防重大击穿事故具有重大意义。

Claims (9)

1.一种大型发电机局部放电在线监测系统，其特征在于，包括：四个传感器、发电机本体(5)、发电机转子(6)、上盖(7)、底座(8)、水轮(9)、信号线(10)、过渡模块(11)、射频电缆线(12)、分析模块(13)、数据线(14)、中央处理模块(15)、数据线(16)和显示模块(17)；四个传感器分别为传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)和传感器D(4)；发电机本体(5)的上盖(7)左右两边分别安装有传感器A(1)和传感器D(4)；发电机的底座(8)上左右两边分别安装有传感器B(2)和传感器C(3)，发电机转子(6)位于发电机本体(5)内部，水轮(9)位于发电机本体(5)下方，水轮(9)与发电机转子(6)相连；四根信号线(10)分别连接传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)和传感器D(4)，四根信号线(10)与过渡模块(11)相连，过渡模块(11)再通过射频电缆线(12)连接到分析模块(13)中，分析模块(13)再由数据线(14)与中央处理模块(15)相连，中央处理模块(15)由数据线(16)连接到显示模块(17)上。

2.根据权利要求1所述大型发电机局部放电在线监测系统，其特征在于：分析模块(13)里含有信号的选频、检波和放大处理电路；传感器整体呈平面结构紧贴在绝缘板上，绝缘板分别固定在发电机的上盖(7)和底座(8)上，传感器的输出信号线沿发电机外壳地电位走线，并从预留的出线孔中引出，连接到过渡模块(11)。

3.根据权利要求1所述大型发电机局部放电在线监测系统，其特征在于：过渡模块(11)内含有宽频带匹配电路，宽频带匹配电路采用渐变线和无感电阻与电容并连。

4.根据权利要求1所述大型发电机局部放电在线监测系统，其特征在于：传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)和传感器D(4)均预先内置到发电机内部；传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)和传感器D(4)均为单向平面天线式传感器。

5.根据权利要求3所述大型发电机局部放电在线监测系统，其特征在于：传感器A(1)、传感器B(2)、传感器C(3)和传感器D(4)的工作频带为100MHz至3GHz，频带内驻波比小于2。

6.一种大型发电机局部放电在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、利用传感器耦合发电机内部空间局部放电信号，并将其转换成四路宽频带局部放电信号然后通过特高频同轴线接入过渡模块(11)，由控制器控制增益和频宽；

步骤2、四路宽频带局部放电信号经过信号匹配、信号滤波和信号放大后分成两路信号，再把两路信号接入分析模块(13)：

一路信号经过选频、检波和放大处理后得到低频包络信号，然后将低频包络信号数字化后，进行局部放电的脉冲识别：若确认是由发电机内部放电源产生放电，则进入局部放电信号量划分，计算出局部放电的实时参量并形成局部放电参量的谱图，并将局部放电参量的谱图和实时量交由数据集中处理器进行分析后存储到数据库并显示；数据集中处理器根据分析后的数据特征，通过控制器在调理过程中对信号加以控制；

另一路信号组成脉冲序列，进入脉冲序列同步逻辑；由数据集中处理器发出控制命令，判断是否对脉冲序列启动同步采集：若控制命令为是，则启动放电源定位算法，由计算机软件计算得到放电源位置坐标信息，并将放电源位置坐标信息反馈到数据集中处理器中；若控制命令为否，则进入干扰源判别逻辑。

7.根据权利要求2所述大型发电机局部放电在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，步骤2中控制器对信号进行控制的具体方式为：滤波频带选择控制、放大增益控制、选频控制、检波控制和低频放大增益控制。

8.一种如权利要求1所述大型发电机局部放电在线监测系统的定位算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将发电机空间平均分成上左、上右、下左和下右四块，发电机内部每个块内均含有一个传感器；若判定传感器所测信号为发电机内部放电源发生的局部放电，则启动空间定位算法；由数据集中处理控制器启动同步采集命令；四个通道同步采集四路脉冲序列信号；

步骤2、利用同一时间点四路脉冲序列信号的时延判定放电源的位置，脉冲序列信号到达对应传感器的时间越短，则放电源位于发出该路脉冲序列信号的传感器所在的块内；利用最小二乘方计算方法，采用矩阵迭代的方式计算出放电源所在的空间坐标位置。

9.根据权利要求8所述大型发电机局部放电在线监测系统的定位算法，其特征在于，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2.1、根据实际发电机本体尺寸建立三维模型，配置好四个传感器的位置坐标信息：将发电机整体当作带有坐标的正方体模型，根据实际发电机尺寸确定正方体坐标，将正方体标出三维坐标，其中放电源坐标为Q(x，y，z)，四个传感器坐标分别为：上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)、上右传感器Q₂(x₂，y₂，z₂)、下左传感器Q₃(x₃，y₃，z₃)、下右传感器Q₄(x₄，y₄，z₄)；

步骤2.2、放电电磁波在发电机内部传输速率为v；设放电源所产生的电磁波到四个传感器的传播时间分别为t₁，t₂，t₃，t₄；则放电源Q至传感器Q₁、传感器Q₂、传感器Q₃和传感器Q₄之间的距离方程分别为：

上式中，f₁(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₁的距离，f₂(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₂的距离，f₃(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₃的距离，f₄(x,y,z,t)为放电源Q至传感器Q₄的距离；v为放电电磁波在发电机内部的传输速率；

步骤2.3、设Δt₁₂为放电源产生的电磁波到上右传感器Q₂(x₂，y₂，z₂)与到上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)的时间差；Δt₁₃为放电源产生的电磁波到下左传感器Q₃(x₃，y₃，z₃)与到上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)的时间差；Δt₁₄为放电源产生的电磁波到下右传感器Q₄(x₄，y₄，z₄)与到上左传感器Q₁(x₁，y₁，z₁)的时间差，则

上式中，t₂，t₃，t₄分别为放电源产生的电磁波到上右传感器Q₂(x₂，y₂，z₂)、下左传感器Q₃(x₃，y₃，z₃)和下右传感器Q₄(x₄，y₄，z₄)的传播时间；其中Δt₁₂、Δt₁₃、Δt₁₄为在线监测系统同步采集计算出的参量；

引进向量表示，令：

则将式(1)、式(3)、式(4)和式(5)变形为：

f(x,y,z,t)＝0 (6)

步骤2.4、利用迭代公式(7)对公式(6)逐次进行迭代计算，求出位置坐标Q(x，y，z)参量的近似值作为放电源的空间坐标位置：

上式(7)中：

将式(8)和式(9)变形为：

其中[A^T _KA_K]^*为[A^T _KA_K]的伴随矩阵。

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