CN113109680A - 一种大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，包括无时滞转换系统、同步信号时钟系统、局部放电信号高速采集系统和局部放电数据分析系统，无时滞转换系统从发电机出口高压试验回路中接入电压信号，并将该电压信号线性缩小后分别输入同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统，同步信号时钟系统用于生成与电压信号同步的同步时钟信号，局部放电信号高速采集系统用于对缩小后的电压信号进行高通滤波、模数转换和存储，局部放电数据分析系统用于对局部放电数据进行处理。该局部放电分析系统可大幅度削减了数据运算量和配置成本。

Description

一种大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统
技术领域
本发明涉及一种大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，属于大型水轮发电机定子绕组绝缘状态评估领域。
背景技术
我国已建成了三峡工程、溪洛渡、乌东德等千万千瓦装机容量的大型水电站，在建白鹤滩电站单机容量达到百万千瓦，水轮发电机呈大型化发展趋势。大型水轮发电机定子绕组绝缘系统相对复杂，包括主绝缘、槽内半导体层、端部防晕层等；同时具有运行电压高的特点，最高已达到24kV。近年来，受定子绕组绝缘材料国产化过程中工艺质量分散性等因素的影响，已发生多起大型水轮发电机定子绕组绝缘故障。
大型水轮发电机定子绕组绝缘故障并非“突然发生”，而是受热应力、化学应力、机械应力等多因素长期作用影响，逐步衍化出局部缺陷，并最终发展为绝缘故障。局部放电是绝缘劣化的重要先期征兆和表现，已有研究表明局部放电与绝缘材料劣化和绝缘体的击穿过程密切相关，能够十分灵敏的发现设备绝缘内部缺陷和故障。定期开展局部放电测量工作十分重要，有助于发现大型水轮发电机定子绕组绝缘缺陷，尽早安排检修计划，避免其发展为不可修复的绝缘损伤，甚至发生非停事故，造成重大经济损失。
大型水轮发电机的局部放电测量工作，在工程应用中仍存在较大问题。对于局部放电测量的组织开展方，电厂主要依据预防性试验规程，DL/T 1768-2017《旋转电机预防性试验规程》仅要求运行20年以上发电机进行老化鉴定试验，未明确规定局部放电测量周期，很多电厂甚至从未开展过局部放电测量工作。
对于局部放电测量的实施方，各电科院主要采用国标推荐的脉冲电流法，但相关标准尚未对局部放电测量设备的性能指标进行准确规范。GB/T 20833.1-2016《旋转电机—定子绕组绝缘第1部分：离线局部放电测量》，仅给出局部放电测量宽带系统的下限截至频率为≥10kHz，但未明确局放分析系统的上限截止频率和最低采样率。由此造成，当前市面上主要的局部放电测量设备仍停留在MHz级别。实践经验表明，大型水轮发电机局部放电脉冲时间宽度小于1μs，MHz级测量设备可能“漏掉”部分局部放电脉冲，也无法确保捕捉到单个脉冲最大值，具体体现为局部放电测试值存在较大波动，无法确保测试结果的准确性。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种适用于高采样率的局部放电信号的存储和分析的大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：包括无时滞转换系统、同步信号时钟系统、局部放电信号高速采集系统和局部放电数据分析系统，所述无时滞转换系统分别与同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统连接，所述同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统均与局部放电数据分析系统连接；
所述无时滞转换系统从发电机出口高压试验回路中接入电压信号，并将该电压信号线性缩小后分别输入同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统，同步信号时钟系统用于生成与电压信号同步的同步时钟信号，局部放电信号高速采集系统用于对缩小后的电压信号进行高通滤波、模数转换和存储，局部放电数据分析系统用于对局部放电数据进行处理。
对上述技术方案的进一步设计为：所述无时滞转换系统与一三通转换接头连接，所述三通转换接头将无时滞转换系统输出的信号转换为两路一致的电压信号，并分别输入同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统。
所述同步信号时钟系统包括依次连接的工频信号提取电路、调理电路模块、保护电路模块和同步电路模块。
所述工频信号提取电路为上限截止频率为10kHz的低通滤波器。
所述保护电路模块包括比较器和钳位电路。
所述局部放电信号高速采集系统包括依次连接的局部放电信号提取电路、高速采集模块、高速存储模块和数据通信模块。
所述局部放电信号高速采集系统的采样率为1GHz，分辨率为16位，数据流量为2GB/s。
所述局部放电信号提取电路为高通滤波电路。
所述高速采集模块与高速存储模块之间通过第三代高速串行总线PCIe Gen3 x8连接，带宽为16GB/s，高速存储模块采用的磁盘阵列容量为4TB，读写速度5GB/s。
所述无时滞转换系统采用高电压功率衰减器。
所述局部放电数据分析系统对局部放电数据处理的流程为
(1)确定有效脉冲特性参数
以等效时间宽度、脉冲计数阈值和脉冲振荡速度作为特征参数；
(2)脉冲波形划分
将采集信号f23(n)划分为脉冲波，
Figure BDA0003050608870000021
式中，共计M个脉冲，M1个局部放电脉冲，M2个高频段干扰脉冲。
(3)提取有效脉冲提取
有效脉冲判定条件如下，
Figure BDA0003050608870000022
ΔT为等效时间宽度、N为脉冲计数阈值和v为脉冲振荡速度；
(4)对有效脉冲进行统计分析
对有效脉冲进行分析，记录局部放电脉冲的统计信息，包括：局部放电量、起始相角、脉冲时宽和脉冲极性。
本发明与现有技术相比具有的有益效果为：
本发明的GHz级的大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统架构，该架构适用于高采样率的局部放电信号的存储和分析。基于第三代高速串行总线PCIe Gen3 x8，采用高速流盘技术搭建了GHz级数据流的采集存储硬件平台，解决了GHz数据流的连续采集和存储问题；通过设计一种局部放电数据分步处理架构，结合有效脉冲信号提取算法，大幅度削减了数据运算量和配置成本，并开发了局部放电脉冲统计功能。国家能源集团某大型水轮发电机实际算例表明，该系统能够准确的测量和分析定子绕组的局部放电现象，同时测试结果具有较好的稳定性。
附图说明
图1为本发明GHz级局部放电分析系统的结构示意图；
图2为本发明中局部放电数据分步处理架构图；
图3为典型串流架构硬件平台图；
图4为高速流盘架构硬件平台图；
图5为同步时钟信号计算局部放电脉冲相位图；
图6为局部放电数据处理流程图；
图7为有效脉冲特征参数示意图；
图8为注入2000pC局部放电时域图；
图9为A相9.1kV时最大局部放电时域图；
图10为B相9.1kV时最大局部放电时域图；
图11为C相9.1kV时最大局部放电时域图；
图12为A相15.75kV时最大局部放电时域图；
图13为B相15.75kV时最大局部放电时域图；
图14为C相15.75kV时最大局部放电时域图；
图15为背景干扰放电图谱；
图16为A相15.75kV时放电图谱；
图17为C相15.75kV时放电图谱；
图18为A相15.75kV时1-50周波最大局部放电量变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本实施例的GHz级大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统结构包括无时滞转换系统1、三通转换接头2、同步信号时钟系统11、局部放电信号高速采集系统12和局部放电数据分析系统13。其中，同步信号时钟系统11包括工频信号提取电路3、调理电路模块4、保护电路模块5和同步电路模块6；局部放电信号高速采集系统12包括局部放电信号提取电路7、高速采集模块8、高速存储模块9和数据通信模块10。
上述GHz级局部放电分析系统从发电机出口高压试验回路中接入电压信号，该信号经无时滞转换系统1以线性缩放因子β等比缩小后，由三通转换接头2转换为两路一致的电压信号，一路电压信号经同步信号时钟系统11生成同步时钟信号，并接入局部放电数据分析系统13的同步信号触发端口14；另一路电压信号经局部放电信号高速采集系统12进行高通滤波、模数转换、存储后，接入局部放电数据分析系统13的局部放电数据端口15。
高压试验回路中电压信号由多种信号叠加，主要成分是工频高压信号，其它混叠信号包括低频段窄带干扰、高频段局部放电脉冲和脉冲干扰信号，见公式(1)。
F1(t)＝ω1(t)+δ1(t)+η1(t)+τ1(t) (1)
式中，F1(t)为高压试验回路电压信号，w1(t)为工频高压信号，δ1(t)为高频段局部放电脉冲，η1(t)为低频段窄带干扰，τ1(t)为高频段干扰信号。
无时滞转换系统1采用高电压功率衰减器，其主要作用是将高压试验回路中的电压信号降压至同步信号时钟系统11和局部放电信号高速采集系统12可以处理的范围。由于需要由同步信号时钟系统11生成参考信号标注局部放电信号的相位特性，无时滞转换系统1以线性缩放因子β等比缩小，见公式2。
F1(t)＝β×f1(t) (2)
式中，β为线性缩放因子，f1(t)为试验回路低压信号。
试验回路低压信号由三通转换接头2转换为两路一致的信号，一路接入11-同步信号时钟系统，以f11(t)表示；另一路接入12-局部放电信号高速采集系统，以f22(t)表示。
一、同步信号时钟系统11主要目的是产生同步时钟信号，作为局部放电分析系统13的时间参考点，计算局部放电脉冲的相位。考虑到加压设备很多是变频装置，本系统根据同步信号动态生成时间参考点，各个局部放电脉冲以最近时间参考点计算局部放电脉冲相位。
工频信号提取电路3是上限截止频率为10kHz的低通滤波器，其作用是滤除掉f11(t)中的高频段局部放电信号和高频段干扰信号，输出信号f12(t)，见公式3。
Figure BDA0003050608870000041
f12(t)中工频信号的电压值较高，通过调理电路模块4进一步降压至峰峰值Vpp∈(-2V～2V)，再滤除低频段窄带干扰信号后，输出信号f13(t)，见公式4。
Figure BDA0003050608870000051
保护电路模块5主要由比较器和钳位电路构成，当f13(t)最大幅值超过2V时，则即刻断开电路防止损坏设备。
同步电路模块6根据工频正弦信号f13(t)正负电平值生成方波信号f14(t)，方波上升沿作为相位参考点，见图5。
f13(t)和f14(t)的周期均为T，局部放电脉冲产生时刻与最近相位参考点进行对比，时间差取Δt，并计算出局部放电脉冲的相位角θ，见公式5。
Figure BDA0003050608870000052
二、局部放电信号高速采集系统12将包含局部放电脉冲的高频段电压信号高速采集并存储下来。局部放电信号高速采集系统12的采样率为1GHz，分辨率为16位，理论数据流量为2GB/s，以某一次局部放电试验为例，单次采样时间为3s，数据存储容量6GB。若采用传统局部放电分析装置结构，需要配置高性能运算和存储单元对局部放电数据进行集中分析和存储，硬件的运算能力和存储能力要求非常高，价格十分昂贵。
本实施例采用一种局部放电数据分步处理架构，如图2所示，分三步处理局部放电数据，包括：1、预处理环节；2、采集存储环节；3、局部放电数据分析环节。采样周期内需满足信号连续采集和存储。
1、预处理环节
预处理环节是对模拟信号进行处理，信号处理过程无延时，也不占用硬件资源。局部放电信号提取电路7是由电子元器件搭建的高通滤波电路，设置下限截止频率为10kHz，其作用是滤除掉f22(t)中的工频高压信号和低频段窄带干扰信号，输出信号f21(t)，见公式(6)。
2、采集存储环节
采集存储环节包括高速采集模块8和高速存储模块9，局部放电信号进入采集存储环节，经前端调理电路接入1GHz的16位ADC芯片进行模数转换。转换后采样信号由内置GPIO总线进入FPGA进行下一步数据操作。在FPGA中设置ADC芯片的采集触发功能，同时进行通用化的数字信号处理，恢复AD转换过程中可能出现的频率泄露问题。FPGA调配16GB容量DRAM建立FIFO队列暂时存储经AD转换的采样信号。存储的采样信号通过PCIe Gen3x8总线传输至背板PCIe总线，利用高速流盘技术传输至9-高速存储模块中4TB磁盘阵列存储。
传统局部放电测量仪器在地采样率应用场景下，硬件平台通常采用典型串流架构，ADC采集信号经通讯总线传输至上位机内存，再将内存暂存数据通过串行总线写入存储硬盘。典型串流架构采集数据的读取、传输等步骤均需要经过总线和上位机内存，总线带宽和内存的吞吐量直接制约数据传输速率，典型串流架构见图3。传统局部放电测量仪器所采用的典型串流架构受制于内存读写速度和I/O总线速率，不适用于高采样率应用场景。
本实施例基于第三代高速串行总线PCIe Gen3 x8，采用高速流盘技术搭建了GHz数据流的采集存储硬件平台，见图4。
GHz数据流采集存储硬件平台是指局部放电数据从采集到存储至磁盘阵列，该部分采用高速流盘技术，基于第三代高速串行总线PCIe Gen3 x8，系统带宽16GB/s，磁盘阵列容量4TB，读写速度5GB/s，采集信号实时存储至磁盘阵列中，FPGA主要负责硬件资源调配，而不涉及复杂的数学运算，采用常规的KU040。
上位机开发局部放电分析系统，通过万兆网卡与磁盘阵列进行数据通讯。局部放电分析系统从磁盘阵列中仅提取出有效脉冲信号，然后在对有效脉冲信号进行分析。局部放电数据分步处理架构配合有效脉冲提取算法，有效脉冲信号远远小于采集信号，上位机的运算量将大大减小。在满足GHz级数据流的高速采集存储的情况下，大幅度削减了数据运算量和硬件配置成本。
无时滞转换系统1的线性缩放因子β是按照高速采集模块8的量程范围进行设计。
Figure BDA0003050608870000061
f21(t)为模拟信号接入高速采集模块8。高速采集模块的采样频率为1GHz，将f21(t)离散化为数字信号，即1秒钟产生109个样本点，用f23(n)表示，见公式(7)。
Figure BDA0003050608870000062
采集信号存储在高速存储模块9中4TB的磁盘阵列中，存储数据经数据通信模块10供局部放电数据分析系统13调用。
3、局部放电数据分析环节
数据通信模块10采用PCIe接口的万兆网卡，采集信号传输至局部放电数据分析系统13。本实施例从所采集信号中提取出有效脉冲信号，每个脉冲均需要标注同步信号时钟系统11产生的时钟信息。有效脉冲数量远远少于采集信号。然后从有效脉冲中滤除掉干扰信号，再对剩余的局部放电信号进行分析，记录局部放电脉冲的统计信息。
局部放电脉冲表征定子绝缘内部发生局部放电强度，局部放电脉冲越大对绝缘危害越大。依据国家标准GB/T 20833.1-2016《旋转电机定子绕组绝缘第1部分：离线局部放电测量》定义的局部放电量，即“具有脉冲序列响应的测量系统记录的最大值，或者与每秒10个脉冲的局部放电脉冲重复率有关的值”。可见，表征局部放电危害的有用信息仅为最大的局部放电脉冲或是最大的几个局部放电脉冲。换言之，采集到的绝大部分局部放电脉冲信号均为冗余信息。本实施例仅对提取出的少量有效脉冲信号进行处理，将极大的降低局部放电分析系统13的运算量和存储容量。
局部放电数据分析系统13从高速存储模块9中调用采集数据，主要功能是将采集样本点划分为M个脉冲，然后根据有效脉冲判据提取出Mva个有效脉冲，对有效脉冲进行分析并记录相关统计信息，数据处理流程见图6，分为如下步骤：
1、有效脉冲特性参数
将包含有用信息脉冲称为有效脉冲，以等效时间宽度和等效振荡速度作为时域特征参数，分别表征脉冲持续时间和振荡频率。
图7为某个脉冲时域波形，将其表示为y＝δ(t),t∈[ts,te]，以脉冲波形首个过零点开始计时，起始时间计为t1，最后一个过零点为脉冲结束时间t2，等效时间宽度ΔT由公式(8)表示。
ΔT＝t2-t1 (8)
Δδ为脉冲计数阈值，当脉冲波形幅值超过Δδ时，对脉冲波形计数，每个脉冲波与Δδ有2个交点，最终根据交点数判定脉冲波波峰数量。脉冲波与Δδ的交点共N个，脉冲波波峰数量用n表示，见公式(9)。
Figure BDA0003050608870000071
单位时间内脉冲波波峰的数量为脉冲振荡速度v，由公式(10)表示。
Figure BDA0003050608870000072
2、脉冲波形划分
局部放电数据分析系统将采集信号f23(n)划分为脉冲波，见式(11)。
Figure BDA0003050608870000073
式中，共计M个脉冲，M1个局部放电脉冲，M2个高频段干扰脉冲。
3、有效脉冲提取
大型水轮发电机局部放电脉冲呈多峰特性，脉宽低于1μs，有效脉冲判定条件见公式(12)。需要说明的是，该判定条件旨在提取出局部放电脉冲，削减冗余数据，具体参数需根据发电机实际情况进行调整。
Figure BDA0003050608870000081
由式(10)判据滤除掉绝大部分高频干扰脉冲和小量值的局部放电信号，得到Mva个有效脉冲。方便示意，忽略混叠高频干扰脉冲的影响，有效脉冲均为局部放电脉冲，见式(13)。
Figure BDA0003050608870000082
以某大型水轮发电机1s局部放电采集数据为例，提取出有效脉冲数Mva＝276，总样本点数N1＝165048。该例经有效脉冲提取后，数据量缩小为原来的1/6058。
4、脉冲统计分析
对有效脉冲fvalid进行分析，记录局部放电脉冲的统计信息，包括：(1)局部放电量、(2)起始相角、(3)脉冲时宽、(4)脉冲极性，并绘制局部放电图谱。
测试实例
以国家能源集团某大型水轮发电机局部放电分析数据为例进行说明。发电机额定容量为183.34MVA，额定电压为15.75kV，定子电流为6721A，定子绕组绝缘等级为F级。
发电机停机检修期间，将发电机与主变压器断开，解开发电机中性点，将发电机二次端子和测温元件短接接地，转子绕组从碳刷处短接接地，串联谐振装置从发电机中性点加压。
无时滞转换系统1从发电机出口侧软连接接入高压试验信号，局部放电分析系统采样率设置为1GHz。发电机定子绕组A、B、C三相分别加压至额定相电压9.1kV和额定相电压15.75kV，局部放电分析系统对上述6个试验点，每个试验点采集150个工频周波的局部放电数据进行分析。
从高压试验回路注入1000pC标准脉冲对系统校准。局部放电分析系统完成校准后，从高压试验回路注入2000pC标准脉冲。局部放电分析系统得到第1个周波的局部放电时域图，见图8，记录系统校准误差为0.6％。
以各个试验点150个周波中最大局部放电量进行记录。局部放电量见表1，最大局部放电时域图见图9-图14。
Figure BDA0003050608870000091
由最大局部放电量统计数据可见，B、C相15.75kV时局部放电量呈明显增大趋势。A相15.75kV时最大局部放电量1495pC；B相15.75kV时最大局部放电量4552pC；C相15.75kV时最大局部放电量5043pC。
以局部放电量最大的C相为例，与局部放电量最小的A相对比，通过局部放电图谱进一步分析。不带试品空升时试验回路的背景干扰，见图15。15.75kV时A相和C相的局部放电图谱见图16和图17。
可见，A相15.75kV时局部放电点分布与背景噪声类似，相位集中分布在30、120、240三处，结合局部放电量增加不多，由此判断A相定子线棒绝缘状态良好，测量到的放电数据主要为背景干扰。
C相15.75kV时局部放电点呈分散特性，分布于整个相位窗。结合局部放电量增大较多，判断C相定子线棒绝缘存在较多放电点，且分布于定子绕组首端至尾端，不同放电点产生的局部放电信号受定子绕组分布参数影响，不同路径传播至局部放电分析系统时呈现出分散特性。放电强度集中分布于2400pC左右，最大放电量达到5043pC。
本实例局部放电分析系统采用GHz采样率，大幅度改善了测试结果准确性，解决了传统局部放电设备测试结果稳定性较差的问题。以A相15.75kV为例，1-50周波最大局部放电量变化趋势见图18。由图18可见，50个周波的最大局部放电量在1250pC-1500pC之间波动，波动范围低于20％，具有较好的稳定性。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：包括无时滞转换系统、同步信号时钟系统、局部放电信号高速采集系统和局部放电数据分析系统，所述无时滞转换系统分别与同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统连接，所述同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统均与局部放电数据分析系统连接；
所述无时滞转换系统从发电机出口高压试验回路中接入电压信号，并将该电压信号线性缩小后分别输入同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统，同步信号时钟系统用于生成与电压信号同步的同步时钟信号，局部放电信号高速采集系统用于对缩小后的电压信号进行高通滤波、模数转换和存储，局部放电数据分析系统用于对局部放电数据进行处理。
2.根据权利要求1所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述无时滞转换系统与一三通转换接头连接，所述三通转换接头将无时滞转换系统输出的信号转换为两路一致的电压信号，并分别输入同步信号时钟系统和局部放电信号高速采集系统。
3.根据权利要求1所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述同步信号时钟系统包括依次连接的工频信号提取电路、调理电路模块、保护电路模块和同步电路模块。
4.根据权利要求3所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述工频信号提取电路为上限截止频率为10kHz的低通滤波器。
5.根据权利要求4所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述保护电路模块包括比较器和钳位电路。
6.根据权利要求1所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述局部放电信号高速采集系统包括依次连接的局部放电信号提取电路、高速采集模块、高速存储模块和数据通信模块。
7.根据权利要求6所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述局部放电信号高速采集系统的采样率为1GHz，分辨率为16位，数据流量为2GB/s。
8.根据权利要求7所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述局部放电信号提取电路为高通滤波电路。
9.根据权利要求8所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述高速采集模块与高速存储模块之间通过第三代高速串行总线PCIe Gen3 x8连接，带宽为16GB/s，高速存储模块采用的磁盘阵列容量为4TB，读写速度5GB/s。
10.根据权利要求1所述大型水轮发电机定子绕组局部放电分析系统，其特征在于：所述局部放电数据分析系统对局部放电数据处理的流程为
(1)确定有效脉冲特性参数
以等效时间宽度、脉冲计数阈值和脉冲振荡速度作为特征参数；
(2)脉冲波形划分
将采集信号f23(n)划分为脉冲波，
Figure FDA0003050608860000021
式中，共计M个脉冲，M1个局部放电脉冲，M2个高频段干扰脉冲。
(3)提取有效脉冲提取
有效脉冲判定条件如下，
Figure FDA0003050608860000022
ΔT为等效时间宽度、N为脉冲计数阈值和v为脉冲振荡速度；
(4)对有效脉冲进行统计分析
对有效脉冲进行分析，记录局部放电脉冲的统计信息，包括：局部放电量、起始相角、脉冲时宽和脉冲极性。
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