发电机局放在线监测技术研究

1、局部放电在线监测技术局部放电在线监测技术研究和实践研究和实践上海交通大学在线监测技术研究中心钱勇2011年9月24日SJTU-OMRC一一. 发电机局部放电及其在线监测技术发电机局部放电及其在线监测技术二二. 发电机局放在线监测系统研究发电机局放在线监测系统研究. 局放信号处理与评估技术研究局放信号处理与评估技术研究. 思考与总结思考与总结主要内容SJTU-OMRC一一. 发电机局部放电及其在线监测技术发电机局部放电及其在线监测技术SJTU-OMRC检测方法检测方法：绝缘电阻、吸收比、极性指数、泄漏电流、 介质损耗试验、交直流耐压试验、 离线局放试验等缺点缺点：离线测试、在线监测困难、间接结果

2、绝缘损坏绝缘损坏是大型电力设备发生事故概率最高的部分 电、热、机械和环境等因子 绝缘老化事故不管何种因子引起的绝缘老化局部放电 不需停电、连续监测、预警时间长(可达半年2年)SJTU-OMRC2、离线检测和在线监测、离线检测和在线监测发展方向发展方向： 带电测试的在线监测在线监测技术和状态维修状态维修技术 传统的预试预试方法： 设备必须停电，申批困难； 试验周期长，试验工作量大； 试验电压低，不能真实反映出设备的状态； 绝缘劣化是一个累积和发展的过程， 往往无法发现潜在缺陷； 过渡维修的风险SJTU-OMRC3、局部放电、局部放电绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，这种

3、现象称之为局部放电。图： 含有单气隙的绝缘结构SJTU-OMRC4、发电机绝缘系统模型：、发电机绝缘系统模型：铜棒铁芯铜棒铁芯绝缘与铁芯间气隙绝缘层内部气隙绝缘与铁芯间气隙绝缘内部气隙铜棒与绝缘间气隙铜棒与绝缘间气隙绝缘层SJTU-OMRC5、放电类型：、放电类型：导体和绝缘体间放电内部放电 槽放电端部放电 局部放电：局部放电：火花火花(电弧电弧)放电放电 ： 定子线圈股线断裂引起以上统称故障放电故障放电SJTU-OMRC6、发电机绝缘老化和击穿模型：、发电机绝缘老化和击穿模型：绝缘击穿前局放量下降局放强度绝缘击穿SJTU-OMRC7、局放在线监测方法：、局放在线监测方法：a) 中性点耦合中性

4、点耦合(射频射频)监测法监测法 50年代、西屋公司。后又有改进(高频、宽带)b) 便携式电容耦合监测法便携式电容耦合监测法 70年代、加拿大Ontario Hydro公司，高压端、375pFc) PDA监测法监测法 70年代、加拿大Ontario Hydro公司，用于水轮发电机d) 槽耦合器槽耦合器(SSC)监测法监测法 1991年，IRIS公司e) RTD监测法监测法 80年代末，用RFCT(10k250M)SJTU-OMRC8、在线监测用传感器、在线监测用传感器：电容传感器 安装在发电机的汇流母线上或三相出线上 可采用差分接线或方向式接线方式 80pF ：下限截止频率在40MHz左右 大容

5、量的电容式传感器 500pF： 6.4MHz 1000pF: 3.2MHz 80pF电容传感器6.9kV、15kV和25kV SJTU-OMRC8、在线监测用传感器、在线监测用传感器：电流传感器 高频电流传感器、罗柯夫斯基（Rokovski） 线 圈；(100kHz 30MHz) 非接触式，对一次设备影响很小； 灵敏度较电容式传感器低 ； 信号的分析有一定难度双半圆合体铝质外壳和搭链式扣具双环形自封闭射频传感器外壳SJTU-OMRC8、在线监测用传感器、在线监测用传感器：定子槽耦合器 埋放在定子槽楔下 ；6-12个 （10M 1G） 距离局放源近，信号畸变小，信噪比高 ； 安装较复杂，5天SJ

6、TU-OMRC8、发电机局放在线监测中的关键问题、发电机局放在线监测中的关键问题v 抗干扰问题抗干扰问题 -虚警虚警 白噪声干扰、窄带周期性干扰和脉冲型干扰。 如何根据测试的数据判别系统的绝缘状况 并进一步确定绝缘状况的详细信息： 劣劣化原因、故障类型、严重程度化原因、故障类型、严重程度以及故障点位置故障点位置v 数据的解释和绝缘状况的判定数据的解释和绝缘状况的判定SJTU-OMRC二二. 发电机局放在线监测系统研究发电机局放在线监测系统研究SJTU-OMRC1 1、OMRCOMRC开发的发电机局放在线监测系统开发的发电机局放在线监测系统v2000年，完成宽带窄带系统(DSP高速采样)v200

7、3年， 基于DSP集成前端的分布式在线监测系统SJTU-OMRC2、设计要点、设计要点I. 传感器选择传感器选择 电流传感器 VS 电容传感器II. 系统带宽选择系统带宽选择 窄带: 1MHz 2.5kHz 宽带: (a)250kHz 2.5MHz (b)500kHz 10MHzIII. 采样参数选择采样参数选择 (a)10MHz, 12bit, 16MRAM PC卡 (b)25MHz, 12bit, 64MRAM DSP CardIV. 系统结构系统结构 (a) 传感器+前置放大器+工控机（高速数据采集）+光缆网络+服务器（数据库、专家系统） (b) 传感器+集成前端(DSP+ARM+uCl

8、iunx)+光缆网络+服务器（数据库、专家系统）SJTU-OMRC二、系统配置方案(a)基于基于DSP的集成前端的集成前端SJTU-OMRC二、系统配置方案(b)SJTU-OMRC3、组成分布式监测系统C o m3基 于 D S P 的 局放 监 测 装 置0 G2 G3 G惠 普 服 务 器数 据 及 报 警 显 示传 感 器传 感 器传 感 器光缆光缆光缆光缆光 缆 收 发 和 集 线器基 于 D S P 的 局放 监 测 装 置基 于 D S P 的 局放 监 测 装 置1 G传 感 器基 于 D S P 的 局放 监 测 装 置SJTU-OMRC系统外观系统外观 SJTU-OMRC线棒

9、试验测试结果示例：时频域线棒试验测试结果示例：时频域线棒放电38kV放电时域和频域波形SJTU-OMRC线棒试验测试结果示例：三维图谱线棒试验测试结果示例：三维图谱(a) 38KV (b) 20KV图: 线棒放电典型三维图谱(X轴为相位：度，Y轴为信号幅值：mV，Z轴为放电次数：次/S)SJTU-OMRC线棒试验测试结果示例：二维图谱线棒试验测试结果示例：二维图谱 (a) 38KV (b) 20KV 图: 线棒放电正负极性脉冲分布图(纵坐标为放电次数:次/S)050100150 200mV10010001000010250正脉冲负脉冲04080120160mV10010001000010正脉冲

10、负脉冲SJTU-OMRC现场测试示例：时频域现场测试示例：时频域图： 二号机组检测信号波形/滤波后信号波形和频域特性SJTU-OMRC现场测试示例：典型的槽放电现场测试示例：典型的槽放电图: 二号机组的三维图谱020406080mV100100010000正脉冲负脉冲 图: 机组放电正负极性脉冲分布图SJTU-OMRC4、小结、小结DSP高速高速采样(25M)。 一次可连续采样连续采样几十个工频周期集成嵌入式系统前端，安全可靠,全自动运行免维护100M光缆光缆网络，C/S结构。可实现对多台电机的分布式分布式监控系统。提供小波分析、神经网络、FIR滤波和自适应滤波等多种抗噪多种抗噪手段。构筑在W

11、INDIWS NT操作系统和SQL数据库平台上的故障特征值数据库故障特征值数据库系统，保存长期的局放特征信息。历史数据智能分析系统历史数据智能分析系统，提供高可信度的故障判断能力。发电机中性点中性点采集机内放电信号，安全可靠，灵活性好，施工方便。采用宽带宽带加窄带信号采样分析，同时保留射频检测，大幅度提高系统可靠性。模块化模块化设计的开放式系统软件环境，完全可移植，可以简单地外挂和追加新发展的算法。SJTU-OMRC三、发电机局放信号处理与评估技术研究三、发电机局放信号处理与评估技术研究SJTU-OMRC1、局放信号处理及分析框架检测数据局放数据解释预处理结论提取特征量验证数据库知识库图: 局

12、放信号处理及分析流程 局部放电的诊断过程主要包括四个部分：预处理、特征提取、数据解释和确证 SJTU-OMRC局部放电数据基于时间分布的数据基于相位分布的数据统计特征参数指纹特征参数模糊评估趋势分析聚类分析相似分析评估结论图: 局放的分析评估框架SJTU-OMRCn窄带周期性干扰的抑制FFT、自适应滤波、小波滤波等n白噪声干扰的抑制时域平均、小波滤波等n脉冲型干扰的抑制（最难抑制）脉冲识别，如采用神经网络2、局放信号预处理SJTU-OMRC 自适应滤波实测信号处理图：基于EMD的滤波算法处理的结果SJTU-OMRC 小波滤波仿真信号处理SJTU-OMRC 小波滤波实测信号处理SJTU-OMRC

13、神经网络抑制随机脉冲干扰:随机脉冲干扰在频域上与局放信号有着非常强的类似性，用传统的频域方法难以有效地将其去除。基于时域波形的不同特征， 采用在有效地提取单个脉冲波形的基础上，用神经网络来完成信号和随机脉冲干扰的模式识别，在识别的基础上对随机脉冲干扰进行有效地去除。SJTU-OMRC 神经网络滤波:数据处理流程图数据处理流程图SJTU-OMRC神经网络抑制随机脉冲干扰:典型局放典型局放SJTU-OMRC神经网络抑制随机脉冲干扰:典型干扰SJTU-OMRC神经网络抑制随机脉冲干扰:实例0204060-2000-1500-1000-50005001000150020000204060-200-15

14、0-100-50050100150200T/mST/mSSJTU-OMRCn基于时间的局放数据提取最大放电量、平均放电量等参数（共20个）n基于相位的局放数据提取偏斜度、突出度、不对程度等参数（共78个）3、提取特征参数SJTU-OMRC图： 平均放电量SJTU-OMRC图: 局放的指纹图谱 SJTU-OMRCn基于时间的局放数据模糊评估、趋势分析n基于相位的局放数据相似分析、聚类分析4、局放数据分析评估SJTU-OMRC204060801000.510模糊低模糊中模糊高每天的局放量每周的局放量每月的局放量局放正常局放正常根据日、周、月之间的组合逻辑给出结论属于模糊集合低？属于模糊集合低？YN

15、YN开始图： 局放模糊评估流程图图：模糊变量表示4、局放数据分析评估模糊评估SJTU-OMRC图: 局放详细趋势（a）4、局放数据分析评估趋势分析SJTU-OMRC图: 局放详细趋势（b）SJTU-OMRC图: 局放相位分布图谱4、局放数据分析评估相似分析SJTU-OMRC指纹的相似性分析图： 相似率的分布情况（a）图: 相似率的分布情况（b）分析结论：1）当相似率分布图只有一个主峰或呈现浴盆曲线性状时，表明放电的类型较稳定；2）当相似率分布图中出现多个主峰时，表明局放的模式出现了变化，此时系统的绝缘状况应该引起注意。 SJTU-OMRCSJTU-OMRC图： 平均放电量正、负半周的Sk-Ku

16、图谱(发电机A)图：平均放电量正、负半周的Sk-Ku图(发电机B) 4、局放数据分析评估其它，Sk-Ku图谱比较SJTU-OMRCSk-Ku图谱分析结论：1）不同发电机的Sk-Ku图谱之间具有明显的相似性，其数据分布与局放严重程度之间存在明显的关联，可用作参考评估发电机的局放严重程度；2）放电量和放电次数Sk-Ku图谱均呈现出二次曲线的性状。局放轻微的发电机，其放电量和放电次数Sk-Ku图谱在四个象限均有数据分布；局放严重的发电机，其放电量和放电次数Sk-Ku图谱主要分布在第三和第四象限。3）局放幅值的Sk-Ku图谱主要分布在第一象限，呈现三次曲线的性状。相比局放轻微的情况，局放严重的发电机的

17、数据变化范围出现较大幅度的增加。 SJTU-OMRC四四.思考与总结思考与总结SJTU-OMRCv抑制干扰能力v检测定子局部放电范围v测试系统对被检测系统安全的影响v非接触式测量 思考之一：传感器选择思考之一：传感器选择SJTU-OMRCv信号检测的灵敏度 窄带（5kHz）： uV, 宽带(数兆Hz)：mVv系统的抗干扰能力: 信噪比v能否被数字化 宽带数字化是解决干扰的有效手段思考之二：带宽选择思考之二：带宽选择离线测试（IEC270-2000; GB/T7354-XXXX）： 窄带： 9kHz f 30kHz ; 50kHz fm 1MHz宽带： 30kHz f 1 100kHz ; f2 500kHz 100kHz f 400kHzSJTU-OMRCv采样频率 2 * 模拟信号频率,v采样位数 影响信号分辨率和后续处理v连续采集能力 局放与工频电压有关， 提高抗干扰能力 10MHz20MHz, 12bit, 2个工频周期数字化信号处理的巨大潜力要求数字化系统必须达到一定要求思考之三：数字化系统思考之三：数字化系统SJTU-OMRCv考虑局放趋势 ： 数据库支持v考虑工况： 进一步确定缺陷类型