基于超高频法的变频电机局部放电检测方法研究

基于超高频法的变频电机局部放电检测方法研究

0电机缘生质量的影响因素分析频损失电机是采用频损失电机的特殊响应电机。它具有良好的速度性能、易于启动、节能等优点，因此得到了广泛应用。变频电机采用脉宽调制(pulsewidthmodulation,PWM)驱动技术,变频器输出波形具有快速上升/下降沿、高重复频率及幅值,给变频条件下的绝缘带来新的问题,绝缘早期失效时有发生,降低了变频电机的可靠性。研究表明,当逆变器输出的具有陡上升/下降沿的脉冲电压在连接电缆与电机处因阻抗不匹配而形成的过电压超过变频电机绝缘系统的局部放电起始电压(partialdischargeinceptionvoltage,PDIV)时,PWM脉冲上升/下降沿处产生局部放电,会造成电机绝缘快速裂化,这是变频电机绝缘失效的主要原因。为解决以上问题,国际电工委员会(internationalelectrotechnicalcommittee,IEC)提出相关标准,指出在电机投入运行前,应对电机进行局部放电实验,以测定PDIV并作为判断电机绝缘性能的参考,避免电机运行中局部放电导致电机失效现象的发生,从而提高电机绝缘系统的可靠性。对散绕(Ⅰ类,额定电压<700V)和成型绕组(Ⅱ类,额定电压>700V)这2类电机耐受局部放电的方面具有不同的要求。Ⅰ类电机运行过程中不允许有局部放电产生,Ⅱ类电机允许有一定量的局部放电存在。根据IEC6034标准,对电机绝缘系统进行局部放电检测应采用单极性或双极性脉冲方波电压,以模拟电机运行中PWM变频器的输出电应力;采用传感器耦合局部放电脉冲,记录局部放电产生时的最小电压为PDIV。然而,不同于传统正弦交流和直流电压下的局部放电检测(根据IEC60270标准),陡脉冲上升/下降沿处的连续方波电源产生的强干扰,给局部放电信号的提取造成较大困难。实际测试中,局部放电常被淹没在连续方波电源干扰中,局部放电脉冲的识别和PDIV的测试技术引起行业内的重点关注。针对连续方波电压下的局部放电测试,国内外学者开展了一些研究。主要基于以下4种方法:(1)对IEC60270标准中的直测法进行部分改进,后端配合数字/模拟处理信号技术以提取局部放电信号;(2)采用高频电流耦合器(highfrequencycur-renttransformer,HFCT)来提取信号,利用平衡电路等措施来抑制干扰,后端配以滤波技术或时频处理方法来提取局部放电信号;(3)采用超高频(ultrahighfrequency,UHF)天线来测试局部放电,后端通过合适带宽的频域滤波来提高系统灵敏度;(4)采用光测法来提取局部放电信号。方法(1)仍然不能抑制较强的脉冲电源干扰,只能在连续方波电压上升/下降沿较小(如10μs)时才能得到满足要求的信噪比(signal-to-noiseratio,S/N);方法(4)需要在暗室中进行,适合实验室研究,无法应用于电机绝缘检测;方法(2)虽不能完全抑制电源干扰,但测试方便,当局部放电信号较强或局部放电信号和电源干扰通过时域开窗可分离时,可用于现场测试;方法(3)具有较高的S/N,但测试灵敏度与天线位置有较大关系,电磁信号衰减较快,使用中往往受限于电机的构造,有时可能无法布置天线以满足合适的灵敏度。本文旨在对比研究连续方波电压下,电机绝缘局部放电检测中具有潜在应用价值的方法(2)和方法(3),分析局部放电信号和连续方波电源干扰的特征,从而为连续方波电压下变频电机绝缘局部放电信号的提取提供依据。本文分别设计了HFCT传感器和UHF天线传感器,利用上升沿为200ns的连续方波电压,对变频电机绝缘耐电晕交叉电磁线试样进行了局部放电检测。对局部放电发生在电压上升区和平稳区这2种情况下得到的信号进行了分析和处理,并提出了采用方法(2)和方法(3)进行局部放电检测时的建议。1局部放电测试试验本文研究采用的测试系统如图1所示,连续方波电源由8个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块串联,结合控制电路,可产生最高电压幅值为7kV的双极性连续方波电压。当连续方波电压峰峰值为4.0kV、频率为50Hz、占空比为50%、上升沿为200ns时,脉冲电源输出电压如图2所示。图1中R1和R2分别代表带宽为50MHz、分压比为1000:1的分压模块,其输出电压接至数字示波器(带宽为2GHz,最高采样频率为16GHz)的CH1作为触发同步信号。测试试样Cx由低压电机耐电晕漆包线制备而成,交叉角度为60°,1端接高压脉冲方波信号,1端接地。接地端通过HFCT传感器来耦合局部放电信号,其中Rd为阻值为50Ω的无感积分电阻,HFCT传感器输出信号经带宽为0~1GHz的放大器输入至数字示波器的CH2。采用UHF锥形天线来耦合局部放电信号,天线输出接至数字示波器CH3。为连续采集多个周期的局部放电和电源同步信号,数字示波器通过IEEE488.2通讯协议连接至计算机,经过基于虚拟仪器软件控制系统传输并记录多个周期数据,处理后的数据存储至数据库以备后期分析处理。HFCT传感器采用镍锌材料,线圈匝数为20,外接无感积分电阻。为抑制电源产生的干扰,锥形天线在频率>1.0GHz时的增益>3.5dB,测试过程中天线与试样的距离始终保持在20cm,为防止电磁信号折反射的影响,测试周围不加金属屏蔽。另外,为消除其他环境因素的影响,整个测试过程中温度和相对湿度分别控制在17℃和20%。在连续方波电压峰峰值为2.5kV和4.7kV下分别对试样进行局部放电检测。实验发现,本研究中试样起始放电电压约为2.0kV。当连续方波电压峰峰值为2.5kV时,放电出现在连续方波电压上升沿之后;而当连续方波电压峰峰值为4.7kV时,所有放电脉冲出现在连续方波电压上升沿处。2局部放电与连续方波电源干扰的频域特性连续方波电压峰峰值为2.5kV时,由于需要相对较长的初始电子等待时间,所以局部放电出现在上升沿后约20uf06ds处,如图3和图4所示。连续方波电压上升沿在HFCT传感器和UHF天线传感器上都耦合出较强干扰,2种情况下局部放电(PD)和脉冲电源干扰脉冲的幅值和宽度大小如表1所示。由表1可见,对于HFCT传感器的输出,连续方波电源干扰幅值高于局部放电脉冲,此时测试系统已不能采用局部放电作为系统触发。对于UHF天线传感器的输出,局部放电对连续方波电源干扰表现出较强的信噪比(S/N),天线接收到的局部放电脉冲持续时间较短。为分析局部放电脉冲和连续方波电源干扰的频域能量特性,对HFCT和UHF天线输出信号分别进行频谱分析,结果如图5所示。由图5(a)可知,在频域的绝大部分,连续方波电源干扰的能量覆盖了局部放电脉冲能量,可见如果采用频域滤波方法,就很难提高系统S/N。而由图5(b)可知,对于UHF测试方法,电源干扰主要集中在400MHz频率以下,局部放电能量主要集中在500~800MHz频率范围内,此时频域滤波将会大幅提高信号的S/N。3uhf天线内充放电脉冲和电源干扰当连续方波电压峰峰值为4.7kV时,每个周期电压幅值未上升到最大值处已达到PDIV,局部放电全部出现在电压上升沿处,此时HFCT传感器和UHF天线传感器输出如图6所示。由图6(a)可知,对于HFCT传感器,局部放电脉冲和电源干扰出现重叠。采用Hamming窗对图6(a)波形进行时频分析,得到的短时Fourier变换(shorttimeFouriertransformer,STFT)结果如图7(a)所示,此时局部放电在时域和频域已几乎被淹没在连续方波电源干扰中。对比图4(b)和图6(b)可知,当连续方波电压峰峰值由2.5kV升高至4.7kV时,连续方波电源在UHF天线传感器上未出现大幅变化,而局部放电脉冲幅值大幅增加,测试系统表现出较强S/N。对图6(b)波形进行时频,分析得到的STFT结果如图7(b)所示,它同样说明局部放电脉冲的能量主要集中在400MHz以上的高频。4脉冲序列间相关分析由上述分析可知,连续方波电压峰峰值为4.7kV时,局部放电脉冲和电源干扰的叠加给局部放电脉冲提取造成较大困难。为选择合适提取方法,应对周期性出现的连续方波电源干扰特性进行分析。当连续方波电压峰峰值分别为2.5kV和4.7kV时,连续记录采集HFCT传感器输出信号。系统采样频率为4GHz,2个周期间的处理时间为1s,采集20个周期数据,在0相位处截取N点数据,即为可能叠加有局部放电信号的连续方波电源干扰。设x和y为其中连续的2组信号向量,可分别表示为x=[x1,x2,…,xi,…,xN],y=[y1,y2,…,yi,…,yN]。则2组信号间相关系数r为式中:。脉冲序列间相关系数的计算结果如图8所示。由图8可知,当连续方波电压峰峰值为2.5kV时,由于局部放电出现在上升沿后,所以所有周期电源干扰脉冲表现出较强的相关性,其值大约为1;而当连续方波电压峰峰值为4.7kV时,由于出现局部放电,所以连续方波电源干扰的相关系数出现较大波动。因此,当连续方波电压保持不变时,连续方波电源干扰与局部放电脉冲重叠波形的相关系数可作为局部放电是否出现的判据。5干扰抑制和局部辐射提取的干扰5.1系数分布在双程序码内的编码由图5(b)和图7(b)频谱分析可知,局部放电在UHF天线上的能量主要集中在400MHz频率以上。采用78阶Butterworth高通数字滤波器处理前后的波形如图9所示。由图9可知,此时连续方波电源干扰已被完全抑制,而局部放电幅值衰减仅约1.5倍。5.2层分解过程中的特性由上述分析可知,当局部放电脉冲和电源干扰重叠出现在连续方波电压上升沿处时,局部放电脉冲在频域已被完全淹没在连续方波电源干扰中,因此无法采用频域滤波方法提取局部放电脉冲。此时采用时频分析方法,利用sym2小波对图6(a)中局部放电信号进行2层分解,分解示意图如图10(a)所示。图l0(a)中:s为图6(a)中的局部放电信号;a1和d1分别为对s进行第1层分解后的低频和高频系数;a2和d2分别为对s进行第2层分解后的低频和高频系数。图10(b)中列举出分解过程中的波形,当分解至第2层时,高频系数d2呈现出被分离出的脉冲信号。由于:(1)当无局部放电出现在连续方波电源干扰处时,干扰脉冲为逐渐衰减的振荡波形(如图3(b)所示);(2)对比图6(b)在此相位处出现局部放电后可知,淹没在原始信号中的局部放电脉冲导致高频成份小波系数d2在此位置出现峰值,所以进行阈值处理后重构,可有效从HFCT输出信号中提取出淹没在连续方波电源干扰的局部放电脉冲。6uhf天线特点通过对HFCT和UHF这2种检测技术的对比研究,得出在根据IEC标准:1设计变频电机绝缘局部放电检测系统;2在具有连续方波电压对电机进行陡上升沿下的局部放电检测时,应该关注以下结论:1)HFCT方法适用于峰值电压较低,局部放电脉冲和电源干扰未发生重叠时的局部放电检测,连续方波电源干扰在频域较大范围内能量高于局部放