基于超声法的大电机局部放电监测系统及其仿真验证陈学军1,2,杨永明1,汪金刚1,陈民铀1(1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆市400044;2.莆田学院电子信息工程系,福建省莆田市351100)摘要:探索了一种新的监测大电机绕组绝缘质量的局部放电方法。
介绍了一种基于超声法和虚拟仪器的局部放电实时在线监测系统,分析了系统组成原理和各部分功能。
通过实验分析了局部放电超声波信号在大电机定子内的传播特性,以及该超声信号在发电机正常运行时弱噪声和强机械背景噪声下的传播区别。
实验证明,利用超声波对大电机绕组绝缘局部放电进行监测是可行的,为实现局部放电故障点定位提供了前期准备工作。
关键词:局部放电;超声;在线监测;电机;虚拟仪器收稿日期:2010-05-09;修回日期:2010-07-21。
0 引言大型电机在运行过程中,长期受热、电、机械应力及环境等因素的影响,将会直接或间接地使定子绝缘的一些薄弱环节在局部场强作用下局部放电,最终导致电机出现故障。
为此,国内外运用局部放电的有用信息来诊断和监测高压大电机绕组主绝缘的老化状况,并成为一种常用的监测手段[1-4]。
从20世纪50年代早期Johnson 和Waren 发现电机槽放电以来,大型发电机故障放电在线监测技术有了很大的发展,并有一些已成功应用于实际的局部放电在线监测系统[5-6]。
但是大部分研究都是采取局部放电的脉冲电信号数量、幅度和相位极性来反映绝缘系统的状况[3,7-9],而且在评判局部放电方面没有统一的标准,各自的研究系统仅适用于具体的绝缘系统,仍有一系列问题有待解决[10]。
随着超声法在变压器局部放电的研究及应用日趋成熟[11],近年来,国内外研究者在利用超声法检测定子绝缘线棒局部放电老化方面已做了相关研究[12-13]。
为了实现基于超声法大型电机局部放电在线监测,本文介绍了一种基于超声法和虚拟仪器的局部放电在线实时监测系统。
用该系统对大型电机的微弱局部放电信号进行采集,并应用快速傅里叶变换(FFT)理论进行信号的处理分析,再结合虚拟仪器软件LabView 进行界面化实时监测分析,并成功地进行了实验分析验证。
1 在线监测系统的硬件结构该大电机局部放电在线监测硬件系统包括以下几部分:前端声发射传感器、声发射前置放大器、4路同步数据采集卡和基于虚拟仪器技术的人机界面化及后台数据库监测系统平台,如图1所示。
由声发射传感器把采集到的局部放电超声信号通过放大器放大,再经同步数据采集卡送给上位机基于虚拟仪器的在线监测系统,由此实现局部放电超声信号的采集、处理、分析和监测。
图1 系统硬件结构Fig.1 Hardw are structure of the system1.1 声发射器及放大器选择大电机定子局部放电在线监测的关键是把定子局部放电的信号与噪声信号区别开来,并尽可能地抑制和消除噪声信号。
除了电力系统中的载波及高频保护,其余诸如无线电波、转子滑环接触不良产生的火花放电和转子接地电刷接触不良产生的火花放电、励磁系统中整流元件换向时的寄生脉冲和整流元件的触发脉冲等频率范围大多在300kH z 以上[14]。
考虑到大部分高压电气设备局部放电声波信号的频率分布范围变化不大,基本处于35kH z~300kH z 频段;另外,传播介质对声波的吸收系数随频率的平方增长,即频率越高,吸收系数越大,声波在传播中的衰减越厉害,因此,系统最好利用低频段的声波信号,以保证其灵敏度,所以本系统选用PXR04型声发射传感器。
该传感器具有高灵敏度,且频率响应范围相对较窄,性价比高[15]。
这样不但可以克服上述缺陷,而且完全符合局部放电信号超84 第34卷 第20期2010年10月25日Vo l.34 N o.20Oct.25,2010声频段的技术要求。
PXPA 宽带声发射前置放大器增益为40dB,带宽为15kH z~2MH z,且噪声低,与PXR04型声发射传感器通过BNC连接器可紧密配合连接。
1.2 同步数据采集卡在线监测系统的数据采集模块采用研华公司的PCI-1714U L数据采集卡。
PCI-1714UL是一款高速同步4路模拟量输入卡,可用于生产线应用、ATE和RD实验室应用的声音和振动测试。
该数据采集卡的采样速率可达107次/s,具有同步采样功能,使用4个相同的电路和A/D转换器用于每个模拟量通道,每个通道带有32kB的FIFO存储区,能够确保数据传输具有最佳的速度和数据完整性[16]。
因此,构成的在线监测系统可实时同步并行采集4通道局部放电信号,为后期的局部放电定位提供了方便。
1.3 虚拟仪器监测系统基于虚拟仪器技术的人机界面化监测系统软件采用虚拟仪器LabView进行开发,其运行机制包括数据采集、人机界面、配置与策略分析、运行引擎(LVRunT imeEng)[17]、数据存储五大模块。
人机界面功能主要实现初始化设置、通道信号实时显示、频谱图显示、通道选择、触发设置、数据存储等功能。
与传统监测仪器相比,系统实现和完成了传统仪器硬件与计算机充分结合的功能,并扩展了传统仪器的功能,完成了数据的采集、分析和显示。
1.4 信号处理考虑到大部分高压电气设备运行过程中产生的局部放电超声信号主要处于35kH z~300kH z频段[14],因此,系统在前期的信号处理方面仅采用简单的巴特沃斯带通滤波器去除其频率段以外的噪声,再对其进行相应的FFT,并分析其对应局部放电超声信号的频谱特性。
2 实验与结果分析2.1 放电模型与模拟放电对比实验及分析为了便于运用系统进行实验测试,最根本的就是要获得比较准确的绝缘线圈局部放电信号源的频率范围,以便于仿真局部放电信号运用于实验。
首先在高压局部放电实验室对绝缘线圈局部放电模型进行测试。
现以其中一种放电模型 防晕层破坏端部的放电模型(见图2)进行加压实验。
对升压变压器进行逐渐升压,当加在端部的电压超过6kV时,部分被破坏的绝缘层被击穿,产生局部放电,并伴随有超声波产生。
监测系统测得其局部放电超声信号如图3所示。
从图3中可以看出,其信号值并不大,且得到的频率范围主要小于100kH z,并因PX04声传感器的中心频率为96kH z,所以在96kH z左右频谱值较大。
图2 防晕层破坏的放电模型Fig.2 Partial discharge model of destruction ofant-i coronalayer图3 放电模型的放电超声波时域和频域特性Fig.3 Ultrasonic spectrogram of the partialdischarge model在同样的高压局部放电实验室环境下,利用局部放电模拟器作为局部放电源进行了局部放电超声波检测。
图4为获取的局部放电模拟器的超声波时域和频域特性。
图4 局部放电模拟器模拟放电超声波时域和频域特性Fig.4 Ultrasonic spectrogram of the spark lighters将局部放电模拟器产生的超声波信号与绝缘线圈局部放电模型产生的超声波信号进行对比。
可以看出,两者的主要区别在于检测到的超声波信号的衰减速度。
图3所示的真实放电超声波形幅值不大,当信号达到峰值后振荡衰减比较均匀,并伴随着噪声;图4所示的超声波信号强,峰值明显,且波形更陡,达到峰值以后衰减更快。
所以,局部放电模拟器模拟放电与模型真实放电产生的超声波信号有一定的区别,但两者的频率范围均集中在100kH z以内。
对比两者实验条件存在的原因,模型放电信号85研制与开发 陈学军,等 基于超声法的大电机局部放电监测系统及其仿真验证幅值较小,主要是因为模型放电实验时,因施加高电压,所以声发射传感器距放电源存在一定的距离,以及升压变压器升压时产生的噪声,均影响了超声波信号的传播及幅值的变化。
因此,可采用局部放电模拟器作为局部放电源进行实验测试。
2.2 模拟发电机局部放电实验与分析实验目的是为了验证本文研究的系统是否可应用于电机局部放电超声波监测。
因故障电机局部放电实验条件难以实现,而且即使是一台已知有局部放电信号的电机,采集到局部放电信号亦难以区分哪部分为真正的局部放电信号,不利于系统研究验证,因此,本文实验所用的发电机是重庆大学电气工程学院的模拟发电机,为北京电力设备总厂1999年12月生产,型号为M F -15,额定功率为15kVA,额定电压为380V,额定电流为22.8A 。
其定子的3个绕组采用星形接法,定子外圆直径85cm,内圆直径60cm,定子长度80cm 。
本系统由发电机、局部放电模拟器、超声波接收传感器、信号放大和滤波系统、采集卡、计算机等组成,如附录A 图A1所示。
实验时把超声波传感器安放在发电机端部外圆壁上。
首先,运行发电机,当模拟发电机组微机传动控制器显示电枢电压为140V 、转速为996r/m in 时,测得发电机噪声的时域和频域特性见图5(a)。
图5 模拟发电机监测系统时域和频域特性Fig.5 Ultrasonic spectrogram of thesimulation experiment在发电机同样的运转环境下,在模拟发电机组MF -15端部进行局部放电模拟器放电,测得在图5(a)背景下的模拟局部放电信号的时域和频域特性见图5(b),对发电机机械噪声和模拟局部放电图像进行频谱分析和比较。
从图5(a)可见,正常的发电机噪声随着工频周期平稳地重复,在每个周期内由7个波峰组成,在各个频段上有着均匀分布态势,且频率范围集中在20kH z 以下;从图5(b)可见,局部放电模拟器模拟局部放电频谱在30kH z 和95kH z 左右幅频远大于机械噪声幅频,主要是由于局部放电的频谱集中在20kH z~120kH z,只是在靠近声发射传感器中心频率稍有增大。
由此可直接通过观察波形的形状或通过对信号的频谱分析来判断是否有局部放电。
由于本文研究的是4通道同步采集信号系统,亦可用其中一路接电流传感器,通过电 声联合监测发电机定子局部放电。
2.3 高压异步电机局部放电实验及分析为了在不同运行情况下对系统监测进行验证,以重庆某电机厂新生产出厂正进行性能试验的高压异步电机作为实验对象。
如附录A 图A2所示,在异步电机其中一端部外壳上安放2个超声波传感器,其电机在空载条件下运行,在距超声传感器30cm~40cm 处用局部放电模拟器模拟局部放电,测得2路信号时域图见图6(a)。
从图6(a)可看出,其噪声幅值比较大,完全淹没了模拟局部放电信号。
图6 强机械噪声背景下的系统时域和频域特性Fig.6 Ultrasonic spectrogram of the new inductionmotor experiment with strong noise由2.2节的实验可知,模拟局部放电的主要频率及超声传感器对其敏感响应主要集中在90kH z~100kH z 。
