大電機定子絕緣損傷成像檢測方法研究

李　豪，李銳華，胡　波，潘　玲，郭其一

（同濟大學　電子與信息工程學院，上海201804）

大電機定子絕緣損傷成像檢測方法研究

李豪，李銳華，胡波，潘玲，郭其一

（同濟大學電子與信息工程學院，上海201804）

為了準確評估定子絕緣結構健康狀況，基于導波理論進行定子絕緣結構損傷成像檢測研究。首先根據定子絕緣材料特性參數，建立定子線棒結構有限元模型。對定子絕緣損傷檢測中導波的激勵、傳播和接收進行數值模擬，并建立橫向裂紋、縱向裂紋、氣隙和分層四種典型定子絕緣損傷模型。利用希爾伯特變換提取損傷散射信號到達時間作為損傷特征，采用概率成像方法對定子絕緣中的損傷狀況進行成像檢測。數值仿真結果表明：損傷散射導波飛行時間是表征損傷位置的有效特征，A0模態損傷散射波對定子絕緣損傷更敏感，概率成像能夠直觀地檢測出定子絕緣中的損傷并能進行準確定位，為進一步應用導波進行大電機定子絕緣狀態評估提供有效的參考信息。

振動與波；定子絕緣；狀態評估；損傷檢測；彈性導波；概率成像

定子絕緣狀況在很大程度上決定了大型發電機的壽命及運行可靠性［1-3］。由于受到電、熱、機械和環境因素的聯合作用，大型發電機定子絕緣（主絕緣）在長期的運行過程中其機械性能、介電性能逐漸變壞，即發生老化，最終導致絕緣失效。目前對大型發電機定子絕緣進行狀態評定主要依靠絕緣老化過程中的宏觀電氣參量［4，5］，尤其是局部放電的測量［6］。但是這些特征參量難以反映絕緣結構老化狀況。研究表明，絕緣結構老化是絕緣性能劣化的主要原因［7］，具體表現為絕緣內部結構性損傷的形成與發展。因此，及時、準確地檢測并識別出定子絕緣結構損傷，就能夠為大電機絕緣狀態診斷提供有效和可靠的參考信息。

針對大電機定子絕緣的狀態評估，研究工作主要圍繞著如何有效表征絕緣老化特性，并以此為基礎進行絕緣診斷而展開。這些研究工作對認識和了解大電機主絕緣老化機理，提高電機絕緣診斷和壽命評估技術水平起到了一定的作用，但是對絕緣老化的微觀本質即結構性損傷（缺陷）的產生與發展卻缺乏系統的分析和研究。如果能夠檢測出定子絕緣中的局部缺陷，甚至識別出損傷在定子絕緣中的具體位置和大小，將對大電機定子絕緣狀態評估更有意義。

結構健康性監測（SHM）通過實時檢測出發生在結構內部和表面的損傷，對結構狀態進行早期診斷和預報，能夠顯著提高設備運行可靠性。導波具有良好的傳播特性而且對結構中的微小損傷和初始損傷較為敏感。近年來，基于導波的損傷檢測方法被廣泛地應用于工業、軍事、航天等領域［8-10］。利用損傷成像方法能夠對復合材料中的損傷位置和損傷程度進行直觀和定量評估［11］。其中，概率成像方法［12，13］所需傳感器數目較少并且計算簡單，能夠減少成像時間和提高圖像的分辨率，因而獲得了廣泛應用。

大電機定子絕緣屬于層壓復合材料結構，絕緣老化本質上為結構性損傷的形成與發展。本文主要通過有限元數值模擬方法，研究導波在定子絕緣中的傳播特性，并利用導波概率成像方法進行大電機定子絕緣典型損傷的檢測及定位。

1　定子絕緣損傷概率成像原理

1.1 Lamb波理論

Lamb波是一種在固體板狀結構（板的上、下表面應力為零）中傳播的二維彈性導波。Lamb波傳播時聲場遍及整個板的厚度，它對傳播介質中由損傷引起的應力變化十分敏感，因此特別適合對結構的表面和內部損傷進行檢測。Lamb波具有多模態和頻散特性。其中，多模態特性是指Lamb波在傳播時存在多種模式，如對稱模式S0、S1、S2……，反對稱模式A0、A1、A2……，這些模式可相互獨立地在板中傳播；頻散特性是指Lamb波的相速度和群速度隨頻率的變化而發生彌散。描述Lamb波的理論依據是Rayleigh-Lamb頻率方程［14］，定義如下

其中

式中d為板厚，k是Lamb波沿傳播方向上的波數，其數值等于k=2π/λ，λ為Lamb波長，ω為波的角頻率。cL和cT分別為板材的縱波和橫波速度，分別由式（5）和（6）得到

其中E為彈性模量，υ為泊松比，ρ為材料密度，將式（5）和（6）分別代入式（3）和（4），通過數值求解（1）和（2）可以獲得Lamb波的相速度cp和群速度cg，分別為

通過數值求解式（1）和（2），可以獲得不同模式下的Lamb波相速度和群速度隨頻率的變化關系。頻散曲線可以直觀地揭示Lamb波的多模式和頻散特性，能夠為Lamb波激勵頻率的選擇和識別Lamb波傳播模態提供理論參考依據。

1.2概率成像原理

根據惠更斯原理，Lamb波傳播過程中遇到損傷時會發生散射現象。通過解析損傷散射Lamb波，可以獲得損傷信息。損傷散射Lamb波飛行時間（ToF）是表征損傷位置的有效特征，利用ToF進行損傷定位的原理如圖1所示。

圖1　基于ToF的損傷定位原理圖

考慮一對激勵—接收路徑，由作動器A（xA，yA）激勵出的Lamb波經損傷D（xD，yD）后，傳感器R（xR，yR）接收的損傷散射信號飛行時間為

其中LA-D為作動器A到損傷D的距離；LD-R為損傷到接收傳感器R之間的距離。Vg為Lamb波在定子絕緣中的群速度。當TA-D-R確定后，便可以確定一個以作動器A和傳感器R為焦點，長軸為LA-D+LD-R的橢圓，如圖1中的橢圓軌跡，該軌跡表示損傷在定子絕緣中可能存在的位置。顯然，距離該軌跡越近的位置存在損傷的概率越大。對任意位置M（xm，ym），Lamb波由A傳播到M，再從M傳播到R的時間為：TM=（LA-M+LR-M）/Vg。當M正好位于該橢圓軌跡上，此時TM=TA-D-R。用Tij=|TA-D-R-TM|表示TA-D-R和TM的時間偏移，Tij越小說明該位置越接近實際損傷位置，存在損傷的概率也越大。為了量化損傷存在概率，引入高斯概率積分函數［15］

為概率密度函數，σ為均方差。根據高斯分布的性質，對于某一特定的Tij該位置存在損傷的概率P（Tij）為

P（Tij）=1-|F（Tij）-F（-Tij）|（11）

根據式（11）計算定子絕緣所有空間位置的損傷存在概率，并與圖像像素點的灰度值相對應，得到單一路徑下的損傷概率成像結果。假定定子絕緣中有N條激勵—接收路徑，對各路徑下的概率成像結果P（i）進行幾何融合［15］

式（12）中P為定子絕緣損傷概率重建圖像。損傷概率圖像中像素點的值越高，表明損傷越有可能存在于該位置。通過這種方式對定子絕緣結構健康狀況進行圖形化重建，直觀呈現損傷在定子絕緣中的位置。

2　定子絕緣損傷檢測有限元模型

為了驗證導波概率成像應用于定子絕緣損傷檢測的可行性，利用有限元軟件Abaqus對定子絕緣損傷檢測中導波的激勵、傳播和接收進行數值模擬，并建立了幾種典型的絕緣損傷模型。

2.1定子絕緣結構模型

大電機定子線棒近似于長方體結構，中間為導電的銅股線排，四周疊包絕緣材料。對取自（18 kV，300 MW）的某大型發電機定子線棒建立其結構有限元模型，線棒長度為1 200 mm，絕緣厚度為6 mm，橫截面尺寸為60 mm×30 mm，圖2為其截面圖。

定子絕緣復合材料特性參數經反演推算［16］如表1所示。

根據定子絕緣的材料和結構參數，利用單元大小為1 mm的C3D8R線性六面體單元，建立定子絕緣的結構有限元模型，如圖3所示。

圖2　定子絕緣線棒截面圖

表1　大電機主絕緣材料特性參數

在定子絕緣有限元模型上表面布置導波激勵和接收傳感器。通過點載荷方式對定子絕緣施加應力激勵出導波。通過提取定子絕緣不同位置的應力形變信號獲得導波接收信號。定子絕緣中的傳感器配置如圖4所示。

圖4　傳感器配置圖

2.2 Lamb波激勵頻率選擇

Lamb波激勵信號決定了Lamb波在定子絕緣中的傳播模式和頻散特性。頻散曲線是選擇Lamb波激勵頻率的參考。根據表1所示的材料屬性參數，通過數值求解式（1）和式（2），獲得在定子絕緣中的Lamb波頻散曲線，如圖5所示。

圖5中可以看出，當激勵頻率為13 kHz時，定子絕緣中僅有S0和A0兩種Lamb波模式傳播，并且它們的群速度隨頻率的變化相對平緩，這為Lamb波模態識別和特征提取降低了難度。此外，對激勵信號增加窗函數能有效減少能量泄漏。綜上考慮，本文采用13 kHz的5個波頭漢寧窗正弦脈沖信號作為激勵信號，信號表示如下

圖5　群速度頻率曲線

式中：v為信號峰峰值；fc為信號中心頻率；H（t）為Heaviside階梯函數。

2.3定子絕緣結構損傷模型

由于受到電、熱、機械和環境的聯合作用，定子絕緣在老化過程中結構發生損傷。橫向裂紋、縱向裂紋、氣隙和分層是四種典型的定子絕緣結構損傷。為了驗證利用導波概率成像對絕緣損傷的檢測效果，在定子線棒長度方向825 mm處模擬了以上四種定子絕緣損傷，分別如圖6所示：

圖6　典型定子絕緣損傷有限元模型

其中：圖6（a）所示為：直徑Φ1 mm，深度為6 mm（z方向）的縱向裂紋損傷；

圖6（b）所示為1 mm（x方向），10 mm（y方向），1mm（z方向）的表面裂紋損傷；

圖6（c）所示為直徑Φ 2 mm，深度為1 mm（z方向）的定子主絕緣內部氣隙損傷；

圖6（d）所示為：5 mm（x方向），10 mm（y方向），1 mm（z方向）的內部分層損傷。

3　定子絕緣損傷概率成像結果

3.1損傷散射Lamb波飛行時間提取

如1.2所述，準確提取損傷散射Lamb波飛行時間TA-D-R是進行損傷概率成像的關鍵。散射Lamb波信號可以通過對有損和無損時的Lamb波信號作差獲得［15］。由于Lamb波的頻散特性，其在傳播過程中容易發生波包變形和混疊。為了準確提取損傷散射Lamb波飛行時間，利用希爾伯特變換對散射信號進行時域聚焦［15］，獲得其信號包絡。圖7所示為A1激勵A4接收的定子絕緣氣隙損傷散射Lamb波信號及其包絡圖。

圖7　 A1激勵A4接收的定子絕緣氣隙損傷散射信號

從圖7中可以看出，S0模式Lamb波信號幅值較小，包絡混疊嚴重，信號辨識度不高，難以準確提取包絡峰值時間；而A0模式Lamb波信號幅值較大，具有更清晰的包絡線。將A0模式散射Lamb波包絡峰值時間減去激勵信號包絡峰值時間獲得損傷散射Lamb波飛行時間。圖7中A0模式散射Lamb波包絡峰值時間為1.165 ms，激勵信號峰值時間為0.194 ms，因此損傷散射波飛行時間為（1.165 ms-0.194 ms=0.971 ms）。分別提取定子絕緣傳感器網絡中各激勵-接收路徑下的損傷散射波飛行時間，作進一步損傷概率成像。

3.2損傷概率成像結果

根據所提取Lamb波散射信號飛行時間，利用式（11）和（12），對定子絕緣中的縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層四種典型損傷進行概率成像，成像結果分別如圖8所示。圖像中灰度值越大的像素點表明損傷越有可能存在于該位置。從圖8中可以看出利用導波概率成像能夠直觀檢測出定子絕緣中的縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層損傷。為了評價導波概率成像方法對不同類型絕緣損傷的位置識別精度，計算損傷識別位置與損傷實際位置之間的誤差，相對誤差Xf定義為

圖8　定子絕緣損傷概率成像結果

式中Xb為概率成像所識別的定子絕緣損傷在長度方向上（x方向）的位置，Xa為定子絕緣損傷實際位置（825 mm）。對定子絕緣中的四種典型損傷定位結果如表2所示。

表2　定子絕緣概率成像損傷定位結果

從表2中可以看出，導波概率成像方法對定子絕緣中縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層損傷的損傷識別位置于與實際損傷位置接近，定位誤差小于7%。這表明利用導波概率成像不僅可以檢測定子絕緣損傷存在，而且可以確定定子絕緣中的損傷具體位置。

4　結語

（1）應用導波概率成像方法進行大電機定子絕緣損傷檢測，損傷散射波飛行時間是表征損傷位置的有效特征。定子絕緣中的導波在A0模式下時域分辨率和辨識度更高，更利于提取波包飛行時間進行損傷概率成像檢測；

（2）通過有限元仿真對定子絕緣中的縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層損傷的成像，結果表明導波概率成像可以檢測并定位定子絕緣損傷。驗證了利用導波進行大電機定子絕緣損傷檢測的有效性和可行性，為進一步的研究基于導波的大電機定子絕緣狀態評估提供參考依據。

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Damage Detection of Large Generator Stator Insulation Using Guided Wave-based Imaging Method

LIHao，LI Rui-hua，HUBo，PANLing，GUO Qi-yi
（School of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to accurately assess the health condition of stator insulations，the basic theory of guided-wave and probability-imaging method was employed for stator insulation damage detection of large generators.The excitation，propagation and acquisition of the guided wave for the stator insulation damage detection were simulated numerically.Finite element models of four typical insulation damages，i.e.void，delamination，longitudinal and transverse cracks were established.Hilbert Transform（HT）was used to extract the time of flight（ToF）of damage scattered wave as the damage feature for damage location detection.Then，the probability-imaging method was used to detect the damage situation of the stator insulation.Numerical simulation results reveal that the ToF is an effective feature that can represent the damage location，the A0 mode Lamb wave is more sensitive to the insulation damage，and the probability-imaging method can be used to detect and locate the damage in the stator insulation immediately and accurately.This work provides effective information for further study of the stator insulation condition assessment based on the guided wave.

vibration and wave；stator insulation；condition assessment；damage detection；guided wave；probability imaging

TM3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.041

1006-1355（2015）05-0193-05

2015－01－28

國家自然科學基金項目（51177110）

李豪（1989－），男，安徽省安慶市人，博士生，主要研究方向：電力設備絕緣狀態診斷與壽命評估。通訊作者：李銳華，男，博士生導師。

E-mail:rhli@tongji.edu.cn