大型水輪發(fā)電機定子線棒局部放電在線監(jiān)測研究進展及展望

陳科元，馬山剛，金福寶，尹帥虎，李若冰，石進強，冷雪健，粘晨輝，劉新賀

(青海大學 水利電力學院， 西寧 810016)

0 前 言

水力發(fā)電由于發(fā)電技術(shù)成熟，已經(jīng)成為可再生能源發(fā)電的“領(lǐng)頭羊”。在全球發(fā)電份額中，水力發(fā)電僅次于燃煤發(fā)電和燃氣發(fā)電，位居第三，約占全球發(fā)電總量的30%。截至2021年底，中國發(fā)電裝機總?cè)萘考s為23.8億kW，其中水力發(fā)電裝機容量累計達3.91億kW，占比為16.4%。2021年我國發(fā)電總量達到了81 121.8億kW時，其中水力發(fā)電量為11 840.2億kW時，發(fā)電量位居第二，占比為14.6%。隨著我國“碳達峰，碳中和”雙碳戰(zhàn)略目標的提出，水電開發(fā)要求因地制宜，預計“十四五”、“十五五”期間分別新增水電裝機容量4 000萬kW。在增大容量、提高電壓的同時，對水輪發(fā)電機運行的安全可靠性提出了更高的要求。

在長期的運行過程中，大型水輪發(fā)電機的安全可靠性很大程度上取決于定子繞組(亦稱線棒)的絕緣狀況[1]。據(jù)統(tǒng)計，大約50%的發(fā)電機事故是由定子線棒絕緣損壞所引起的[2]，而電、熱、機械和環(huán)境等因素均會對定子線棒絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生破壞[3]，其中局部放電(Partial Discharge，PD)是主要原因。因此，對發(fā)電機定子線棒的局部放電現(xiàn)象進行在線監(jiān)測極為必要[4]。

現(xiàn)階段，許多學者圍繞發(fā)電機定子線棒局部放電特性進行了深入的研究。相關(guān)學者分別從交流電壓、梯形電壓波形參數(shù)以及熱老化條件下對發(fā)電機定子線棒局部放電特性進行了大量研究[5-7]。對于大型水輪發(fā)電機，由于定子線棒結(jié)構(gòu)較為復雜，國內(nèi)外關(guān)于發(fā)電機定子線棒局部放電在線監(jiān)測研究較少，且在已有的研究中存在局部放電的干擾信號不易處理[8]、局放源定位困難[9]以及局放量與絕緣狀況的關(guān)系不明確[10]等問題，影響對定子線棒的狀態(tài)評估及缺陷檢修。當前的關(guān)鍵是如何在已有的在線監(jiān)測方法上進行優(yōu)化創(chuàng)新，從而有效地抑制信號中的干擾、精準地定位局放源以及科學地評估放電量與絕緣狀況的關(guān)系。本文分別從抗干擾技術(shù)、局放源定位、局放量與絕緣狀況關(guān)系3個方面對發(fā)電機定子線棒局部放電的研究現(xiàn)狀進行綜述，并對發(fā)電機定子線棒局部放電在線監(jiān)測的發(fā)展趨勢進行展望。

1 抗干擾技術(shù)研究進展

局部放電通常發(fā)生在電場強度高的區(qū)域，同時在其產(chǎn)生過程中，會伴隨著電荷移動、電磁輻射、聲發(fā)射和化學反應等。大型水輪發(fā)電機在運行時，電磁環(huán)境極為復雜[11]，微弱的局部放電信號會因電磁干擾發(fā)生嚴重的波形畸變，甚至被干擾信號所淹沒，因此有效地抑制干擾信號是水輪發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測以及故障診斷的關(guān)鍵[12]。

1.1 干擾信號的分類

對于大型水輪發(fā)電機，影響局部放電測量的干擾信號按照時域特征主要分為隨機噪聲干擾、離散譜干擾、周期性脈沖干擾以及隨機性脈沖干擾等4類[13]。4種干擾信號的特性及抑制方法見表1所示。

表1 4種干擾信號的特性及抑制方法

隨機噪聲干擾，也稱為白噪聲與背景噪聲，是一種雜亂無章的干擾型信號，無明顯的分布特征，其產(chǎn)生符合隨機過程中的正態(tài)分布，可設閾值去除；離散譜干擾，也稱為周期性窄帶干擾，在頻域上表現(xiàn)為頻帶很窄的幾條離散的頻譜信號，在時域上表現(xiàn)為幾個不同正弦信號的疊加，干擾信號幅值較大；周期性脈沖干擾，屬于脈沖型干擾，分布在工頻周期的固定相位區(qū)間，幅值變化小，干擾持續(xù)時間長；隨機性脈沖干擾，屬于脈沖型干擾，在時域上是持續(xù)時間很短的脈沖信號，頻域上分布較寬，與局部放電信號極為相似，因此最難濾除。

1.2 干擾信號的抑制

為了有效地抑制局部放電中的各種干擾信號，國內(nèi)外專家進行了大量的研究。早期的抗干擾方法主要采用模擬濾波法，這種方法對于在時域和頻域上與局放信號極為相似的脈沖狀噪聲信號難以消除，只能通過經(jīng)驗來區(qū)分其到底是放電信號還是干擾信號。后來加拿大G.C.Stone等提出的PDA監(jiān)測法，取得了很好的抗干擾效果，但在實際應用中存在著一定的局限性。隨后清華大學團隊以及West-House公司分別采用帶通濾波器和晶體濾波器對局部放電中的干擾信號進行抑制，雖然取得了一定的效果，但是其主要濾除的是窄帶干擾。

1.2.1隨機性脈沖干擾信號的抑制

近年來，針對局部放電中最難濾除的隨機性脈沖干擾，西安交通大學馮義等[14]采用特高頻檢測技術(shù)和脈沖時延鑒別法對水輪發(fā)電機局部放電的干擾信號進行抑制，大大提高了信噪比，并且可以有效識別外部電磁干擾和內(nèi)部放電脈沖。劉建峰等[15]研制的水輪發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用雙高壓電容傳感器定向耦合，配合脈沖時延及幅值鑒別軟件，有效抑制了隨機脈沖型干擾。喇元等[16]采用基于甚高頻測試技術(shù)和雙傳感器耦合的單個脈沖時序?qū)Ρ确▽Πl(fā)電機局部放電中產(chǎn)生的脈沖型干擾進行抑制，取得了良好的效果。重慶大學萬松[17]研制的大型發(fā)電機定子局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中每相安裝有兩個傳感器，通過利用兩個傳感器接收到外界干擾信號和局部放電脈沖信號的時延，消除了隨機性脈沖型干擾。

1.2.2聯(lián)合法的研究

由于干擾源多樣，采用單一的方法不能將干擾信號全部抑制，因此學者就聯(lián)合法對干擾抑制開展了大量研究。西安交通大學課題組通過分析現(xiàn)場干擾的特性，提出抑制周期性干擾采用模擬濾波法和數(shù)字濾波法，抑制脈沖型干擾采用逐個脈沖識別法，利用超寬頻耦合電容及其特定的安裝布局，成功識別出了干擾脈沖。四川大學陳卓等[18]采用分層分階段抑制各種干擾的綜合處理方法，通過FFT閾值曲線法、自適應濾波技術(shù)、小波變換的時—頻方法對周期性窄帶干擾、周期性脈沖干擾以及白噪聲進行了較為有效的抑制，其局部信號分層處理模型如圖1所示。哈爾濱理工大學郭召艷[19]也提出了一種分層綜合處理的方法，采用FFT變換、小波分析及小波包變換的方法較好地抑制了局部放電中的干擾信號。付海濤等[20]采用脈沖時延鑒別法、甚高頻檢測技術(shù)等多種抗干擾方法，有效抑制了發(fā)電機中的干擾信號。

圖1 局部信號分層處理模型

可見，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，不同干擾信號之間的特性逐漸被識別，干擾信號抑制的方法也層出不窮，在眾多的方法中研究出易行、有效的抗干擾方法將是未來發(fā)展的趨勢，同時，這種分層綜合處理的方法具有較好的應用前景。

2 局放源的定位研究進展

大型水輪發(fā)電機定子線棒發(fā)生局部放電現(xiàn)象后，需要及時地對局部放電部位進行檢修維護，因此精準定位局放源對于局部放電在線監(jiān)測至關(guān)重要。根據(jù)GB/T 7354-2018《高電壓試驗技術(shù)局部放電測量》規(guī)定[21]，局部放電的定位方法以非電檢測法為主，包括了聲學、光學及化學的方法。目前，局放源定位研究以超聲波檢測法和特高頻檢測法為主。

2.1 超聲波檢測法定位研究

針對水輪發(fā)電機定子線棒局部放電定位，國內(nèi)外學者研究較少，其中重慶大學團隊采用超聲波檢測法對其開展了研究。超聲波檢測法通過探頭獲取局部放電電子間劇烈碰撞所產(chǎn)生的超聲波信號[22]，再根據(jù)超聲波信號到達傳感器陣列的相對時差對定子線棒局放源的坐標位置進行計算，從而對局放源進行定位。

2009年重慶大學汪泉弟等[23]通過研究超聲波信號在發(fā)電機定子內(nèi)的傳播特性，認為采用超聲波檢測法對定子繞組局部放電源進行定位是可行的。將發(fā)電機定子線棒等份劃分后，采用三點定位的方法在每一等份內(nèi)搭建傳播距離與時延關(guān)系的球面方程，通過求解方程的根，完成對局部放電源的定位，其原理如圖2所示。重慶大學楊永明等[24]為解決電測法難以對發(fā)電機定子繞組局部放電源進行定位的問題，通過模擬超聲場分布和超聲波傳播，提出了一種減少延遲誤差的超聲波傳感器分布方法，并通過現(xiàn)場實驗驗證了該方法。2011年王遠[25]針對發(fā)電機定子繞組局部放電研制了一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超聲波傳感器可在小范圍內(nèi)對局部放電位置實施較為精準的定位，為進一步實現(xiàn)大型發(fā)電機局部放電超聲波在線監(jiān)測定位奠定了基礎(chǔ)。

圖2 三點定位原理

這些成果極大地促進了對大型水輪發(fā)電機定子線棒局部放電源定位的研究。但是，水輪發(fā)電機采用超聲波法進行局放源定位時常常因為局放源和傳感器探頭之間傳播途徑及聲波阻抗異常復雜，導致超聲信號衰減嚴重，難以實現(xiàn)精準定位。近年來，為了彌補這一缺陷，大量的專家學者轉(zhuǎn)向于研究可內(nèi)置的光纖傳感器[26]。

2.2 光纖技術(shù)的應用

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，光纖技術(shù)已經(jīng)應用在局部放電的超聲波檢測上，當電氣設備發(fā)生局部放電時，使用光纖探頭在發(fā)電機內(nèi)部采集超聲信號，從而避免超聲波信號由于傳播途徑復雜導致信號衰減嚴重的缺陷，大大提高了檢測靈敏度。常用于局部放電測量的光纖傳感器為非本征型法珀干涉儀( Extrinsic Fabry-Perot Interfer- ometer，EFPI) ，其采用膜片式結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖3所示。當聲波信號到達石英膜片時，由于聲波具有能量，石英膜隨即產(chǎn)生振動，從而改變諧振腔的長度，進一步影響輸出光強的大小，最終通過光電探測器檢測到的光強得到超聲信號的信息[27]。

圖3 光纖 EFPI 傳感器的工作原理

21世紀初有學者便研制出了用于局部放電測量的膜片式EFPI傳感器。王偉等[28]利用其搭建了可進行局部放電實驗的EFPI 光纖超聲檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)靈敏度高、檢測距離遠且信號衰減弱，但指出不適合于定量測試。Song Lijun等[29]使用由4個EFPI光纖傳感器和一個信號處理單元組成的新型局部放電定位系統(tǒng)來進行局部放電定位實驗，結(jié)果表明：傳感器分布的分散程度越大越有利于提高定位精度。到目前為止，也僅有EFPI進行了較成功的定位試驗，未來光纖技術(shù)應用于大型水輪發(fā)電機定子線棒局部放電在線監(jiān)測將是一大趨勢。

2.3 特高頻檢測法定位研究

除此之外，特高頻(UHF)法也被廣泛應用于電力設備的局放源定位研究。其工作原理是不同于超聲波檢測法，其主要利用天線傳感器接收局部放電激發(fā)的電磁波信號[30]，從而實現(xiàn)局放源定位。測試局放電磁波的頻段為300 MHz～3 GHz，可以避開現(xiàn)場電暈等背景干擾，以提高檢測系統(tǒng)的信噪比，同時，靈敏度高、可以識別絕緣缺陷類型。

UHF法是20世紀80年代開始研究的一項新技術(shù)，我國于本世紀初才開始對UHF檢測法進行研究，雖然起步較晚，但在電氣設備局部放電領(lǐng)域也取得了一些重大的研究成果。2004年華北電力大學課題組[31]基于特高頻檢測法設計了一套發(fā)電機定子線棒局部放電檢測系統(tǒng)，通過實驗測試，該系統(tǒng)可以檢測到發(fā)電機定子線棒的局部放電，且不易受外部干擾的影響。但是，目前UHF法定位研究主要應用于GIS設備[32]、變壓器[33]以及高壓開關(guān)柜[34]等電力設備中，對于大型水輪發(fā)電機的應用，國內(nèi)外研究較少，未來具有廣闊的研究前景。

3 局放量與絕緣狀況關(guān)系研究進展

對于局部放電測量，通常采用一些物理量來描述，例如放電量、放電重復率、放電功率、放電的起始電壓和熄滅電壓等[35]，在實際應用中放電量這一參數(shù)備受學者青睞。完成發(fā)電機定子局部放電量測量后，對于局放量與發(fā)電機定子局放程度的關(guān)系，即局部放電能在多大程度上反映發(fā)電機定子線棒的絕緣情況，目前沒有統(tǒng)一的標準。因此，發(fā)電機定子線棒局放量與絕緣狀況關(guān)系的研究一直是熱點問題。

3.1 早期的研究探索

21世紀初，對于局放量與絕緣狀況的關(guān)系，國外有學者認為發(fā)電機定子發(fā)生局部放電可在一定程度上表示其絕緣發(fā)生了損壞，并不能說明其是絕緣老化的根本原因，并通過實驗測試指出機械振動和熱老化是首要原因，局部放電次之。在2000年國內(nèi)學者黃成軍[36]認為應首先對發(fā)電機定子局部放電的機理及信號傳輸特性進行研究，以此為基礎(chǔ)深入研究局放程度的表示方法。上海交通大學張毅剛[9]指出未來應進一步加強對局放與發(fā)電機壽命的關(guān)系的研究。

基于此，國內(nèi)專家學者進行了大量的探索。西安交通大學李軍浩[10]發(fā)現(xiàn)僅對放電幅值和頻率進行分析已經(jīng)不具有說服力，這種方法不能完全的評估局部放電的嚴重程度，并指出局部放電危險程度的評估方法應綜合多種放電參數(shù)。2004年華中科技大學楊合民[37]建立了水輪發(fā)電機主絕緣的變工況模型以及局部放電模式識別方法，結(jié)合相關(guān)輔助量來進一步判斷主絕緣各種模式下的老化程度，利用金神雅樹提出的計算公式來推斷絕緣剩余壽命，其準確度達到了76%。

(1)

公式(1)中：UBD為發(fā)電機主絕緣的剩余擊穿電壓，V；UBD/E為絕緣耐壓水平；qmax為最大局部放電量,A。

目前，大多數(shù)專家學者認為大型水輪發(fā)電機定子線棒絕緣狀況的分析診斷應結(jié)合定子線棒局部放電的發(fā)展趨勢與同類型的機組運行狀況，通過這種對比方法進行絕緣狀況評估更為科學合理，也具有重要的現(xiàn)實意義。

3.2 近期研究進展

近年來，東華大學周政新[38]針對大型發(fā)電機絕緣狀況判別，提出了一種基于模糊診斷技術(shù)的新方法，同時，結(jié)合建立的絕緣診斷模型，成功實現(xiàn)了定子線棒絕緣狀況的評估診斷。2017年西安理工大學武燁[39]根據(jù)水輪發(fā)電機組的實際運行情況和放電能量，劃分了3個發(fā)電機局部放電故障等級分別為正常、異常、預警，具體如表2所示。同時，選取了多個參數(shù)來描述局部放電故障程度，通過局放故障模糊綜合評價模型實現(xiàn)了機組局放故障嚴重程度的模糊評估，為大型發(fā)電機組的狀態(tài)檢修提供技術(shù)指導。

表2 發(fā)電機組主絕緣系統(tǒng)局放故障等級劃分

2016年，湖南大學祁佳軍[40]通過局部放電實驗發(fā)現(xiàn)局部放電時會產(chǎn)生臭氧，且濃度值會隨著放電時間和局部放電電壓的增大而加大，并指出局部放電量與產(chǎn)生臭氧的關(guān)系既是未來研究的熱點，也是一大難點。在國外相關(guān)研究中，韓國學者Soo-Hoh Lee等[41]在2020年提出了臭氧濃度在線監(jiān)測不僅可以檢測到發(fā)電機定子線棒槽部、端部的局部放電，而且可以通過臭氧濃度的大小對放電量進行定量分析，且臭氧測量相對容易進行，可以在發(fā)電機正常運行時進行，同時，不易受到來自周圍設施的電氣噪聲的干擾。臭氧濃度這一參量為研究發(fā)電機定子線棒的局放量與絕緣關(guān)系提供了新的思路。

4 總結(jié)與展望

基于以上闡述，針對大型水輪發(fā)電機定子線棒局部放電在線監(jiān)測，國內(nèi)外專家學者對最難濾除的隨機性脈沖信號以及聯(lián)合法開展了抗干擾技術(shù)研究，但已有的方法仍存在一定的局限性；對局放源定位采用超聲波法及特高頻法進行了實踐探索，尤其是光纖技術(shù)的應用使其研究前景廣闊；對局放量與絕緣狀況關(guān)系開展了理論摸索，但距離實際應用仍有很長的路要走。因此，未來大型水輪發(fā)電機定子線棒局部放電在線監(jiān)測仍需要進行更加深入的研究,具體方向如下：

(1) 對局部放電中的干擾信號需進一步研究出易行、有效的抗干擾方法，保證在線監(jiān)測系統(tǒng)的準確性及可靠性。

(2) 對于局放源的定位技術(shù)，目前進行的研究較少，且較多都是在理論層面實現(xiàn)了局放電的定位，還需深入研究定位的精確性，避免定位盲點，早日進行實際應用。

(3) 對于局放量與絕緣狀況關(guān)系的研究，亟需探尋新的絕緣狀態(tài)評估方法，對多種放電信息參數(shù)進行融合評估，避免單一局部放電參量的局限性，正如中醫(yī)通過“望、聞、問、切”來結(jié)合各種病癥，從而對疾病進行綜合研判。