基于PDA技术的水轮发电机局部放电在线监测

付海涛，余维坤，张松涛

（中国长江电力股份有限公司检修厂，湖北 宜昌 443002）

1 引言

电气设备的寿命主要取决于其绝缘性能，而局部放电是出现绝缘故障的先兆之一[1]。对发电机定子绕组绝缘的局部放电在线监测，已成为继温度监测之后最广泛最有效的绝缘状态监测手段[2]。PDA监测法在发电机的每相高压母线上安装2只同规格的云母电容耦合器，根据内部放电和外来干扰到达两只耦合器的不同时延差来实现干扰鉴别，取得了较好的抗干扰效果，逐渐成为世界上最普遍的水轮发电机局部放电监测方法[3]。

根据多年局部放电测试经验，从水轮发电机的结构和现场干扰实际情况出发，借鉴加拿大Greg Stone等人提出的PDA监测法，将甚高频技术和改进后的时延鉴别技术引入到水轮发电机局部放电在线监测中，BYG-Ⅱ型局部放电在线监测装置在葛洲坝水电站 19号发电机成功应用，并取得了较大的经济效益。

2 系统的总体结构

BYG-Ⅱ型局部放电监测装置可测量到幅值为50mV～5V 的信号，脉冲分辨率为 10μs；频带10MHz～100MHz，相位分辨率0.18°。其硬件包括传感器、信号调理单元、下位机、上位机等四部分，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

（1）传感器

传感器为阻容式，高压陶瓷耦合电容大小为300pF，能够隔离工频高压、保护采样电阻和后续电路；采样电阻为100Ω ，用于获取甚高频局部放电信号。阻容式传感器每相安装两只，近端传感器安装在发电机风洞出线端，远端传感器安装在离近端传感器相距7m的母线排上。电容器高压端连接发电机出口母线，低压端经采样电阻接地。

（2）信号调理单元

根据甚高频测量的要求，系统采用的调理电路在A、B、C三相和放大、衰减、直通三种调理功能中分别选择一项，又名“双三选一”。“双三选一”信号调理电路包括高频转换开关、滤波电路、放大电路、衰减电路等模块，主要实现对来自传感器的电压信号的处理，选择不同的相序，选择不同的处理方式及滤波处理。

高频转换开关分别由三组（或两组）二选一高频继电器组成。高通滤波器下限截止频率为8MHz，可以滤除大部分低频干扰。

（3）采集单元

采用美国国家仪器公司生产的NI 5112高速数据采集卡（采样率100MS/s）和NI 6601数字I/O卡，插入工控机的PCI插槽组成数据采集系统。主要功能为：传感器耦合到的六路信号进入信号调理单元时，由数字I/O卡控制多路选择开关，选通其中一相对应的两路信号进行放大（衰减或直通）处理，然后送入采集卡；由数据采集卡采集模拟信号，并且进行A/D转换。

（4）分析处理单元

系统软件及工控机共同组成分析处理单元。主要实现从采集单元接收数字信号，并对信号进行抗干扰处理，保留放电数据；计算统计参数并存入数据库，将处理完毕的数据传送至上位机，供操作员实施监控和趋势分析。

3 主要的抗干扰技术

影响现场局放测量的干扰信号很多，按时域特征可大致分为 4类[4]：1)背景噪声，其幅值较小且在一定范围内变化，分布密集，可设阈值去除。2)窄带干扰（如工频及其谐波、电力载波和高频振荡干扰等），是低频系统中的主要干扰，甚高频测试系统中此类干扰不多，主要利用数字滤波器设定某些频率段为阻带以滤除。3)周期性脉冲型干扰，它出现在固定的相位区间如可控硅、周期性火花放电干扰等，可用相域开窗技术剔除。4)随机性脉冲型干扰，它与局放信号很相似，故最难滤除，可用极性或时延鉴别等法剔除，但需在有效的脉冲识别基础上才有效。

3.1 甚高频检测技术

与传统的脉冲电流法相比.该方法抑制在线干扰手段更多：

（1）滤除低频分量：避开干扰频段可有效地抗干扰。很多文献表明[5]，现场主要干扰频带＜5 MHz，选取测量频率下限＞5MHz即可滤除上述干扰。

（2）波反射特性：在较高频段下测量，可利用脉冲在不同波阻抗介质中传播时的衰减特性提高信噪比。发电机定子绕组波阻抗约为30Ω，而母线环波阻抗约为100Ω，当高频脉冲从低阻抗传输到高阻抗区域时，幅度约增加一倍；反之则减为1／2。

（3）衰减特性：因信号中高频分量衰减很快，而传感器靠近发电机高压端，故对定子高压端的局放信号的高频分量衰减小；外部电力系统的干扰经很长路径才到传感器，衰减很大。

（4）脉冲宽度小：测量频率高，脉冲上下沿陡，宽度小，可区分时延很短(几十 ns)的两个脉冲，为定向耦合时延鉴别抗干扰方法提供了条件。

3.2 脉冲时延鉴别法

脉冲时延鉴别法原理[6]：在发电机高压出线每相安装两个同样的传感器，调整两者间距离及传感器到测量系统间电缆的距离使干扰和放电信号到达数据采集卡时具有不同的时延，进而用软件识别其差别以确定放电信号，排除干扰。现场安装线路见图2。

图2 时延鉴别法安装线路示意图

调整L、L1和L2，使外部干扰信号经两个传感器到达数据采集卡的时延＜10ns，而电机内部放电脉冲经两个传感器到达数据采集卡的时延约为70ns。为此，需满足：

其中：L1、L2分别为近、远端传感器到数据采集卡的同轴电缆长度，L为C1、C2间母线长度，ν为脉冲信号在母线上的传输速度，ν1=ν2= 0.67c（c为光速）为脉冲信号在同轴电缆中的传输速度；时延△t=50ns。实测结果表明[3]，高频脉冲信号在母线上的传播速度与其在同轴屏蔽电缆中的传播速度相当。取L=7 m，调整L1和L2使L1=18m，L2=25m。分别从近端和远端传感器外侧注入方波，对应模拟内部放电信号和外部干扰信号，时延鉴别的效果如图3所示。

测试结果说明，测量系统对于外部来的电力系统的脉冲型干扰，可以有效剔除；对于模拟发电机内部局部放电脉冲，可以有效捕获。

3.3 极性鉴别和幅值鉴别

采用单一的时延鉴别法，只能抑制干扰源在远端传感器附近的干扰信号，对来自母线排以及较远处的干扰信号则无法滤除，程序的误判率很高[7]。为进一步提高抗干扰能力，在实际程序判据中加入脉冲的极性判据与幅值判据，其基本程序流程如图4所示。

该方法与以北美 EPRI为技术出处的监测系统相比较，最大的不同是不再以差动放大电路来区分放电与干扰。对于固定的差动放大电路，两路信号在波形和时间延迟上不可能如理想状态一样，完全一致。利用软件识别，则可以充分避免波形畸变和有限时间延迟上的两路信号给干扰判别增加的难度，因此可以避免不同类型的放电或干扰信号在频域特性上的复杂和多样性带来的误判。

图3 对于不同类型信号的时延鉴别效果图

图4 干扰判别程序流程图

4 现场实际应用情况

系统下位机原设置在母线室内，受环境温度影响大，后改装在母线室外发电机层，并加装了现场监控屏幕，软件也做了一定的改进。局部放电在线监测系统经过整改升级后，于 2006-03-29日投入运行，至2006-04-06日监测的最大放电幅值Qm为20mV左右，标称放电量NQN为50mV左右；2006-04-06日以后监测的数据明显增大，放电幅值Qm为30mV，三相NQN的增量均远大于国际上推荐的“1.5～2.0倍”标准[8]，其中B相放电量NQN最高达2500mV。监测到的局部放电趋势和典型谱图如图5所示，图中黄、绿、红分别表示A、B、C三相。

2006年4月18日机组停机进行检修。对定子线棒进行检查时发现，670＃、671＃槽两根下层线棒上端部之间有一段直径为10mm的铁质软管，线棒绝缘已有磨损，现场照片如图6所示。其中，671＃线棒（B相3分支，运行电位5432.4V）上端有直径10mm的半圆磨痕，670＃线棒（A相 3分支，运行电位6654.69V）上端的棱角处有两个缺口，二者磨痕深度都在 2～3mm 左右。磨痕周围呈黑色，表明 670＃和671＃下层线棒绝缘已放电受损。对其进行修复处理后，发电机的局部放电水平恢复正常。

图5 2006年4月监测到的数据

图6 端部绝缘受损的线棒

分析认为，在发电机正常运行期间，铁质软管受振动力作用逐渐将670＃和671＃下层线棒绝缘磨损，最后导致线棒的高阻区部分形成放电，造成这两根线棒绝缘及上层第二根端箍绝缘局部损坏。从放电趋势图看，BYG-Ⅱ型局部放电监测装置较为及时、准确地捕捉到了这次绝缘缺陷信息，但从典型谱图及正负放电差异情况看，尚不能确定故障放电的类型。

5 结论

（1）基于PDA技术的水轮发电机局部放电在线监测，已成功应用于葛洲坝水电站19号发电机，并有效地发现了一起定子绝缘隐患，取得了较大的经济效益。

（2）甚高频检测技术、脉冲时延鉴别法、极性鉴别和幅值鉴别等多种抗干扰方法的联合应用，使得BYG-Ⅱ型局部放电在线监测装置能够有效抑制干扰和提取到真实的、源于发电机内部的局部放电信号，为评估发电机绝缘状况提供可靠的依据。

（3）标称放电量NQN指标反应绝缘劣化状况较为全面、准确，对其进行趋势分析值得推荐；典型谱图及脉冲相位分析方法尚不能确定故障放电的类型，需进一步积累经验。

[1]邱昌容, 王乃庆. 电工设备局部放电及其测试技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 1994.

[2]G. C. Stone. Advancements during the past quarter century in on-line monitoring of motor and generator winding insulation[J]. IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation, 2002, 9(5):746-751.

[3]王凯. 水轮发电机局部放电超高频在线监测系统的研制[D]. 西安: 西安交通大学, 2003.

[4]王晓宁, 王凤学, 朱德恒, 等. 局部放电现场监测信号中干扰的分析与抑制[J]. 高电压技术,2003, 28(1): 3-5.

[5]Stone G C.Partial discharge—part VII: Practical techniques for measuring PD in operating equipment[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine,1991, 7(4): 9-19.

[6]冯义, 王凯, 徐阳, 等. 水轮发电机局部放电在线监测中的抗干扰研究[J]. 高电压技术, 2004,30（1）: 26-27.

[7]喇元, 徐阳, 邱昌容, 等. 发电机局部放电在线监测中脉冲型干扰抑制的方法及其应用[J]. 高压电器, 2005, 41（1）: 16-18.

[8]Iris Power Engineering INC. PDA-IVTM system introduction[M].Canada:2000.