一种水轮发电机定子接地故障定位装置与方法

李芳芳

（福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350004）

1 前言

水轮发电机组是实现将水轮机转动的机械能转换成电能的设备，主要由定子、转子、机架、推力轴承、冷却器、制动器等部件构成，其结构与性能的好坏直接关系到电站的安全稳定运行[1，2]。定子是水轮发电机组的静止部件，其接地故障是机组常见的一种故障，尤其是运行多年的发电机，由于定子整体绝缘水平下降，绝缘受损或外力原因都将可能造成定子绕组接地故障，如不及时排除接故障，可能灼伤烧毁定子绕组和定子铁心，对机组的正常稳定运行产生影响[3]。当发生定子接地故障时，应快速查找定位故障点并设法消除，防止故障向事故形态演变。

传统常用加压观察的方法进行定子接地故障定位，即对故障相与地间增加间歇性电压，结合人为观察定子绕组放电产生的声音、火花或轻烟，从而定位故障点位，特别对于大型机组一般需要组织较多人同时进行观察。但是加压观察法缺点一是实验电压高，人工查找有危险性；二是故障点放电时间非常短暂，人工观察容易漏过放电火花或声音信号，而且不同的人判断的位置经常不一致，难以准确判断放电故障点，经常需要反复多次加压才能最终确定故障点，但对存在缺陷的设备多次加压又有可能扩大故障。

文中提出了一种基于紫外全景图像的水轮发电机组定子接地故障点定位装置与方法，通过利用紫外成像法，融合紫外视频和拍摄的可见光视频，准确高效定位定子接地故障放电点位，为检修人员排除定子接地故障提供方法支持。

2 关键技术分析

2.1 高压电气设备放电检测技术

高压电气设备放电时，将产生声、光、电等多种特征信号，通过有效利用这些信号，实现高压设备的放电检测。常用的检测方式主要包括脉冲电流法、超声波检测法、超高频局部放电检测、紫外成像法等[4]。

（1）脉冲电流法

脉冲电流法是早期用来检测高压设备放电的技术，主要通过由罗格夫斯基线圈组成的电流传感器或阻抗计算，检测放电电荷在高压设备接地回路中形成的脉冲电流。该技术研究较为成熟，被广泛应用于高压设备的放电检测。但该方法容易受外界干扰，使灵敏度降低，此外，安装部署受到限制，应用成本与维护难度较高。

（2）超声波检测法

在高压电气设备表面放电时，将引起声波发射现象，随着放电能量的增加，声波信号的幅值也相应增大。在设备上安装超声波检测装置，用来接收和测算放电时的超声波幅值大小，从而推断设备放电的强度与运行情况。超声波检测法抗电气干扰能力较强，得到较为广泛的应用。但是该技术容易受电磁干扰，无法准确检测早期设备放电时能量较弱的情况。

（3）超高频局部放电检测

高压设备放电时将产生高频电磁波，频率在300 Hz 到3 000 MHz 之间。检测超高频电磁波，可以有效避开干扰信号，提升设备放电检测的准确性。超高频检测技术由于抗干扰性强、检测信息含量高的特点，被实际应用在变压器、发电机等高压电气设备的放电检测中，但是在定位放电位置的场景中应用不足。

（4）紫外成像法

紫外成像法主要通过紫外成像仪器，用来检测高压电气设备放电时产生的紫外光信号，形成紫外图像。通过这种远距离、非接触的检测方式，在设备无需解体的情况下，既可以判断高压设备放电的电晕强度情况，还可以准确定位设备放电的位置，同时确保人身安全，但是该方法实现成本较高。

通过分析对比几种高压电气设备放电检测方法，紫外成像法在准确度、灵敏度、安全性等方面具备优势，所以选择紫外成像法进行水轮机定子接地故障定位。

2.2 CCD 图像传感器

CCD(Charge Coupled Device)是一种电荷耦合器件图像传感器，能够实现将光信号转换为模拟信号，再通过信号放大与模数转换（A/D）技术，将模拟信号转换为数字信号，从而便于进行存储与处理[5]。CCD 传感器具有体积小、功耗低、灵敏度和响应速度快的特点，文中采用可见光CCD 和紫外CCD，分别将可见光镜头和紫外镜头收集的透过分光片的紫外光信号转化成模拟信号。

3 基于紫外全景图像的定子接地检测

由于水轮发电机组定子接地放电时会辐射出紫外光信号，通过紫外成像法，利用紫外摄像机录制定子加压过程的视频，如果加压过程中故障点出现放电，在录制的视频中就会出现紫外光斑，但仅依靠紫外视频，检修人员只能判断是否产生了放电，却不能定位放电位置。通过结合可见光摄像机，录制定子加压过程视频，再将紫外视频和可见光视频融合，检修人员通过观察融合后的视频，便可以直观地判断是否发生放电及放电点位置。

3.1 整体设计原理

设计一种基于紫外全景图像的水轮发电机组定子接地故障点定位装置及方法，如图1 所示，划分为环形底座、多个紫外/可见光双通道摄像头、AD 模数转换电路、视频处理模块、视频融合模块。各个紫外/可见光双通道摄像头均设置在环形底座上，用以固定紫外/可见光双通道摄像头；环形底座部署在发电机定子基座中心，并与发电机定子基座共面，用以通过紫外/可见光双通道摄像头采集定子加压过程中的紫外视频和可见光视频；各个紫外/可见光双通道摄像头均与AD 模数转换电路连接，用以将模拟信号转换成数字信号；AD 模数转换电路与视频处理模块连接，用以将数字信号进行格式转换；视频处理模块与视频融合模块连接，用以融合紫外视频和拍摄的可见光视频并输出，再结合检修人员判断是否出现局部放电，进而确定定子接地故障点局部放电。

图1 整体设计原理

3.2 全景图像采集设计

水轮发电机定子由机座、铁心、绕组等部件组成。机座一般呈现圆形，主要用于固定铁心，铁心和绕组是定子产生旋转磁场和保证磁通及电流通路的必备组成部分，绕组由许多线棒按一定规律排列而成，上下交错，槽数众多[6]。

在定子接地故障点定位装置的环形底座外侧面每间隔45°平均安装1 台紫外/可见光双通道摄像头，组成正八边形摄像头组合，如图2 所示，所有紫外/可见光双通道摄像头的光轴平行于环形底座平面且通过环形底座圆心，紫外/可见光双通道摄像头镜头方向朝外，能够全方位覆盖拍摄定子的所有部件，实现机组定子全景图像的合成，便于放电位置的查找与定位。

图2 双通道摄像头分布图

3.3 双通道摄像头设计

紫外/可见光双通道摄像头包括分光片、可见光镜头、可见光CCD、紫外镜头、紫外CCD、偏置电压电路、X 驱动电路、Y 驱动电路。

分光片的主要作用是让紫外波段光透射，同时让可见光波段实现全反射，实现可见光和紫外光分离。分光片采用UV 平板分束镜，在250～650 nm 光谱范围内，能使可见光波段实现全反射，紫外波段能够透过。分光片与双通道摄像头光轴夹角为45°。可见光镜头用于收集汇聚可见光并呈现在可见光CCD 上，紫外镜头与紫外CCD 连接，将紫外镜头收集的透过分光片的紫外光信号转化成模拟信号。X驱动电路和Y 驱动电路分别为紫外CCD 提供水平驱动电压和垂直驱动电压，偏置电压电路为X 驱动电路和Y 驱动电路提供偏置电压。AD 模数转换电路，实现将紫外CCD 和可见光CCD 输出的模拟信号转换为数字信号。

4 总结

该方法能够融合紫外视频和拍摄的可见光视频，再结合检修人员判断是否出现局部放电，进而确定定子接地故障点局部放电位置，为检修人员定位水轮发电机组定子接地故障点提供硬件支持，提高了放电位置查找和定位的效率，不仅节约了人力成本，同时也为人身与设备安全提供保障。