大型水轮发电机定子线棒局部放电在线监测研究进展及展望

陈科元，马山刚，金福宝，尹帅虎，李若冰，石进强，冷雪健，粘晨辉，刘新贺

(青海大学 水利电力学院， 西宁 810016)

0 前 言

水力发电由于发电技术成熟，已经成为可再生能源发电的“领头羊”。在全球发电份额中，水力发电仅次于燃煤发电和燃气发电，位居第三，约占全球发电总量的30%。截至2021年底，中国发电装机总容量约为23.8亿kW，其中水力发电装机容量累计达3.91亿kW，占比为16.4%。2021年我国发电总量达到了81 121.8亿kW时，其中水力发电量为11 840.2亿kW时，发电量位居第二，占比为14.6%。随着我国“碳达峰，碳中和”双碳战略目标的提出，水电开发要求因地制宜，预计“十四五”、“十五五”期间分别新增水电装机容量4 000万kW。在增大容量、提高电压的同时，对水轮发电机运行的安全可靠性提出了更高的要求。

在长期的运行过程中，大型水轮发电机的安全可靠性很大程度上取决于定子绕组(亦称线棒)的绝缘状况[1]。据统计，大约50%的发电机事故是由定子线棒绝缘损坏所引起的[2]，而电、热、机械和环境等因素均会对定子线棒绝缘系统产生破坏[3]，其中局部放电(Partial Discharge，PD)是主要原因。因此，对发电机定子线棒的局部放电现象进行在线监测极为必要[4]。

现阶段，许多学者围绕发电机定子线棒局部放电特性进行了深入的研究。相关学者分别从交流电压、梯形电压波形参数以及热老化条件下对发电机定子线棒局部放电特性进行了大量研究[5-7]。对于大型水轮发电机，由于定子线棒结构较为复杂，国内外关于发电机定子线棒局部放电在线监测研究较少，且在已有的研究中存在局部放电的干扰信号不易处理[8]、局放源定位困难[9]以及局放量与绝缘状况的关系不明确[10]等问题，影响对定子线棒的状态评估及缺陷检修。当前的关键是如何在已有的在线监测方法上进行优化创新，从而有效地抑制信号中的干扰、精准地定位局放源以及科学地评估放电量与绝缘状况的关系。本文分别从抗干扰技术、局放源定位、局放量与绝缘状况关系3个方面对发电机定子线棒局部放电的研究现状进行综述，并对发电机定子线棒局部放电在线监测的发展趋势进行展望。

1 抗干扰技术研究进展

局部放电通常发生在电场强度高的区域，同时在其产生过程中，会伴随着电荷移动、电磁辐射、声发射和化学反应等。大型水轮发电机在运行时，电磁环境极为复杂[11]，微弱的局部放电信号会因电磁干扰发生严重的波形畸变，甚至被干扰信号所淹没，因此有效地抑制干扰信号是水轮发电机局部放电在线监测以及故障诊断的关键[12]。

1.1 干扰信号的分类

对于大型水轮发电机，影响局部放电测量的干扰信号按照时域特征主要分为随机噪声干扰、离散谱干扰、周期性脉冲干扰以及随机性脉冲干扰等4类[13]。4种干扰信号的特性及抑制方法见表1所示。

表1 4种干扰信号的特性及抑制方法

随机噪声干扰，也称为白噪声与背景噪声，是一种杂乱无章的干扰型信号，无明显的分布特征，其产生符合随机过程中的正态分布，可设阈值去除；离散谱干扰，也称为周期性窄带干扰，在频域上表现为频带很窄的几条离散的频谱信号，在时域上表现为几个不同正弦信号的叠加，干扰信号幅值较大；周期性脉冲干扰，属于脉冲型干扰，分布在工频周期的固定相位区间，幅值变化小，干扰持续时间长；随机性脉冲干扰，属于脉冲型干扰，在时域上是持续时间很短的脉冲信号，频域上分布较宽，与局部放电信号极为相似，因此最难滤除。

1.2 干扰信号的抑制

为了有效地抑制局部放电中的各种干扰信号，国内外专家进行了大量的研究。早期的抗干扰方法主要采用模拟滤波法，这种方法对于在时域和频域上与局放信号极为相似的脉冲状噪声信号难以消除，只能通过经验来区分其到底是放电信号还是干扰信号。后来加拿大G.C.Stone等提出的PDA监测法，取得了很好的抗干扰效果，但在实际应用中存在着一定的局限性。随后清华大学团队以及West-House公司分别采用带通滤波器和晶体滤波器对局部放电中的干扰信号进行抑制，虽然取得了一定的效果，但是其主要滤除的是窄带干扰。

1.2.1随机性脉冲干扰信号的抑制

近年来，针对局部放电中最难滤除的随机性脉冲干扰，西安交通大学冯义等[14]采用特高频检测技术和脉冲时延鉴别法对水轮发电机局部放电的干扰信号进行抑制，大大提高了信噪比，并且可以有效识别外部电磁干扰和内部放电脉冲。刘建峰等[15]研制的水轮发电机局部放电在线监测系统采用双高压电容传感器定向耦合，配合脉冲时延及幅值鉴别软件，有效抑制了随机脉冲型干扰。喇元等[16]采用基于甚高频测试技术和双传感器耦合的单个脉冲时序对比法对发电机局部放电中产生的脉冲型干扰进行抑制，取得了良好的效果。重庆大学万松[17]研制的大型发电机定子局部放电在线监测系统中每相安装有两个传感器，通过利用两个传感器接收到外界干扰信号和局部放电脉冲信号的时延，消除了随机性脉冲型干扰。

1.2.2联合法的研究

由于干扰源多样，采用单一的方法不能将干扰信号全部抑制，因此学者就联合法对干扰抑制开展了大量研究。西安交通大学课题组通过分析现场干扰的特性，提出抑制周期性干扰采用模拟滤波法和数字滤波法，抑制脉冲型干扰采用逐个脉冲识别法，利用超宽频耦合电容及其特定的安装布局，成功识别出了干扰脉冲。四川大学陈卓等[18]采用分层分阶段抑制各种干扰的综合处理方法，通过FFT阈值曲线法、自适应滤波技术、小波变换的时—频方法对周期性窄带干扰、周期性脉冲干扰以及白噪声进行了较为有效的抑制，其局部信号分层处理模型如图1所示。哈尔滨理工大学郭召艳[19]也提出了一种分层综合处理的方法，采用FFT变换、小波分析及小波包变换的方法较好地抑制了局部放电中的干扰信号。付海涛等[20]采用脉冲时延鉴别法、甚高频检测技术等多种抗干扰方法，有效抑制了发电机中的干扰信号。

图1 局部信号分层处理模型

可见，随着科学技术的不断发展，不同干扰信号之间的特性逐渐被识别，干扰信号抑制的方法也层出不穷，在众多的方法中研究出易行、有效的抗干扰方法将是未来发展的趋势，同时，这种分层综合处理的方法具有较好的应用前景。

2 局放源的定位研究进展

大型水轮发电机定子线棒发生局部放电现象后，需要及时地对局部放电部位进行检修维护，因此精准定位局放源对于局部放电在线监测至关重要。根据GB/T 7354-2018《高电压试验技术局部放电测量》规定[21]，局部放电的定位方法以非电检测法为主，包括了声学、光学及化学的方法。目前，局放源定位研究以超声波检测法和特高频检测法为主。

2.1 超声波检测法定位研究

针对水轮发电机定子线棒局部放电定位，国内外学者研究较少，其中重庆大学团队采用超声波检测法对其开展了研究。超声波检测法通过探头获取局部放电电子间剧烈碰撞所产生的超声波信号[22]，再根据超声波信号到达传感器阵列的相对时差对定子线棒局放源的坐标位置进行计算，从而对局放源进行定位。

2009年重庆大学汪泉弟等[23]通过研究超声波信号在发电机定子内的传播特性，认为采用超声波检测法对定子绕组局部放电源进行定位是可行的。将发电机定子线棒等份划分后，采用三点定位的方法在每一等份内搭建传播距离与时延关系的球面方程，通过求解方程的根，完成对局部放电源的定位，其原理如图2所示。重庆大学杨永明等[24]为解决电测法难以对发电机定子绕组局部放电源进行定位的问题，通过模拟超声场分布和超声波传播，提出了一种减少延迟误差的超声波传感器分布方法，并通过现场实验验证了该方法。2011年王远[25]针对发电机定子绕组局部放电研制了一套在线监测系统，该系统采用超声波传感器可在小范围内对局部放电位置实施较为精准的定位，为进一步实现大型发电机局部放电超声波在线监测定位奠定了基础。

图2 三点定位原理

这些成果极大地促进了对大型水轮发电机定子线棒局部放电源定位的研究。但是，水轮发电机采用超声波法进行局放源定位时常常因为局放源和传感器探头之间传播途径及声波阻抗异常复杂，导致超声信号衰减严重，难以实现精准定位。近年来，为了弥补这一缺陷，大量的专家学者转向于研究可内置的光纤传感器[26]。

2.2 光纤技术的应用

随着科学技术的发展，光纤技术已经应用在局部放电的超声波检测上，当电气设备发生局部放电时，使用光纤探头在发电机内部采集超声信号，从而避免超声波信号由于传播途径复杂导致信号衰减严重的缺陷，大大提高了检测灵敏度。常用于局部放电测量的光纤传感器为非本征型法珀干涉仪( Extrinsic Fabry-Perot Interfer- ometer，EFPI) ，其采用膜片式结构，其工作原理如图3所示。当声波信号到达石英膜片时，由于声波具有能量，石英膜随即产生振动，从而改变谐振腔的长度，进一步影响输出光强的大小，最终通过光电探测器检测到的光强得到超声信号的信息[27]。

图3 光纤 EFPI 传感器的工作原理

21世纪初有学者便研制出了用于局部放电测量的膜片式EFPI传感器。王伟等[28]利用其搭建了可进行局部放电实验的EFPI 光纤超声检测系统，该系统灵敏度高、检测距离远且信号衰减弱，但指出不适合于定量测试。Song Lijun等[29]使用由4个EFPI光纤传感器和一个信号处理单元组成的新型局部放电定位系统来进行局部放电定位实验，结果表明：传感器分布的分散程度越大越有利于提高定位精度。到目前为止，也仅有EFPI进行了较成功的定位试验，未来光纤技术应用于大型水轮发电机定子线棒局部放电在线监测将是一大趋势。

2.3 特高频检测法定位研究

除此之外，特高频(UHF)法也被广泛应用于电力设备的局放源定位研究。其工作原理是不同于超声波检测法，其主要利用天线传感器接收局部放电激发的电磁波信号[30]，从而实现局放源定位。测试局放电磁波的频段为300 MHz～3 GHz，可以避开现场电晕等背景干扰，以提高检测系统的信噪比，同时，灵敏度高、可以识别绝缘缺陷类型。

UHF法是20世纪80年代开始研究的一项新技术，我国于本世纪初才开始对UHF检测法进行研究，虽然起步较晚，但在电气设备局部放电领域也取得了一些重大的研究成果。2004年华北电力大学课题组[31]基于特高频检测法设计了一套发电机定子线棒局部放电检测系统，通过实验测试，该系统可以检测到发电机定子线棒的局部放电，且不易受外部干扰的影响。但是，目前UHF法定位研究主要应用于GIS设备[32]、变压器[33]以及高压开关柜[34]等电力设备中，对于大型水轮发电机的应用，国内外研究较少，未来具有广阔的研究前景。

3 局放量与绝缘状况关系研究进展

对于局部放电测量，通常采用一些物理量来描述，例如放电量、放电重复率、放电功率、放电的起始电压和熄灭电压等[35]，在实际应用中放电量这一参数备受学者青睐。完成发电机定子局部放电量测量后，对于局放量与发电机定子局放程度的关系，即局部放电能在多大程度上反映发电机定子线棒的绝缘情况，目前没有统一的标准。因此，发电机定子线棒局放量与绝缘状况关系的研究一直是热点问题。

3.1 早期的研究探索

21世纪初，对于局放量与绝缘状况的关系，国外有学者认为发电机定子发生局部放电可在一定程度上表示其绝缘发生了损坏，并不能说明其是绝缘老化的根本原因，并通过实验测试指出机械振动和热老化是首要原因，局部放电次之。在2000年国内学者黄成军[36]认为应首先对发电机定子局部放电的机理及信号传输特性进行研究，以此为基础深入研究局放程度的表示方法。上海交通大学张毅刚[9]指出未来应进一步加强对局放与发电机寿命的关系的研究。

基于此，国内专家学者进行了大量的探索。西安交通大学李军浩[10]发现仅对放电幅值和频率进行分析已经不具有说服力，这种方法不能完全的评估局部放电的严重程度，并指出局部放电危险程度的评估方法应综合多种放电参数。2004年华中科技大学杨合民[37]建立了水轮发电机主绝缘的变工况模型以及局部放电模式识别方法，结合相关辅助量来进一步判断主绝缘各种模式下的老化程度，利用金神雅树提出的计算公式来推断绝缘剩余寿命，其准确度达到了76%。

(1)

公式(1)中：UBD为发电机主绝缘的剩余击穿电压，V；UBD/E为绝缘耐压水平；qmax为最大局部放电量,A。

目前，大多数专家学者认为大型水轮发电机定子线棒绝缘状况的分析诊断应结合定子线棒局部放电的发展趋势与同类型的机组运行状况，通过这种对比方法进行绝缘状况评估更为科学合理，也具有重要的现实意义。

3.2 近期研究进展

近年来，东华大学周政新[38]针对大型发电机绝缘状况判别，提出了一种基于模糊诊断技术的新方法，同时，结合建立的绝缘诊断模型，成功实现了定子线棒绝缘状况的评估诊断。2017年西安理工大学武烨[39]根据水轮发电机组的实际运行情况和放电能量，划分了3个发电机局部放电故障等级分别为正常、异常、预警，具体如表2所示。同时，选取了多个参数来描述局部放电故障程度，通过局放故障模糊综合评价模型实现了机组局放故障严重程度的模糊评估，为大型发电机组的状态检修提供技术指导。

表2 发电机组主绝缘系统局放故障等级划分

2016年，湖南大学祁佳军[40]通过局部放电实验发现局部放电时会产生臭氧，且浓度值会随着放电时间和局部放电电压的增大而加大，并指出局部放电量与产生臭氧的关系既是未来研究的热点，也是一大难点。在国外相关研究中，韩国学者Soo-Hoh Lee等[41]在2020年提出了臭氧浓度在线监测不仅可以检测到发电机定子线棒槽部、端部的局部放电，而且可以通过臭氧浓度的大小对放电量进行定量分析，且臭氧测量相对容易进行，可以在发电机正常运行时进行，同时，不易受到来自周围设施的电气噪声的干扰。臭氧浓度这一参量为研究发电机定子线棒的局放量与绝缘关系提供了新的思路。

4 总结与展望

基于以上阐述，针对大型水轮发电机定子线棒局部放电在线监测，国内外专家学者对最难滤除的随机性脉冲信号以及联合法开展了抗干扰技术研究，但已有的方法仍存在一定的局限性；对局放源定位采用超声波法及特高频法进行了实践探索，尤其是光纤技术的应用使其研究前景广阔；对局放量与绝缘状况关系开展了理论摸索，但距离实际应用仍有很长的路要走。因此，未来大型水轮发电机定子线棒局部放电在线监测仍需要进行更加深入的研究,具体方向如下：

(1) 对局部放电中的干扰信号需进一步研究出易行、有效的抗干扰方法，保证在线监测系统的准确性及可靠性。

(2) 对于局放源的定位技术，目前进行的研究较少，且较多都是在理论层面实现了局放电的定位，还需深入研究定位的精确性，避免定位盲点，早日进行实际应用。

(3) 对于局放量与绝缘状况关系的研究，亟需探寻新的绝缘状态评估方法，对多种放电信息参数进行融合评估，避免单一局部放电参量的局限性，正如中医通过“望、闻、问、切”来结合各种病症，从而对疾病进行综合研判。