水轮发电机高频局部放电检测设备计量性能评价研究_宋坤隆.pdf

电力科技与环保2023,39(3):215 220Electric Power Technology and Environmental Protection215水轮发电机高频局部放电检测设备计量性能评水轮发电机高频局部放电检测设备计量性能评价研究价研究宋坤隆1,孙茂一2*,杨 胜1,易瑞吉1,杨枥智2（1.国家能源集团科学技术研究院有限公司,江苏南京 210023；2.中国测试技术研究院，四川成都 610021）摘要：随着电力设备的不断更新和技术的不断进步，局部放电检测技术也在不断地发展和完善，高频局部放电在水轮发电机组的监测中也有越来越广泛的应用。考虑到这类检测设备未能有规范的量值溯源和性能评价，为此本文通过搭建试验平台，在计量性能摸底过程中，通过引入已知的标准信号对设备的各项性能指标进行测量和评估，具体包括带宽、线性度、灵敏度和稳定性4个指标。并通过对局放监测设备的有效性进行评估。结果显示，带宽下限截止频率和上限截止频率误差分别为0.30%、1.03%，线性度平均误差值为 12.91%，灵敏度平均值为 1.8，稳定性的 95%值统计偏差为 6.01%，基本可以判断设备的短期稳定性较好。所测量和评估述方法可以初步确定其在实际应用中的可靠性和适用性。关键词：高频局部放电;水轮发电机组;计量性能评价中图分类号:TM855;TP183文章编号:1674-8069(2023)03-215-06文献标识码:ADOI 编号:10.19944/j.eptep.1674-8069.2023.03.005引用本文格式宋坤隆,孙茂一,杨 胜,等.水轮发电机高频局部放电检测设备计量性能评价研究J.电力科技与环保,2023,39(3):215-220.SONG Kunlongg,SUN Maoyi,YANG Shen,et al.Measurement performance evaluation of high frequency partial discharge detectionequipment for hydro-generators J.Electric Power Technology and Environmental Protection,2023,39(3):1215-220.Measurement performance evaluation of high frequency partial dischargedetection equipment for hydro-generatorsSONG Kunlong1,SUN Maoyi2*,YANG Sheng1,YI Ruiji1,YANG Lizhi2(1.China Energy Science and Technology Research Institute Co.Ltd,Chengdu 610072,China;2.National Institute ofMeasurement Testing Technology,Chengdu 610021,China)Abstract：With the continuous updating of power equipment and the continuous advancement of technology,partialdischarge detection technology is also constantly developing and improving,and high-frequency partial discharge is alsomore and more widely used in the monitoring of hydroelectric generating units.Considering that this type of testingequipment fails to have a standardized value traceability and performance evaluation,this paper builds an experimentalplatform.In the process of measuring performance,the performance indicators of the equipment are measured andevaluated by introducing known standard signals,including bandwidth,linearity,sensitivity and stability.The effectivenessof the partial discharge monitoring equipment is evaluated.The results show that the lower and upper cutoff frequencyerrors of the bandwidth are 0.30%and 1.03%respectively,the average error of linearity is 12.91%,the average sensitivityis 1.8,and the statistical deviation of 95%of the stability is 6.01%.It can be judged that the short-term stability of theequipment is good.The measurement and evaluation method can preliminarily determine its reliability and applicability inpractical application.Key words:ultra-high frequency partial discharge;hydroelectric generator set;measurement performance evaluation收稿日期：2023-05-13基金项目：国家重点研发计划（2020YFB0606302）2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期2161引言近年来，随着我国经济的快速发展，电力装备的安全性能受到广泛关注1。双碳背景下水力发电持续发挥灵活调节性作用，其可靠性和稳定性显得尤为重要。由于水轮发电机定子绕组结构复杂，以及长期运行所带来的磨损和老化等问题，定子绕组绝缘故障时有发生。绝缘故障不仅会导致发电机停机维修，影响水电站的发电效率和经济效益，还可能严重威胁水电站运行安全2-3。传统的水轮发电机绝缘状态监测方法主要是使用绝缘电阻和介损测试来检测水轮发电机的绝缘状态4。这些方法只能检测绝缘系统的整体状态，无法准确地判断绝缘系统中的故障位置和程度。放电检测技术由于测试灵敏度较高，广泛应用于评价设备状态和潜在故障，并提供预警和维护建议5。现有研究集中于变压器、GIS 等传统设备，主要采用100500 kHz 频带范围的低频技术，而水轮发电机具有显著的高频特性，亟需开展该方面的研究工作。我国学者李信6研发出两种固定式特高频介质传感器，解决了 GIS 局部放电在线检测中的关键问题，并提出一种利用实际放电量估计局部放电的方法。王建生等人7将高频传感器用于 GIS 局部放电检测的频率响应特性实测，并对电容式传感器的灵敏度随频率变化和传感器结构对频率响应特性的影响进行了研究。唐志国等人8运用新兴 UHF 方法在变压器局部放电定位技术取得了突破。王国利等人9根据 GIS 中高频检测的经验，并结合变压器的结构和放电特性，研制了一种宽带高频传感器研究局部放电信号。杨凯东10提出了一种基于边际谱图像的检测技术，通过实验发现该技术可以显著提高检测识别率并减少变压器故障率。李玮11利用特高频传感器采集电气设备局部放电信号，对局部放电进行定位检测，可以提高局部放电检测的准确性。司文荣等人12设计了一种基于单个脉冲的局放宽带检测与模式识别在线监测系统，并解决了脉冲快速分类的关键技术。高频局放在国际上也得到了广泛关注和研究，其中加拿大的 Iris 公司和德国的 Powerdiagnostic(PD)公司是高频局部放电研究方面的领先者13。Iris 公司研发的发电机高频局放监测系统在世界上占有 80%的市场份额，通过不间断地监测绝缘状态，帮助电厂有效维护发电机。但在工程实际中，高频局放设备由于缺乏统一的标准和评估方法，无法准确评估其性能表现和可靠性。已有学者指出高频局放性能评估的重要性，但相关工作仍局限于实验室的条件，忽视了实际环境中的复杂因素对研究结果的影响，导致结果的普适性不强14-16。已有工作在实际环境中进行了测验，但其主要目的是解决干扰问题，但很少有研究涉及定性定量的指标研究，这限制了对研究对象性能和可行性的全面评估17-20。在水轮发电机领域，至今尚未有学者对高频局部放电检测设备的计量性能进行评价研究，严重制约了该技术的推广应用。本文旨在通过搭建试验平台，对目前广泛应用的高频局放监测设备进行性能摸底测试。本文重点分析设备的带宽、线性度、灵敏度和稳定性这四个基础指标，以评估其性能表现。同时，还将从有效性的角度对设备进行综合评估，以建立起全面的计量评价体系，实现对该类设备性能指标准确评价。本研究结果将对高频局放监测设备标准化和性能提升提供有力的支持和指导。2试验部分2.1测试指标低频范畴（100500 kHz）内元件响应特性具有较好的线性度和可溯源性，现有校准规范侧重于考核局放设备测试的稳定性和有效性21-27。但高频局放测试线性度难以满足校准要求，需要引入设备计量性能指标，本文着重讨论测试硬件带宽、线性度、灵敏度和稳定性，评估局放设备测试数据的可靠性和一致性。2.2设备基础性能2.2.1带宽局放设备的带宽是评估其性能的重要指标之一。带宽定义为设备在传输信号时能够传递的频率范围。在局放监测中，带宽决定了设备对不同频率局放信号的检测能力和分辨率。较宽的带宽意味着设备可以捕捉更高频率的局放信号，从而提供更全面和准确的数据分析。相反，较窄的带宽可能导致信号损失或失真，限制了设备对高频局放信号的有效监测和分析能力。因此，评估局放设备的带宽对于确定其适用范围和性能优劣至关重要。在本研究中，将对局放设备的带宽进行详细分2023 年宋坤隆 等：水轮发电机超高频局部放电检测设备计量性能评价研究第 3 期217析和测试。通过采用标准信号源以及模拟和实际局放波形，我们将测量和记录设备在不同频率范围内的响应能力。通过对测量结果进行分析和比较，我们将得出设备的带宽性能评估，并提供对其适用性和性能优劣的初步结论。这将有助于选择适合特定应用需求的局放设备。2.2.2线性度线性度描述了设备在输入信号范围内的输出响应是否与输入信号成比例，即设备输出与输入之间的线性关系程度。对于局放监测设备而言，线性度的好坏直接影响着其测量结果的准确性和可靠性。较高的线性度意味着设备能够准确地将输入信号转换为相应的输出信号，从而提供精确的局放测量数据。相反，线性度差的设备可能会引入非线性失真，导致输出信号与输入信号之间存在误差或偏差。因此，评估局放设备的线性度对于确定其测量精度和可靠性至关重要。在本研究中，将通过采用标准参考信号以及模拟和实际局放波形，对局放设备的线性度进行详细测试和分析。通过对设备输出信号与输入信号的比较和分析，我们将评估设备的线性度性能，并提供对其准确性和可靠性的初步评价。这将有助于选择适合特定应用需求的局放设备，并为进一步的研究和开发提供基础和指导。2.2.3灵敏度灵敏度定义了设备对微弱局放信号的检测和响应能力。在局放监测中，灵敏度直接关系到设备是否能够准确地捕捉和测量低幅度的局放信号。较高的灵敏度意味着设备能够有效地检测到微弱的局放活动，从而提供更高的信噪比和测量精度。相反，灵敏度低的设备可能会错过或无法准确识别低幅度的局放信号，导致测量结果的准确性和可靠性降低。因此，评估局放设备的灵敏度对于确定其适用范围和性能优劣至关重要。在本研究中，将通过使用标准信号源以及模拟和实际局放波形，对局放设备的灵敏度进行详细测试和分析。通过测量设备对不同幅度的信号的检测能力，我们将评估设备的灵敏度性能，并提供对其适用性和性能优劣的初步结论。这将有助于选择适合特定应用需求的局放设备，并为进一步的研究和开发提供基础和参考。2.2.4稳定性局放设备的稳定性是评估其性能的重要方面，它涉及设备在不同时间尺度下的信号测量一致性和可靠性。稳定性可分为长期稳定性和短期稳定性两个方面。长期稳定性指设备在连续长时间使用过程中，其性能表现是否保持稳定。这方面的评估需要考察设备在不同工况和环境条件下的测量结果的一致性，以验证其长期可靠性和准确性。短期稳定性则关注设备在短时间内的稳定性能，包括设备对于连续输入信号的重复测量结果的一致性。这方面的评估通常通过对同一信号进行多次测量，并分析结果的差异和波动程度，以确定设备的测量稳定性和可靠性。局放设备的稳定性评估对于确保长期监测的准确性和可靠性至关重要。在本研究中，将对局放设备的稳定性进行全面评估。通过长时间的连续监测和短时间内的重复测量实验，我们将分析设备的长期稳定性和短期稳定性性能，并提供对其在不同时间尺度下的测量一致性和可靠性的初步评价。这将有助于选择稳定性良好的局放设备，并为其在实际应用中提供可靠的性能保证和参考。2.3设备有效性2.3.1校准脉冲发生器校准脉冲发生器作为校准标准源，量化模拟局放脉冲特征。通过标准校准源和校准检测仪器，结合精确的测量方法和数据分析技术，评估局放设备有效性。2.3.2实采局放波形实际采集到的设备放电数据，包含校准脉冲发生难以完全模拟的真实放电特性，如放电强度、能量分布、电磁干扰等，蕴含了丰富的电力设备状态信息。2.4实验具体实操2.4.1实验框架图图 1测试连线图Fig.1Test connection diagram2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期2182.4.2测试步骤1）带宽 任意函数发生器接入图 1，经高频电缆与传统局部放电测试仪连接，测试回路接入高频电压表和频率计。将任意函数发生器调整至产生正弦波形模式，将幅值设定为 0.5 V，将频率从 50 Hz 调整至 500MHz，从局放仪读取最大刻度 Umax，并记录所对应的频率 fc，以此作为基准频率；保持基准频率不变，在任意函数发生器量程范围内（取1 V），调整正弦波幅值，使局放仪的读数位于中间刻度 Umid，满足测量值变化的裕度需求，记录此时的局放仪显示读数，并以此作为归一化基准；降低正弦波信号的频率，从局放仪进行读数，找出被检局放仪归一化输出降到 0.5 倍时的频率点（-6 dB 点），此点即为实测的下限截止频率。升高正弦波信号的频率，从局放仪进行读数，找出被检局放仪归一化输出降到 0.5 倍时的频率点（-6 dB 点），此点即为实测的上限截止频率。计算上、下限截止频率的误差。100%Bffff-=（1）式中：f表示带宽与截止带宽的误差；表示额定频率值；表示局部放电测试仪显示读数。2）线性度局部放电线性度实验是电力设备检测中非常重要的一项实验，其主要目的是检测局部放电测试仪的线性度误差，进而保证电力设备检测的准确性和可靠性。其实验过程如下：首先，需要将高频电缆接到局部放电试验装置上，并将局部放电测试仪量程置于待测档。然后，将单脉冲校准发生器接入电缆近端，并通过调节增益和单脉冲校准发生器，使局部放电测试仪的电荷量显示值与标准电量输入值相一致。这一步是为了校准局部放电测试仪，以确保其准确性和可靠性。完成局部放电测试仪的校准后，需要注入当前校准脉冲发生器输出标准电荷量值的 80%、60%、40%、20%至局部放电测试，并记录局部放电测试仪的显示值。这一步是为了确定待测电量的范围和准确值，以便后续的实验操作。最后，需要选择至少一个常用档位进行视在电荷量的线性度校准，并根据给定的公式(2)计算线性度误差。具体操作是依次注入不同的电荷量值，并记录局部放电测试仪的显示值，最后通过计算误差值来评估仪器仪表的线性度。100%xNxNQQEQ-=（2）式中：xQ代表电测试仪的显示值即局部放电的电荷量；NQ代表当前校准脉冲发生器输出标准电荷量值；xE表示误差值。3）灵敏度任意函数发生器和局放仪均通过 UPS 供电。被检局放仪增益系数调至最高档，保持测试回路不变，断掉所有信号发生源，测试背景噪声对应的刻度值。任意函数发生器经校准电容从接入图 1，将其调整为阶跃方波模式，调整阶跃方波输出的电压幅值，使被检局放仪显示的脉冲高度为背景噪声的两倍，记录下此时阶跃方波输出的电压幅值qU，灵敏度计算如下：sqqqUC=（3）式中：sq为被检局放仪灵敏度；qU为阶跃方波的输出电压幅值；qC为校准电容。4）稳定性通过对局放量波动值和 95%值统计偏差等指标的测量和分析，我们能够客观评估设备在长期和短期使用过程中的稳定性表现。局放量波动值：maxminmaxmin2100%fdddd-=+（4）式中：f为局放量波动值，maxd为测试周期内工频单周波最大局放量的最大值，mind为测试周期内工频单周波最大局放量的最小值。95%值统计偏差maxmin95maxmin2100%DDDD-=+（5）2023 年宋坤隆 等：水轮发电机超高频局部放电检测设备计量性能评价研究第 3 期219式中：95为 95%值统计偏差；Dmax为测试周期内工频连续周波局放量 95%值的最大值；Dmin为测试周期内工频连续周波局放量 95%值的最小值。3结果与分析3.1测试结果在本研究中，我们选择了某高频局放设备进行测试，并测得了以下结果：1）带宽带宽测试结果见表 1。表 1频带及上下限截止频率Tab.1Frequency band and upper and lower cut-offfrequencies频带下限截止频率上限截止频率标称值/(MHz)33.039.0标称值/(MHz)32.938.6f/%0.301.032）线性度线性度测试结果见表 2。表 2幅值线性误差单位：dBmVTab.2Amplitude linear error示波器读数/(mV)标准信号频率值：37.1 MHz折算后标准衰减值被校显示值Ax(n)被校衰减值Ax(n)-Ax(n-1)1020665.06.950058.16.325251.85.112546.75.067.641.7-平均Ex/%12.91%3）灵敏度灵敏度测试结果见表 3。表 3灵敏度测试单位：dBmVTab.3Sensitivity test仪器初始值 Vn1(激励 Vs=0)仪器示值 Vn2(激励 Vs=2*Vn1)测量不确定度Urel(k=2)/(dBmV)21.828.31.84）稳定性由于时间较短，本文只进行了短期稳定性测试，结果见表 4。表 4连续工作稳定性Tab.3Continuous working stability初始信号显示/(dBmV)4 h 后显示/(dBmV)f/%95/%54.752.05.616.013.2结果分析对于带宽测试，该设备的下限截止频率为 32.9MHz，上限截止频率为 38.6 MHz。这表明设备带宽偏窄，在现场的数据采集中，不能真实获取实际信号的特性。在线性度测试中平均误差值为 12.91%，这表明设备的灵敏度存在一定的非线性特性，可能会带来误判的风险，需要在实际应用中进行进一步考虑和校准。对于稳定性测试，由于时间限制，我们只进行了短期稳定性测试。初始信号显示为 54.7dBmV，经过 4 h 后，显示值下降至 52.0 dBmV。其局放量波动值与 95%值统计偏差分别为 5.61%与6.01%，可以推断设备的短期稳定性较好，但仍需要更长时间的测试来评估其长期稳定性。综上所述，通过对该国产设备的测试，实验表明所提评价指标及测试方法有效，测试评估了国内某型局放设备的带宽范围、线性度和短期稳定性的相关数据。这些结果为设备的性能评估和进一步改进提供了重要参考。然而，还需要进行更全面和长期的稳定性测试以获得更准确的评估结果。对设备的性能特性有深入的了解将有助于优化其设计和应用，提高其在相关领域的可靠性和性能。4结语本文提出高频局部放电设备计量性能评价指标，搭建试验平台对高频局放监测设备进行了性能摸底测试。重点关注了设备的带宽、线性度、灵敏度和稳定性等硬件性能指标，并对某高频局放设备进行实测，验证了本文方法的有效性。所述研究结果对于高频局放设的标准化和性能提升具有实际意义，通过明确设备的性能指标和评价体系，能够为相关研究人员和工程师设备选型和测试校准提供参考。后续有必要进一步开展测试算法与环境影响评估研究，共同构成高频局放测试有效性评估。参考文献：1 林伯强.能源革命促进中国清洁低碳发展的“攻关期”和“窗口期”J.中国工业经济,2018(6):15-23.LIN Boqiang.The period of carrying out energy revolution to promotelow carbon clean development in ChinaJ.China Industrial Economics,2018(6):15-23.2 董忠江.水力发电厂设备维护和缺陷管理J.科技创新与应用,2015(35):167-167.2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期2203 李宇,黄政.水轮发电机定子绕组接地查找方法探讨J.贵州水力发电,2008,82(01):70-72.4 高 波,郝长金,尹小兵,等.发电机主绝缘加速老化的频域介电特性J.电机与控制学报,2019,23(03):57-64.GAO Bo,HAO Changjin,YIN Xiaobing,et al.Frequency domaindielectricpropertiesofacceleratedaginggeneratorstatorinsulationJ.Electric Machines and 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