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
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1、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
2、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)03-2
3、15-06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 Tec
4、hnology 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 6
5、10072,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 di
6、scharge 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
7、 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 frequencyerror
8、s 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 prel
9、iminarily 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。
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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 500
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