基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法
2023-11-01 04:58:22
專利名稱：基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法
技術領域：
本發明特別涉及一種基於大型發電機的局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法。
背景技術：
目前，電力工業的發展迅速，電網規模日益擴大，電壓等級也在逐步的提高，這些因素對電力系統的穩定性、可靠性及各種電氣設備的運行狀況也相應的提出了更高的要求。隨著工業的發展和技術進步，作為電力系統中關鍵電氣設備的發電機也正朝著大容量、高電壓的方向發展。發電機的安全可靠運行已成為電力系統的頭等大事。據不完全統計，1983 1995年期間，我國200MW氣輪發電機共發生二十餘次短路事故，而由定子繞組絕緣問題造成的事故佔全部事故的三分之一左右。根據日本和歐洲的統計資料，電機故障的15 25%與定子繞組絕緣有關。大型發電機一旦發生故障，將會造成停電事故，甚至危及電力系統正常穩定運行，事故涉及面大，修理周期長，費用高，經濟損失巨大。雖然大型發電機在設計時具有足夠的電氣強度和優良的機械性能，可是製造過程中的偶然因素會造成一些先天性絕緣缺陷，這些局部缺陷將造成絕緣內部出現局部放電， 由於絕緣電介質長時擊穿電壓較低，長期的局部放電必將對絕緣介質造成損害。因此，對大型電機局部放電進行監測顯得非常重要。目前，國內外發電機的局部放電在線監測技術有中性點耦合監測法、可攜式電容耦合監測法、射頻監測法、PDA監測法、槽耦合器(SSC)監測法、基於埋置在定子槽內的電阻式測溫元件導線的監測法。這些監測方法各有各的優缺點，有的需要有經驗的操作人才可以識別出放電信號，有的信號受到幹攏，但都能為大型電機局部放電監測提供一定參考價值。這些監測系統均無法對局部放電點進行定位，以便於維護和檢修。有鑑於此，有必要設計出一種基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法，通過合理的傳感器設置，能夠對大型電機局部放電進行超聲監測提供引導，為其局部放電定位提供方法。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法。通過對局部放電超聲信號在電機內部的聲場分布和傳播特性進行分析，能夠實現聲傳感器在大電機外壁及其相應部位的合理分布，實現經濟、有效地超聲局部放電信號監測，最終為局部放電定位提供參數。本發明的目的是通過以下技術方案實現的
該種基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法，包括以下步驟
1)大電機模型構建以實際監測分析的大電機進行原型模型構建；
2)單根線棒聲場分布分析單根線棒以放電點位於絕緣內部和放電點位於端部表面兩種情況的局部放電超聲傳播及聲場分布進行仿真分析，得到能夠反映繞組線棒局部放電超聲相應特性的數據報表；
3)定子模型聲場分布分析建立三維的發電機定子模型，對定子模型中局部放電的聲場分布進行仿真分析，得到能夠反映定子模型局部放電超聲相應特性的數據報表；
4)大電機外壁聲壓分布分析將放電點設置在絕緣內部，採用單束超聲波，在瞬態模型中對聲波在向定子外壁傳播過程特性進行仿真分析，得到外壁的聲壓分布特性的數據報表。5)確定傳感器分布根據上述步驟1) -4)所得到的數據報表，分析大電機局部放電超聲信號在大電機的聲場分布和傳播特性，結合外壁的聲壓分布，以發電機定子圓心為中心點，用頂角為30°的圓錐對定子進行劃分，再按照定子鐵芯的厚度與圓錐底邊直徑的比值為確定傳感器分布，實現無盲區檢測。進一步，所述單根線棒聲場分布分析包括三種狀況，即放電點分別位於絕緣內部、 端部表面以及放電點表面有油汙時的聲場分布；
進一步，大電機定子模型是以實際電機原型建立三維的發電機定子模型，對於放電點位於主絕緣內部的情形，採用聲一結構耦合模型。進一步，定子中局部放電聲場分布，包括定子內環為轉子鐵芯的切面聲壓級分布和內圓環為鐵芯的表面波分布。進一步，步驟4)的具體步驟包括在原模型的臨界角內，預設置多組不同角度的入射信號，得到多組到達定子外壁的不同路徑，同時將模型分為三種形式的組合，即絕緣一繞組、繞組一絕緣、絕緣一鐵芯，分別設置不同局部放電點，通過仿真分析獲取聲波在內層絕緣與繞組、繞組與外層絕緣及外層絕緣與鐵芯接觸面的聲壓分布特性的數據報表。本發明的有益效果是
本發明綜合利用了超聲技術、傳感器技術、計算機技術和仿真技術，對大型電機局部放電進行超聲法監測提供了新的思路和解決方法，在發電機定子繞組局部放電的聲場仿真的基礎上，通過理論推導與實驗驗證，提出減小時延誤差的傳感器分布規律；
本發明解決了傳統大電機局部放電以單一電信號檢測的途徑，同時打破了傳統發電機局部放電監測的局限，並且可以進一步利用局部放電時產生的具有時空特性的超聲波信號，為局部放電點定位提供了解決方法，在降低檢修和維修成本方面意義重大。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中
圖1為本發明的結構原理框圖； 圖2為本發明實現過程的整體示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。圖1顯示了本發明的結構原理框圖，從原理上，該方法主要包括了單根線棒聲場分布分析、構建大電機定子模型、定子中局部放電聲場分布、聲傳播特性分析、大電機外壁聲壓分布及聲傳感器分布配置幾個大的步驟模塊。大電機局部放電超聲信號是整個分析方法的分析對象，為此，為了能更深入的分析大電機局部放電超聲信號，首先分析單根線棒聲場分布和特性。構建大電機定子模型是為了進一步分析定子繞組中局部放電超聲在整個電機內部的聲場分布及聲傳播特性，以更於掌握電機內局部放電超聲機理，為後續監測提供幫助。為了獲取局部超聲信號和合理經濟布置聲傳感器，對大電機內部局部放電產生的超聲信號經過傳播在大電機外壁的聲壓分布進行分析。通過上述分法分析撐握了大電機局部放電超聲信號在大電機人聲場分布和傳播特性，再結果外壁的聲壓分布，以及發電機定子圓心為中心點，用頂角為30°的圓錐對定子進行劃分，再按照定子鐵芯的厚度與圓錐底邊直徑的比值為確定傳感器分布，從而實現無盲區檢測。圖2顯示了本發明實現過程的整體示意圖。本發明具體包括以下步驟
1)大電機模型構建以實際監測分析的大電機進行原型模型構建；
2)單根線棒聲場分布分析單根線棒以放電點位於絕緣內部和放電點位於端部表面兩種情況的局部放電超聲傳播及聲場分布進行仿真分析，得到能夠反映繞組線棒局部放電超聲相應特性的數據報表；
本發明中，單根線棒聲場分布分析包括三種狀況，即放電點分別位於絕緣內部、端部表面以及放電點表面有油汙時的聲場分布。3)定子模型聲場分布分析建立三維的發電機定子模型，對定子模型中局部放電的聲場分布進行仿真分析，得到能夠反映定子模型局部放電超聲相應特性的數據報表；
本發明中，大電機定子模型是以實際電機原型建立三維的發電機定子模型，對於放電點位於主絕緣內部的情形，採用聲一結構耦合模型；
定子中局部放電聲場分布包括定子內環為轉子鐵芯的切面聲壓級分布和內圓環為鐵芯的表面波分布。4)大電機外壁聲壓分布分析將放電點設置在絕緣內部，採用單束超聲波，在瞬態模型中對聲波在向定子外壁傳播過程特性進行仿真分析，得到外壁的聲壓分布特性的數據報表。具體步驟包括在原模型的臨界角內，預設置多組不同角度的入射信號，得到多組到達定子外壁的不同路徑，同時將模型分為三種形式的組合，即絕緣一繞組、繞組一絕緣、 絕緣一鐵芯，分別設置不同局部放電點，通過仿真分析獲取聲波在內層絕緣與繞組、繞組與外層絕緣及外層絕緣與鐵芯接觸面的聲壓分布特性的數據報表。5)確定傳感器分布根據上述步驟1) -3)所得到的數據報表，分析大電機局部放電超聲信號在大電機的聲場分布和傳播特性，結合外壁的聲壓分布，以發電機定子圓心為中心點，用頂角為30°的圓錐對定子進行劃分，再按照定子鐵芯的厚度與圓錐底邊直徑的比值為確定傳感器分布，實現無盲區檢測。
作為本專利的進一步延伸，在布置好傳感器後，還可以通過配置的聲傳感器進行局部放電超聲信號獲取，並進行數位訊號處理分析；最後，根據信號分析處理後的相應參數信息如局部放電超聲傳播時間、聲路徑及在介質中傳播速度等，根據聲聲法建立球面方程， 通過相應優法算法運算，得到最終局部放電點定位。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法，其特徵在於包括以下步驟1)大電機模型構建以實際監測分析的大電機進行原型模型建立三維的發電機定子模型；2)單根線棒聲場分布分析單根線棒以放電點位於絕緣內部和放電點位於端部表面兩種情況的局部放電超聲傳播及聲場分布進行仿真分析，得到能夠反映繞組線棒局部放電超聲相應特性的數據報表；3)定子模型聲場分布分析以建立三維的發電機定子模型，對定子模型中局部放電的聲場分布進行仿真分析，得到能夠反映定子模型局部放電超聲相應特性的數據報表；4)大電機外壁聲壓分布分析將放電點設置在絕緣內部，採用單束超聲波，在瞬態模型中對聲波在向定子外壁傳播過程特性進行仿真分析，得到外壁的聲壓分布特性的數據報表；5)確定傳感器分布根據上述步驟1)-4)所得到的數據報表，分析大電機局部放電超聲信號在大電機的聲場分布和傳播特性，結合外壁的聲壓分布，以發電機定子圓心為中心點，用頂角為30°的圓錐對定子進行劃分，再按照定子鐵芯的厚度與圓錐底邊直徑的比值為確定傳感器分布，實現無盲區檢測。
2.根據權利要求1所述的基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法， 其特徵在於所述單根線棒聲場分布分析包括三種狀況，即放電點分別位於絕緣內部、端部表面以及放電點表面有油汙時的聲場分布。
3.根據權利要求1所述的基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法， 其特徵在於大電機定子模型是以實際電機原型建立三維的發電機定子模型，對於放電點位於主絕緣內部的情形，採用聲一結構耦合模型。
4.根據權利要求1所述的基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法， 其特徵在於定子中局部放電聲場分布，包括定子內環為轉子鐵芯的切面聲壓級分布和內圓環為鐵芯的表面波分布。
5.根據權利要求1所述的基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法， 其特徵在於步驟4)的具體步驟包括根據Snell定律，在原模型的臨界角內，預設置多組不同角度的入射信號，得到多組到達定子外壁的不同路徑，同時將模型分為三種形式的組合，即絕緣一繞組、繞組一絕緣、絕緣一鐵芯，分別設置不同局部放電點，通過仿真分析獲取聲波在內層絕緣與繞組、繞組與外層絕緣及外層絕緣與鐵芯接觸面的聲壓分布特性的數據報表。
全文摘要
本發明公開了一種基於大電機局部放電超聲分布特性的傳感器設置分析方法，包括大電機模型構建；對發電機繞組單根線棒在空氣中的聲場分布及在油中的聲場分布進行仿真計算；構建發電機定子的模型，對定子繞組局部放電在整個發電機定子中的聲場分布進行仿真計算；再運用瞬態模型對超聲波直接入射信號在定子模型中的傳播進行仿真分析；求出直接入射超聲波的角度範圍，計算出定子外壁上的聲壓分布情況；得出有效獲取直接入射超聲信號的傳感器分布規律，本發明打破了傳統大電機局部放電大容器監測方法，該方法便利、有效地的顯示局部放電在電機內超聲分布特性，為超聲傳感器合理布置提供了有效參考，同時為局部放電點定位提供了思路。
文檔編號G01R31/12GK102323526SQ20111023284
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者楊永明, 江帆, 陳學軍 申請人:重慶大學