一種水輪發(fā)電機定子接地故障定位裝置與方法

李芳芳

（福建水口發(fā)電集團有限公司，福建 福州 350004）

1 前言

水輪發(fā)電機組是實現(xiàn)將水輪機轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，主要由定子、轉(zhuǎn)子、機架、推力軸承、冷卻器、制動器等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)與性能的好壞直接關(guān)系到電站的安全穩(wěn)定運行[1，2]。定子是水輪發(fā)電機組的靜止部件，其接地故障是機組常見的一種故障，尤其是運行多年的發(fā)電機，由于定子整體絕緣水平下降，絕緣受損或外力原因都將可能造成定子繞組接地故障，如不及時排除接故障，可能灼傷燒毀定子繞組和定子鐵心，對機組的正常穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響[3]。當發(fā)生定子接地故障時，應(yīng)快速查找定位故障點并設(shè)法消除，防止故障向事故形態(tài)演變。

傳統(tǒng)常用加壓觀察的方法進行定子接地故障定位，即對故障相與地間增加間歇性電壓，結(jié)合人為觀察定子繞組放電產(chǎn)生的聲音、火花或輕煙，從而定位故障點位，特別對于大型機組一般需要組織較多人同時進行觀察。但是加壓觀察法缺點一是實驗電壓高，人工查找有危險性；二是故障點放電時間非常短暫，人工觀察容易漏過放電火花或聲音信號，而且不同的人判斷的位置經(jīng)常不一致，難以準確判斷放電故障點，經(jīng)常需要反復(fù)多次加壓才能最終確定故障點，但對存在缺陷的設(shè)備多次加壓又有可能擴大故障。

文中提出了一種基于紫外全景圖像的水輪發(fā)電機組定子接地故障點定位裝置與方法，通過利用紫外成像法，融合紫外視頻和拍攝的可見光視頻，準確高效定位定子接地故障放電點位，為檢修人員排除定子接地故障提供方法支持。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 高壓電氣設(shè)備放電檢測技術(shù)

高壓電氣設(shè)備放電時，將產(chǎn)生聲、光、電等多種特征信號，通過有效利用這些信號，實現(xiàn)高壓設(shè)備的放電檢測。常用的檢測方式主要包括脈沖電流法、超聲波檢測法、超高頻局部放電檢測、紫外成像法等[4]。

（1）脈沖電流法

脈沖電流法是早期用來檢測高壓設(shè)備放電的技術(shù)，主要通過由羅格夫斯基線圈組成的電流傳感器或阻抗計算，檢測放電電荷在高壓設(shè)備接地回路中形成的脈沖電流。該技術(shù)研究較為成熟，被廣泛應(yīng)用于高壓設(shè)備的放電檢測。但該方法容易受外界干擾，使靈敏度降低，此外，安裝部署受到限制，應(yīng)用成本與維護難度較高。

（2）超聲波檢測法

在高壓電氣設(shè)備表面放電時，將引起聲波發(fā)射現(xiàn)象，隨著放電能量的增加，聲波信號的幅值也相應(yīng)增大。在設(shè)備上安裝超聲波檢測裝置，用來接收和測算放電時的超聲波幅值大小，從而推斷設(shè)備放電的強度與運行情況。超聲波檢測法抗電氣干擾能力較強，得到較為廣泛的應(yīng)用。但是該技術(shù)容易受電磁干擾，無法準確檢測早期設(shè)備放電時能量較弱的情況。

（3）超高頻局部放電檢測

高壓設(shè)備放電時將產(chǎn)生高頻電磁波，頻率在300 Hz 到3 000 MHz 之間。檢測超高頻電磁波，可以有效避開干擾信號，提升設(shè)備放電檢測的準確性。超高頻檢測技術(shù)由于抗干擾性強、檢測信息含量高的特點，被實際應(yīng)用在變壓器、發(fā)電機等高壓電氣設(shè)備的放電檢測中，但是在定位放電位置的場景中應(yīng)用不足。

（4）紫外成像法

紫外成像法主要通過紫外成像儀器，用來檢測高壓電氣設(shè)備放電時產(chǎn)生的紫外光信號，形成紫外圖像。通過這種遠距離、非接觸的檢測方式，在設(shè)備無需解體的情況下，既可以判斷高壓設(shè)備放電的電暈強度情況，還可以準確定位設(shè)備放電的位置，同時確保人身安全，但是該方法實現(xiàn)成本較高。

通過分析對比幾種高壓電氣設(shè)備放電檢測方法，紫外成像法在準確度、靈敏度、安全性等方面具備優(yōu)勢，所以選擇紫外成像法進行水輪機定子接地故障定位。

2.2 CCD 圖像傳感器

CCD(Charge Coupled Device)是一種電荷耦合器件圖像傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再通過信號放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）技術(shù)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而便于進行存儲與處理[5]。CCD 傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度和響應(yīng)速度快的特點，文中采用可見光CCD 和紫外CCD，分別將可見光鏡頭和紫外鏡頭收集的透過分光片的紫外光信號轉(zhuǎn)化成模擬信號。

3 基于紫外全景圖像的定子接地檢測

由于水輪發(fā)電機組定子接地放電時會輻射出紫外光信號，通過紫外成像法，利用紫外攝像機錄制定子加壓過程的視頻，如果加壓過程中故障點出現(xiàn)放電，在錄制的視頻中就會出現(xiàn)紫外光斑，但僅依靠紫外視頻，檢修人員只能判斷是否產(chǎn)生了放電，卻不能定位放電位置。通過結(jié)合可見光攝像機，錄制定子加壓過程視頻，再將紫外視頻和可見光視頻融合，檢修人員通過觀察融合后的視頻，便可以直觀地判斷是否發(fā)生放電及放電點位置。

3.1 整體設(shè)計原理

設(shè)計一種基于紫外全景圖像的水輪發(fā)電機組定子接地故障點定位裝置及方法，如圖1 所示，劃分為環(huán)形底座、多個紫外/可見光雙通道攝像頭、AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、視頻處理模塊、視頻融合模塊。各個紫外/可見光雙通道攝像頭均設(shè)置在環(huán)形底座上，用以固定紫外/可見光雙通道攝像頭；環(huán)形底座部署在發(fā)電機定子基座中心，并與發(fā)電機定子基座共面，用以通過紫外/可見光雙通道攝像頭采集定子加壓過程中的紫外視頻和可見光視頻；各個紫外/可見光雙通道攝像頭均與AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，用以將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與視頻處理模塊連接，用以將數(shù)字信號進行格式轉(zhuǎn)換；視頻處理模塊與視頻融合模塊連接，用以融合紫外視頻和拍攝的可見光視頻并輸出，再結(jié)合檢修人員判斷是否出現(xiàn)局部放電，進而確定定子接地故障點局部放電。

圖1 整體設(shè)計原理

3.2 全景圖像采集設(shè)計

水輪發(fā)電機定子由機座、鐵心、繞組等部件組成。機座一般呈現(xiàn)圓形，主要用于固定鐵心，鐵心和繞組是定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場和保證磁通及電流通路的必備組成部分，繞組由許多線棒按一定規(guī)律排列而成，上下交錯，槽數(shù)眾多[6]。

在定子接地故障點定位裝置的環(huán)形底座外側(cè)面每間隔45°平均安裝1 臺紫外/可見光雙通道攝像頭，組成正八邊形攝像頭組合，如圖2 所示，所有紫外/可見光雙通道攝像頭的光軸平行于環(huán)形底座平面且通過環(huán)形底座圓心，紫外/可見光雙通道攝像頭鏡頭方向朝外，能夠全方位覆蓋拍攝定子的所有部件，實現(xiàn)機組定子全景圖像的合成，便于放電位置的查找與定位。

圖2 雙通道攝像頭分布圖

3.3 雙通道攝像頭設(shè)計

紫外/可見光雙通道攝像頭包括分光片、可見光鏡頭、可見光CCD、紫外鏡頭、紫外CCD、偏置電壓電路、X 驅(qū)動電路、Y 驅(qū)動電路。

分光片的主要作用是讓紫外波段光透射，同時讓可見光波段實現(xiàn)全反射，實現(xiàn)可見光和紫外光分離。分光片采用UV 平板分束鏡，在250～650 nm 光譜范圍內(nèi)，能使可見光波段實現(xiàn)全反射，紫外波段能夠透過。分光片與雙通道攝像頭光軸夾角為45°?？梢姽忡R頭用于收集匯聚可見光并呈現(xiàn)在可見光CCD 上，紫外鏡頭與紫外CCD 連接，將紫外鏡頭收集的透過分光片的紫外光信號轉(zhuǎn)化成模擬信號。X驅(qū)動電路和Y 驅(qū)動電路分別為紫外CCD 提供水平驅(qū)動電壓和垂直驅(qū)動電壓，偏置電壓電路為X 驅(qū)動電路和Y 驅(qū)動電路提供偏置電壓。AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)將紫外CCD 和可見光CCD 輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

4 總結(jié)

該方法能夠融合紫外視頻和拍攝的可見光視頻，再結(jié)合檢修人員判斷是否出現(xiàn)局部放電，進而確定定子接地故障點局部放電位置，為檢修人員定位水輪發(fā)電機組定子接地故障點提供硬件支持，提高了放電位置查找和定位的效率，不僅節(jié)約了人力成本，同時也為人身與設(shè)備安全提供保障。