专利名称：基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法
技术领域：
本发明特别涉及一种基于大型发电机的局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法。
背景技术：
目前，电力工业的发展迅速，电网规模日益扩大，电压等级也在逐步的提高，这些因素对电力系统的稳定性、可靠性及各种电气设备的运行状况也相应的提出了更高的要求。随着工业的发展和技术进步，作为电力系统中关键电气设备的发电机也正朝着大容量、高电压的方向发展。发电机的安全可靠运行已成为电力系统的头等大事。据不完全统计，1983 1995年期间，我国200MW气轮发电机共发生二十余次短路事故，而由定子绕组绝缘问题造成的事故占全部事故的三分之一左右。根据日本和欧洲的统计资料，电机故障的15 25%与定子绕组绝缘有关。大型发电机一旦发生故障，将会造成停电事故，甚至危及电力系统正常稳定运行，事故涉及面大，修理周期长，费用高，经济损失巨大。虽然大型发电机在设计时具有足够的电气强度和优良的机械性能，可是制造过程中的偶然因素会造成一些先天性绝缘缺陷，这些局部缺陷将造成绝缘内部出现局部放电， 由于绝缘电介质长时击穿电压较低，长期的局部放电必将对绝缘介质造成损害。因此，对大型电机局部放电进行监测显得非常重要。目前，国内外发电机的局部放电在线监测技术有中性点耦合监测法、便携式电容耦合监测法、射频监测法、PDA监测法、槽耦合器(SSC)监测法、基于埋置在定子槽内的电阻式测温元件导线的监测法。这些监测方法各有各的优缺点，有的需要有经验的操作人才可以识别出放电信号，有的信号受到干拢，但都能为大型电机局部放电监测提供一定参考价值。这些监测系统均无法对局部放电点进行定位，以便于维护和检修。有鉴于此，有必要设计出一种基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法，通过合理的传感器设置，能够对大型电机局部放电进行超声监测提供引导，为其局部放电定位提供方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法。通过对局部放电超声信号在电机内部的声场分布和传播特性进行分析，能够实现声传感器在大电机外壁及其相应部位的合理分布，实现经济、有效地超声局部放电信号监测，最终为局部放电定位提供参数。本发明的目的是通过以下技术方案实现的
该种基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法，包括以下步骤
1)大电机模型构建以实际监测分析的大电机进行原型模型构建；
2)单根线棒声场分布分析单根线棒以放电点位于绝缘内部和放电点位于端部表面两种情况的局部放电超声传播及声场分布进行仿真分析，得到能够反映绕组线棒局部放电超声相应特性的数据报表；
3)定子模型声场分布分析建立三维的发电机定子模型，对定子模型中局部放电的声场分布进行仿真分析，得到能够反映定子模型局部放电超声相应特性的数据报表；
4)大电机外壁声压分布分析将放电点设置在绝缘内部，采用单束超声波，在瞬态模型中对声波在向定子外壁传播过程特性进行仿真分析，得到外壁的声压分布特性的数据报表。5)确定传感器分布根据上述步骤1) -4)所得到的数据报表，分析大电机局部放电超声信号在大电机的声场分布和传播特性，结合外壁的声压分布，以发电机定子圆心为中心点，用顶角为30°的圆锥对定子进行划分，再按照定子铁芯的厚度与圆锥底边直径的比值为确定传感器分布，实现无盲区检测。进一步，所述单根线棒声场分布分析包括三种状况，即放电点分别位于绝缘内部、 端部表面以及放电点表面有油污时的声场分布；
进一步，大电机定子模型是以实际电机原型建立三维的发电机定子模型，对于放电点位于主绝缘内部的情形，采用声一结构耦合模型。进一步，定子中局部放电声场分布，包括定子内环为转子铁芯的切面声压级分布和内圆环为铁芯的表面波分布。进一步，步骤4)的具体步骤包括在原模型的临界角内，预设置多组不同角度的入射信号，得到多组到达定子外壁的不同路径，同时将模型分为三种形式的组合，即绝缘一绕组、绕组一绝缘、绝缘一铁芯，分别设置不同局部放电点，通过仿真分析获取声波在内层绝缘与绕组、绕组与外层绝缘及外层绝缘与铁芯接触面的声压分布特性的数据报表。本发明的有益效果是
本发明综合利用了超声技术、传感器技术、计算机技术和仿真技术，对大型电机局部放电进行超声法监测提供了新的思路和解决方法，在发电机定子绕组局部放电的声场仿真的基础上，通过理论推导与实验验证，提出减小时延误差的传感器分布规律；
本发明解决了传统大电机局部放电以单一电信号检测的途径，同时打破了传统发电机局部放电监测的局限，并且可以进一步利用局部放电时产生的具有时空特性的超声波信号，为局部放电点定位提供了解决方法，在降低检修和维修成本方面意义重大。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图1为本发明的结构原理框图； 图2为本发明实现过程的整体示意图。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。图1显示了本发明的结构原理框图，从原理上，该方法主要包括了单根线棒声场分布分析、构建大电机定子模型、定子中局部放电声场分布、声传播特性分析、大电机外壁声压分布及声传感器分布配置几个大的步骤模块。大电机局部放电超声信号是整个分析方法的分析对象，为此，为了能更深入的分析大电机局部放电超声信号，首先分析单根线棒声场分布和特性。构建大电机定子模型是为了进一步分析定子绕组中局部放电超声在整个电机内部的声场分布及声传播特性，以更于掌握电机内局部放电超声机理，为后续监测提供帮助。为了获取局部超声信号和合理经济布置声传感器，对大电机内部局部放电产生的超声信号经过传播在大电机外壁的声压分布进行分析。通过上述分法分析撑握了大电机局部放电超声信号在大电机人声场分布和传播特性，再结果外壁的声压分布，以及发电机定子圆心为中心点，用顶角为30°的圆锥对定子进行划分，再按照定子铁芯的厚度与圆锥底边直径的比值为确定传感器分布，从而实现无盲区检测。图2显示了本发明实现过程的整体示意图。本发明具体包括以下步骤
1)大电机模型构建以实际监测分析的大电机进行原型模型构建；
2)单根线棒声场分布分析单根线棒以放电点位于绝缘内部和放电点位于端部表面两种情况的局部放电超声传播及声场分布进行仿真分析，得到能够反映绕组线棒局部放电超声相应特性的数据报表；
本发明中，单根线棒声场分布分析包括三种状况，即放电点分别位于绝缘内部、端部表面以及放电点表面有油污时的声场分布。3)定子模型声场分布分析建立三维的发电机定子模型，对定子模型中局部放电的声场分布进行仿真分析，得到能够反映定子模型局部放电超声相应特性的数据报表；
本发明中，大电机定子模型是以实际电机原型建立三维的发电机定子模型，对于放电点位于主绝缘内部的情形，采用声一结构耦合模型；
定子中局部放电声场分布包括定子内环为转子铁芯的切面声压级分布和内圆环为铁芯的表面波分布。4)大电机外壁声压分布分析将放电点设置在绝缘内部，采用单束超声波，在瞬态模型中对声波在向定子外壁传播过程特性进行仿真分析，得到外壁的声压分布特性的数据报表。具体步骤包括在原模型的临界角内，预设置多组不同角度的入射信号，得到多组到达定子外壁的不同路径，同时将模型分为三种形式的组合，即绝缘一绕组、绕组一绝缘、 绝缘一铁芯，分别设置不同局部放电点，通过仿真分析获取声波在内层绝缘与绕组、绕组与外层绝缘及外层绝缘与铁芯接触面的声压分布特性的数据报表。5)确定传感器分布根据上述步骤1) -3)所得到的数据报表，分析大电机局部放电超声信号在大电机的声场分布和传播特性，结合外壁的声压分布，以发电机定子圆心为中心点，用顶角为30°的圆锥对定子进行划分，再按照定子铁芯的厚度与圆锥底边直径的比值为确定传感器分布，实现无盲区检测。
作为本专利的进一步延伸，在布置好传感器后，还可以通过配置的声传感器进行局部放电超声信号获取，并进行数字信号处理分析；最后，根据信号分析处理后的相应参数信息如局部放电超声传播时间、声路径及在介质中传播速度等，根据声声法建立球面方程， 通过相应优法算法运算，得到最终局部放电点定位。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法，其特征在于包括以下步骤1)大电机模型构建以实际监测分析的大电机进行原型模型建立三维的发电机定子模型；2)单根线棒声场分布分析单根线棒以放电点位于绝缘内部和放电点位于端部表面两种情况的局部放电超声传播及声场分布进行仿真分析，得到能够反映绕组线棒局部放电超声相应特性的数据报表；3)定子模型声场分布分析以建立三维的发电机定子模型，对定子模型中局部放电的声场分布进行仿真分析，得到能够反映定子模型局部放电超声相应特性的数据报表；4)大电机外壁声压分布分析将放电点设置在绝缘内部，采用单束超声波，在瞬态模型中对声波在向定子外壁传播过程特性进行仿真分析，得到外壁的声压分布特性的数据报表；5)确定传感器分布根据上述步骤1)-4)所得到的数据报表，分析大电机局部放电超声信号在大电机的声场分布和传播特性，结合外壁的声压分布，以发电机定子圆心为中心点，用顶角为30°的圆锥对定子进行划分，再按照定子铁芯的厚度与圆锥底边直径的比值为确定传感器分布，实现无盲区检测。
2.根据权利要求1所述的基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法， 其特征在于所述单根线棒声场分布分析包括三种状况，即放电点分别位于绝缘内部、端部表面以及放电点表面有油污时的声场分布。
3.根据权利要求1所述的基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法， 其特征在于大电机定子模型是以实际电机原型建立三维的发电机定子模型，对于放电点位于主绝缘内部的情形，采用声一结构耦合模型。
4.根据权利要求1所述的基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法， 其特征在于定子中局部放电声场分布，包括定子内环为转子铁芯的切面声压级分布和内圆环为铁芯的表面波分布。
5.根据权利要求1所述的基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法， 其特征在于步骤4)的具体步骤包括根据Snell定律，在原模型的临界角内，预设置多组不同角度的入射信号，得到多组到达定子外壁的不同路径，同时将模型分为三种形式的组合，即绝缘一绕组、绕组一绝缘、绝缘一铁芯，分别设置不同局部放电点，通过仿真分析获取声波在内层绝缘与绕组、绕组与外层绝缘及外层绝缘与铁芯接触面的声压分布特性的数据报表。
全文摘要
本发明公开了一种基于大电机局部放电超声分布特性的传感器设置分析方法，包括大电机模型构建；对发电机绕组单根线棒在空气中的声场分布及在油中的声场分布进行仿真计算；构建发电机定子的模型，对定子绕组局部放电在整个发电机定子中的声场分布进行仿真计算；再运用瞬态模型对超声波直接入射信号在定子模型中的传播进行仿真分析；求出直接入射超声波的角度范围，计算出定子外壁上的声压分布情况；得出有效获取直接入射超声信号的传感器分布规律，本发明打破了传统大电机局部放电大容器监测方法，该方法便利、有效地的显示局部放电在电机内超声分布特性，为超声传感器合理布置提供了有效参考，同时为局部放电点定位提供了思路。
文档编号G01R31/12GK102323526SQ20111023284
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者杨永明, 江帆, 陈学军 申请人:重庆大学