水轮发电机绝缘诊断用直流耐压及泄漏测试系统及方法与流程

本发明属于水轮发电机定子绕组绝缘状态评估，具体涉及一种用于水轮发电机定子绕组绝缘状态评估的直流耐压及泄漏测试升压控制系统及数字化方法。

背景技术：

1、随着工业自动化、数字化和大数据人工智能的发展，电力行业逐步推行智慧运检，水电检修是其中的重要组成部分。状态检修是智慧运检的重要支撑，而其中关键环节是状态分析。对于检修状态分析其基础是各类离线、在线检测试验数据的质量和可靠性，数据质量依赖检测仪器的精度和检测方法的有效性。

2、水轮发电机绝缘结构在直流电压作用下，会产生微小的直流电流其中包含电容电流、极化电流、电导电流、泄漏电流成分，在电压作用下各成分随时间变化不同。随着时间变化衰减最终剩余电流为电导电流和表面泄漏电流，电导电流与绝缘劣化状态有关，随绝缘老化相同电压下电导电流逐步增加，定期测量该电流用于监测分析绝缘状态指导状态检修意义重大。不同发电机绝缘结构差异电容电流、极化电流、电导电流、泄漏电流时间特性差异较大，尤其是极化吸收时间长达数十小时，因此要高效准确测量电导电流很困难，由此理论上有等时阶梯升压测试、分时阶梯升压测试、斜坡升压测试几种测试方法，但对试验设备要求较高，目前直流耐压及泄漏电流试验设备均不满足上述3中升压测试要求。

3、直流耐压及泄漏电流测试是水轮发电机绝缘性能的关键离线检测试验，传统试验注重耐压通过性考核而轻视泄漏电流分析，试验设备制造因需求促进更多向着设备耐压性能参数额定电压、容量提高，系统便携小型化和低成本发展，功能仅有手动直流升降压、泄漏电流测量、电压电流显示，电压电流和操作之间不构成闭环控制不具备自动功能。设备自动化、数字化水平较低，需要技术人员根据需要手动升压操作，手动记录数据。总体情况是试验设备功能简单，手动操作试验效率低、数据可靠性差，试验数据为纸质记录非结构化容易形成数据孤岛，当前直流耐压及泄漏试验设备不满足水轮发电绝缘状态分析耐压及泄漏测试的要求。

4、目前直流耐压及泄漏电流试验设备在水轮发电机绝缘试验中存在的问题：

5、1)无自动功能，对于泄漏电流测量只采用手动操作控制等时阶梯升压与严格的等时升压差异较大，各阶梯电压下泄漏电流数据可靠性较低；升压速率、分段读取泄漏电流的时刻不一致导致试验结果泄漏电流差异大，潜在的早期缺陷被掩盖。

6、2)无自动功能，效率和准确度较高的分时阶梯升压方式、斜坡升压方式无法实现。

7、3)数字化水平较低，试验设备无操作系统，无自动测量记录功能，试验过程中人为记录仪表数据，数据为离散点数据，信息记录不全；

8、4)数字化水平较低，试验参数如升压速率、升压阶梯、时间间隔、被试设备参数等没有形成结构化，不便于参数的重复使用，确保同一设备多次试验参数一致；

9、5)试验结果数据记录未形成统一标准的结构化数据，不便于绝缘状态分析使用。

10、因此如何克服现有技术的不足是目前水轮发电机定子绕组绝缘状态评估技术领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术的不足，克服现有直流耐压及泄漏电流试验设备在水轮发电机绝缘试验中存在的问题，提供一种水轮发电机绝缘诊断用直流耐压及泄漏测试系统及方法，满足多种直流升压泄漏电流测试需要，提高试验数据质量，实现试验数据结构化存储，满足状态分析需要服务状态检修。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、水轮发电机绝缘诊断用直流耐压及泄漏测试系统，包括：控制及数据处理服务器、信号采集传输模块、升压控制单元、直流电流测量单元和直流高压发生单元；

4、升压控制单元，分别与信号采集传输模块、直流高压发生单元相连，用于控制对直流高压发生单元的工作；

5、直流高压发生单元用于生成直流电压，输出至被试水轮发电机；

6、直流电流测量单元，分别与被试水轮发电机、直流高压发生单元相连，用于测量直流高压发生单元输出到被试水轮发电机的电流；

7、信号采集传输模块，还分别与直流电流测量单元、直流高压发生单元、控制及数据处理服务器相连，用于采集直流电流测量单元的测量结果、直流高压发生单元的输出信息、升压控制单元的控制信号，然后传输至控制及数据处理服务器中；

8、控制及数据处理服务器，用于控制信号采集传输模块的工作，并用于通过信号采集传输模块传输控制信号至升压控制单元，从而控制升压控制单元的工作；还用于对信号采集传输模块传来的数据进行处理，得到被试水轮发电机直流耐压及泄漏电流测试结果。

9、本发明同时提供一种水轮发电机绝缘诊断用直流耐压及泄漏测试方法，采用上述水轮发电机绝缘诊断用直流耐压及泄漏测试系统，包括如下步骤：

10、步骤(1)，根据水轮发电机绝缘结构额定电压确定直流泄漏升压方法及参数；所述的升压方法包括等时阶梯升压方法、分时阶梯升压方法和斜坡升压方法；

11、其中，等时阶梯升压测试参数：参数编号cid、发电机额定电压un、试验电压ut、阶梯电压δu、电压精度要求±d％、快升比例n、快升间隔时间t1、慢升间隔时间t2、稳压时间td、快速电压升降参数kk、慢速电压升降参数km；

12、分时阶梯升压参数：参数编号cid、发电机额定电压un、试验电压ut、初始阶梯电压δu0、阶梯电压δu1～δum、电压精度±d％、快升比例n、快升间隔时间t1、慢升间隔时间t2、快速电压升降参数kk、慢速电压升降参数km；

13、斜坡升压参数：参数编号cid、发电机额定电压un、初始阶梯电压δu0、试验电压ut、电压精度±d％、快升比例n、升压斜率k、斜坡升压控制间隔时间t、快升间隔时间t1、慢升间隔时间t2、稳压时间td、快速电压升降参数kk、慢速电压升降参数km；

14、步骤(2)，每次试验前通过参数编号cid调取相应的试验参数，确认后启动，测试系统自动完成试验并记录存储试验参数和试验数据；存储时，以顺次的试验数据记录编号did将试验数据存储在对应编号下；

15、步骤(3)，在时间维度中通过did试验数据记录编号调取同一设备历次试验数据，然后通过试验数据对绝缘劣化趋势进行分析。

16、进一步，优选的是，步骤(2)中，存储的内容包括电压、泄漏电流、时间数据和随时间、电压变化的电流曲线。

17、进一步，优选的是，等时阶梯升压具体包括如下步骤：

18、s1.首先根据等时阶梯升压测试参数，确定各阶梯电压1δu＝1*δu、2δu＝2*δu、3δu＝3*δu，以此类推；

19、s2.按快升间隔时间t1发送速率kk的快升信号，并不断检测输出电压uo，当输出电压达到n％1δu时，切换慢升间隔时间t2速率km的慢升信号控制升压，直到输出电压uo满足(1±d％)1δu，启动计时td，过程中按±d％精度要求不断监测输出电压，并发送慢升间隔时间t2速率km的信号调整保持电压uo满足(1±d％)1δu；

20、s3.当达到稳压时间td后，重复上述1δu升压过程进行2δu阶梯升压、3δu阶梯升压，以此类推，直到要求的最高试验电压ut。

21、进一步，优选的是，分时阶梯升压方法具体包括如下步骤：

22、a1.获取初始阶梯电压δu0；

23、a2.开始升压时按快升间隔时间t1发送速率kk快升信号，并不断检测输出电压uo，当输出电压达到n％δu0时，切换慢升间隔时间t2的速率km慢升信号控制升压，直到输出电压uo满足(1±d％)δu0，然后启动计时td0进行稳压，td0＝10分钟，稳压过程中不断检测采集记录泄漏电流；

24、a3.取td0计时过程中第1分钟的泄漏电流值i1m、第3.16分钟的泄漏电值流i3.16m、第10分钟的泄漏电流值i10m，通过公式(1)、(2)计算绝缘介质极化吸收特性参数n；

25、itc＝(i1*i10)-i3.162/(i1+i10)-2*i3.16                                 (1)

26、n＝(i1-itc)/(i10-itc)                                  (2)

27、其中，itc表示泄漏电流；

28、a4.通过绝缘介质极化吸收特性参数n、阶梯电压δu1～δum计算在每一个阶梯电压下保持的时间td1、td2、……tdm时间值；

29、a5.td0时间到后立即启动δu1升压，开始升压时按快升间隔时间t1速率km发送快升信号，并不断检测输出电压uo，当电压达到n％δu1时，切换慢升间隔时间t2速率km的慢升信号控制升压，直到输出电压uo＝δu1±d％δu1；

30、a6.电压达到δu1后，启动计时td1，过程中按±d％精度要求不断监测输出电压，并发送慢升间隔时间t2速率km的稳压控制信号调整保持电压；

31、a7.td1时间到后立即重复δu2阶梯升压td2电压保持、δu3阶梯升压td3电压保持，以此类推，直到要求的最高试验电压ut，过程中记录泄漏电流值。

32、进一步，优选的是，斜坡升压方法具体包括如下步骤：

33、b1.确定初始阶梯电压δu0，确定初始电压时间td0，td0＝10分钟；

34、b2.开始升压时，按快升间隔时间t1发送速率kk快升信号，并不断检测输出电压uo，当输出电压uo达到n％δu0时，切换慢升间隔时间t2速率km的慢升信号控制升压，直到输出电压u满足δu0±d％δu0；电压达到δu0后，启动计时td0，过程中按±d％精度要求不断监测输出电压，并发送慢升间隔时间t2速率km的稳压控制信号调整保持电压；稳压过程中不断检测采集记录泄漏电流；

35、b3.取td0计时过程中第15s的泄漏电流值i15s、第60s的泄漏电值流i60s、第600s的泄漏电流值i600s计算绝缘绝缘电阻r、吸收比dar和极化指数pi；计算公式为：r＝δu0/i60s，dar＝i60s/i15s，pi＝i600s/i60s；

36、b4.按系统设定阈值判定r、dar、pi是否满足绝缘要求若均满足绝缘要求，则立即启动斜率k的斜坡升压；按斜坡升压控制间隔时间t发送慢升压信号，并不断检测输出电压uo，当输出电压uo达到n％ut时，切换慢升间隔时间t2速率km的慢升信号控制升压，直到输出电压uo＝ut±d％ut；启动计时td，过程中按±d％精度要求不断监测输出电压，并发送慢升间隔时间t2速率km的稳压控制信号调整保持电压直到计时完成。

37、本发明中，将每一种升压方法参数化并将参数进行结构化存储，针对每台发电机每一种升压方法形成1套测试参数记录在唯一的参数编号下，后续通过参数编号重复调用升压参数实现相同的升压过程。例如，等时阶梯升压测试参数设置时，首先根据发电机额定电压un确定阶梯电压δu和试验电压ut，确定梯度数ut/δu，进一步确定各阶梯电压1δu＝1*δu、2δu＝2*δu、3δu＝3*δu、4δu＝4*δu；

38、本发明等时阶梯升压测试时，通过设置快升间隔时间t1、慢升间隔时间t2、以及收到控制信号后采取快速电压升降参数kk(kv/秒)、慢速电压升降参数km(kv/秒)实现升压控制；其中δu一般选择0.5un；ut一般为2un、2.5un或3un；

39、本发明分时阶梯升压参数中，阶梯电压包括δu1、δu2、……、δum；m为正整数，取值可以根据需要设置，例如m＝5，即阶梯电压δu1、δu2、δu3、δu4、δu5。

40、分时阶梯升压测试参数设置时根据发电机额定电压un绝缘结构确定初始阶梯电压δu0，一般选择2.5kv或5kv；

41、本发明中，采集记录泄漏电流是通过直流电流测量单元获得的。itc表示泄漏电流，包括电导和表面泄漏电流。

42、通过绝缘介质极化吸收特性参数n、阶梯电压δu1、δu2、δu3、δu4、δu5(即δum中，m＝5)计算在每一个阶梯电压下保持的时间td1、td2、td3、td4、td5时间值的具体方法为：

43、根据试验需要选择不同的电压阶梯以及阶梯数，下述以选择6个电压阶梯为例，每个阶梯有一个电压保持时间且每个阶梯电压下保持时长均不相同，目标是选择某时刻在该时刻泄漏电流大小和该时刻对应阶梯电压成比例关系，将与电压、时间均有关的泄漏电流通过改变记录时间长短转变成与电压成比例关系，从而提高泄漏电流判断绝缘状态的灵敏度。具体方法，通过绝缘介质极化吸收特性参数n、阶梯电压δu1、δu2、δu3、δu4、δu5计算在每一个阶梯电压下保持的时间td1、td2、td3、td4、td5时间值；计算公式如下：

44、iδu1/iδu0＝δu1/δu0                                  (3)

45、iδu2/iδu0＝δu2/δu0                                  (4)

46、iδu3/iδu0＝δu3/δu0                                  (5)

47、iδu4/iδu0＝δu4/δu0                                  (6)

48、iδu5/iδu0＝δu5/δu0                                  (7)

49、iδu0＝k*c*δu0*td0-n                                 (8)

50、iδu1＝k*c*{δu0*(td0+td1)-n+(δu1-δu0)*td1-n}       (9)

51、iδu2＝k*c*{δu0*(td0+td1+td2)-n+(δu1-δu0)*(td1+td2)-n+(δu

52、2-δu1)*td2-n}(10)

53、iδu3＝k*c*{δu0*(td0+td1+td2+td3)-n+(δu1-δu0)*(td1+td2+td3)

54、-n+(δu2-δu1)*(td2+td3)-n+(δu3-δu2)*td3-n}(11)

55、iδu4＝k*c*{δu0*(td0+td1+td2+td3+td4)-n+(δu1-δu0)*(td1+td2

56、+td3+td4)-n+(δu2-δu1)*(td2+td3+td4)-n+(δu3-δu2)*(td3+td4)-n+(δu4-δu3)*td4-n}(12)

57、iδu5＝k*c*{δu0*(td0+td1+td2+td3+td4+td5)-n+(δu1-δu0)*(td1

58、+td2+td3+td4+td5)-n+(δu2-δu1)*(td2+td3+td4+td5)-n+(δu3-δu2)*(td3+td4+td5)-n+(δu4-δu3)*(td4+td5)-n+(δu5-δu4)*td5-n}

59、(13)由上述公式可推导出td1、td2、td3、td4、td5计算方程：

60、(δu1-δu0)*td1-n+δu0*(td0+td1)-n-δu1*td0-n＝0      (14)

61、(δu2-δu1)*td2-n+(δu1-δu0)*(td2+td1)-n+δu0*(td2+td1+td0)-n-δu2*td0-n＝0                           (15)

62、(δu3-δu2)*td3-n+(δu2-δu1)*(td3+td2)-n+(δu1-δu0)*(td3+td2+td1)-n+δu0*(td3+td2+td1+td0)-n-δu3*td0-n＝0        (16)

63、(δu4-δu3)*td4-n+(δu3-δu2)*(td4+td3)-n+(δu2-δu1)*(td4+td3+td2)-n+(δu1-δu0)*(td4+td3+td2+td1)-n+δu0*(td4+td3+td2+td1+td0)-n-δu4*td0-n＝0 (17)

64、(δu5-δu4)*td5-n+(δu4-δu3)*(td5+td4)-n+(δu3-δu2)*(td5+td4+td3)-n+(δu2-δu1)*(td5+td4+td3+td2)-n+(δu1-δu0)*(td5+td4+td3+td2+td1)-n+δu0*(td5+td4+td3+td2+td1+td0)-n-δu5*td0-n＝0             (18)

65、上述公式中：

66、k绕组吸收系数，由绕组绝缘介质结构、绝缘材料的类型和温度决定，针对具体发电机在相同温度下恒定不变，推导过程参数，时间计算中不需考虑，为现有技术，本发明对此不作改进。

67、c绕组电容参数，针对具体发电机恒定不变，可由电容测试仪器测得，推导过程参数，时间计算中不需考虑。

68、n绝缘介质极化吸收特性参数；

69、δu1、δu2、δu3、δu4、δu5阶梯电压，各阶梯电压必须逐步升高后者大于前者梯度可以任意，各阶梯电压值可选择大于前一阶梯的任意值；

70、td1、td2、td3、td4、td5每一个阶梯电压下保持的时间；

71、iδu1、iδu2、iδu3、iδu4、iδu5每一个阶梯电压下保持时间到时泄漏电流；

72、具体计算步骤：

73、以18kv水轮发电机为例，开展分时阶梯直流耐压及泄漏电流试验

74、第一步，确定升压计划为6个阶梯δu0＝5kv、δu1＝9kv、δu2＝18kv、δu3＝27kv、δu4＝36kv、δu5＝45kv，td0＝10分钟；

75、第二步，通过公式(1)、(2)计算n；

76、第三步，通过n、δu0、δu1、td0及公式(14)、计算td1；

77、第四步，通过n、δu0、δu1、δu2、td0、td1及公式(15)、计算td2；

78、第五步，通过n、δu0、δu1、δu2、δu3、td0、td1、td2及公式(16)、计算td3；

79、第六步，通过n、δu0、δu1、δu2、δu3、δu4、td0、td1、td2、td3及公式(17)、计算td4；

80、第七步，通过n、δu0、δu1、δu2、δu3、δu4、δu5、td0、td1、td2、td3、td4及公式(18)、计算td5。

81、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

82、本发明提供一种水轮发电机绝缘诊断用直流耐压及泄漏测试系统及方法，通过硬件创新实现设备自动化，提出用于水轮发电机直流高压绝缘试验的等时阶梯升压控制方法、分时阶梯升压控制方法、斜坡阶梯升压控制方法以及升压过程参数化、数字化，通过上述控制方法及参数计算机程序控制输出试验等时阶梯电压、分时阶梯电压、斜坡电压。1)程控等时阶梯电压试验能确保测试一致性；2)分时阶梯电压可使泄漏电流中极化电流与电压成比例从而确保代表绝缘老化的电导电流变化不被掩盖；3)斜坡电压可使电容电流是与升压速率相关的常数从而确保代表绝缘老化的电导电流检测灵敏。

83、本发明提出试验过程参数化、结构化方法确保试验过程重复性、一致性，提高泄漏电流测量的准确性。在上述方法基础上通过软件和硬件开发实现发电机绝缘直流高压测试仪器的数字化、智能化，缩短试验时间提高试验效率，消除手动操作差异影响提高测试准确度提高数据质量，从而提高水轮发电机绝缘泄漏电流时间特性分析、电压特性分析、趋势分析的可靠性，实现基于绝缘直流泄漏电流的发电机绝缘状态分析。

84、基于该系统和方法的拓展，在此智能化仪器和试验信息数据(设备信息、试验参数、试验数据)结构化基础上进一步物联化开发，实现不同试验仪器设备、不同厂站发电机信息、试验参数、试验数据库之间互联共享，促进电气预防性试验工作智慧化；实现结构化试验大数据，通过数据挖掘开发诊断模型实现基于试验的智慧状态诊断。为最终状态检修，智慧检修打通关键节点。