变频电机绝缘的局部放电检测技术

为解决陡上升/下降沿脉冲方波电压下变频电机绝缘局部放电(PD)检测的信号提取问题,对比研究了高频电流传感器和超高频法测试中局部放电和脉冲电源干扰的时域和频域特性。针对2种信号的不同特征,提出了抑制脉冲电源干扰、提高信噪比的方法。研究结论认为,依据IEC标准进行变频电机局部放电检测时,超高频法在局部放电起始放电电压测试和脉冲信号提取中表现出较高信噪比(S/N)性能,可优先选用。相关系数分析方法可作为局部放电脉冲是否淹没在脉冲电源干扰中的有效判据,联合采用相关系数分析和sym2小波提取技术后,宽频电流测试法仍可在需要的场合作为变频电机绝缘局部放电检测的有效补充。     

连续方波电压下变频电机绝缘局部放电特性

为提高变频电机绝缘局部放电(PD)测试信噪比,在上升时间为200ns的连续方波电压下,研究了电机绝缘局部放电和方波电源干扰的时频特性,总结出连续方波电压频率和占空比对局部放电统计特性的影响规律。研究结果表明,局部放电和方波电源干扰能量分别集中在0～1.8GHz和0～0.5GHz频率范围内,局部放电电压幅值随着连续方波电压频率的增大而减小,较小连续方波电压占空比易造成局部放电淹没在电压下降沿处的方波电源干扰中。据此,在对变频电机绝缘进行局部放电测试时,为抑制方波电源干扰,宜采用截断频率为0.5GHz的高通滤波且应使超高频天线在0.5～1.8GHz频率范围内具有良好的响应性能。另外,为提高测试信噪比,推荐采用频率<200Hz、且占空比为50%的连续方波电压作为测试电应力。     

连续方波脉冲电压下温度对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了评估温度对局部放电(partial discharge,PD)特性的影响,对连续方波脉冲电压条件下的局部放电测试系统进行了改进,并采用该系统测试变频电机用聚酰亚胺纳米复合薄膜在不同温度条件下的局部放电特性,分析了不同温度下的局部放电散点图、放电次数及绝缘寿命。试验结果表明:局部放电多集中在方波脉冲的上升沿及下降沿附近,且在电压负半周期平顶区内,出现了大量放电;同时,随着实验温度的增加,局部放电次数及放电幅值虽然降低,但聚酰亚胺的绝缘寿命也逐渐降低,这说明局部放电只是引起聚酰亚胺纳米复合薄膜绝缘失效的原因之一,高温条件下活性电子的入陷、脱陷过程及空间电荷造成的电场畸变可能是诱导绝缘失效的另一个因素。     

重复方波脉冲和短脉冲电压下变频电机匝间绝缘耐电晕特性对比研究

逆变器输出至变频电机端部的脉宽调制(PWM)电压为重复方波脉冲电压,但变频电机匝间绝缘实际承受持续时间为纳秒至微秒级的短脉冲电压。为研究两种电压下变频电机匝间绝缘性能的异同,测试分析了变频电机匝间绝缘在相同频率、电压峰峰值和上升时间的重复方波脉冲和短脉冲电压下的局部放电和耐电晕寿命。结果表明:重复方波脉冲电压在上升沿和下降沿的局部放电对称分布,而短脉冲电压在上升沿的局部放电特性与重复方波脉冲电压相似,在下降沿未检测到明显放电;重复方波脉冲电压下的频域能量主要分布在0.7～0.9 GHz,而短脉冲电压下的频域能量主要分布在0.9～1.1 GHz,且短脉冲电压下的局部放电持续时间比重复方波脉冲电压下短;短脉冲电压下漆包线的耐电晕寿命约为重复方波脉冲电压下的3倍。     

周期性脉冲电压作用下绝缘局部放电的测量与分析

局部放电是导致变频电机绝缘失效的主要原因之一.逆变器输出的脉冲方波上升沿陡、频带宽,使局部放电测量更加困难.文中采用脉冲电流传感器有效地测量出脉冲方波下的局部放电,利用小波包方法提取局部放电信号,并根据其统计结果,探讨了脉冲方波幅值和频率对放电次数、最大放电量、平均放电量的影响,为研究绝缘材料在脉冲方波下的老化机理创造了条件.     

10kV重复频率方波脉冲源的研制

为进行绝缘材料在快前沿高压脉冲作用下的局部放电和绝缘老化的试验研究,研制了1台最高输出电压为10kV的重复频率高压方波脉冲发生器。该方波发生器采用可调直流高压电源和储能电容器作为能源系统,利用半导体固态开关作为主放电开关控制脉冲宽度和重复频率,通过脉冲放电回路在负载上形成所需的电压脉冲。其半导体固态开关采用具有低耦合电容的紧凑型快速高压金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)开关,通过复杂可编程逻辑控制器(CPLD)可编程逻辑电路实现开关通断控制。实测结果表明,该脉冲源可以产生脉冲上升沿约为80ns、最小脉冲宽度为320ns的高压准方波脉冲,最高输出幅值达到±10kV,脉冲重复频率的可调范围为1～3kHz,性能指标满足绝缘材料的局部放电以及绝缘老化试验的要求。     

高压开关柜局部放电特性分析与抗干扰研究

这里主要针对高压开关柜局部放电和外部电磁波干扰特性的分析、分离以及系统进行研究。首先,基于有限元分析软件COMSOL对开关柜内部放电和外部干扰的脉冲特性进行研究;其次,基于小波变换理论与时频特征量提取算法分别进行开关柜两种缺陷模型的内部放电和外部干扰脉冲实验的时频特性分析及内部放电和外部干扰脉冲的分离,实现开关柜两种缺陷模型的内部放电和外部干扰脉冲的有效分离;最后,基于暂态对地电压(TEV)和接收电磁波接收器双传感器同时检测的方式开发出一套完整的高压开关柜抗干扰局部放电检测系统,并通过实验验证该系统能够实现高压开关柜局部放电及外部干扰的有效识别与分离,提高高压开关柜局部放电检测的精确度和抗干扰能力。     

正弦和重复方波电压下变频电机绝缘局部放电特性对比

为对比研究正弦和重复脉冲电压下变频电机绝缘的局部放电特性,基于超高频测试技术搭建了两种电压条件下电机绝缘的局部放电测试平台。利用该平台,分别在正弦及200 ns上升时间的重复脉冲电压下,对低压变频电机漆包绝缘单点放电模型进行了局部放电测试,对比分析了正弦和重复脉冲电压下的局部放电单个脉冲的时频幅值、相位分布及频域能量分布、多个脉冲的统计谱图等特性,研究结果发现:对于相同峰峰值和频率的重复方波和正弦电压,重复方波电压下变频电机绝缘局部放电幅值及耐电晕寿命分别约为正弦电压下的10倍及1/3,且相位、时频域统计特性存在明显差异,在基于国际电工委员会标准对变频电机绝缘系统进行评估时,必须依据重复方波脉冲对放电特性及耐电晕寿命影响规律,重新考虑局部放电测试及耐电晕系统的设计。     

重复方波电压频率对变频电机匝间绝缘放电的统计特性影响

采用电磁检测方法借助重复脉冲电压参数可调的高压脉冲电源构建脉冲电压下的绝缘局部放电检测平台,研究重复方波电压的频率变化对变频电机单点和多点匝间绝缘放电模型局部放电统计特性的影响规律.结果表明:随着频率增加,绝缘单点和多点放电幅值均显著减小,这可能是由放电后绝缘表面残留电荷分布特性发生改变、激发初始电子概率增加及表面温升增加等综合因素引起.根据研究结果,在进行电机绝缘放电检测时应仔细考虑方波脉冲电压频率对局部放电脉冲的影响,选择合适的电压频率以提升测试灵敏度和准确性.     

宽频高压脉冲参数对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响

为了探索脉冲电应力作用下高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件绝缘材料的局部放电特性,建立高频高压脉冲作用下的局部放电测量平台,系统研究了电压幅值、脉冲重复频率、上升沿时间和脉宽对聚酰亚胺薄膜局部放电特性的影响规律。结果表明:随着电压幅值从3 kV增加至11 kV,脉冲上升沿处的局部放电信号幅值逐渐增大,而放电时延逐渐减小;随着脉冲重复频率从50 Hz增大至100 kHz,上升沿的放电时延逐渐增大但局部放电信号幅值几乎不变;随着上升沿时间从136 ns增大至300 ns,放电时延逐渐增大且更加分散,局部放电信号幅值逐渐减小且更加紧密;与脉宽为1μs的情况相比,脉宽为500 ns时局部放电信号幅值更大且放电时延更小。该结果可为高压大功率电力电子装置中固态开关的绝缘老化和状态监测提供重要科学依据。     

连续方波脉冲下局部放电信号测量与绝缘老化分析

研制了连续脉冲电压下局部放电信号的测量系统,并对连续脉冲电压下绝缘老化特征参量进行研究。通过不同铁心材料传感器的频率响应特性和实际测量PD信号对比,认为NiZn铁心更适合用于脉冲电压下的PD传感器。在此基础上,定义了方波脉冲电压下局部放电信号的相对时间,得到放电谱图。最后,对样本老化时间和统计参量的关系进行了分析,认为偏斜度的变化和老化时间存在一定联系,而匝间绝缘和对地绝缘的不对称度随老化时间的增加表现出不同的特征。     

基于介质损耗分析研究变频电机绝缘老化特性

变频牵引调速电机匝间绝缘承受来自逆变器的连续高压脉冲方波的作用,其老化机理与工频正弦电压作用下具有很大差异。笔者通过采用两种电压源对模拟变频电机匝间绝缘和对地绝缘的绞线对试样进行老化试验,测量了tanδ随老化时间的变化趋势,分析了电压形式对匝间绝缘和对地绝缘介质损耗产生和发展的作用机理。试验结果表明:脉冲电压下,匝间绝缘内部有放电发生时,放电与空间电荷协同作用使绝缘缺陷迅速增多;无放电时空间电荷反复注入和抽出造成绝缘损伤。交流电压下绝缘介质发热主要由局部放电造成,而脉冲电压下主要是由空间电荷所导致。对地绝缘由于其绝缘结构,呈现槽放电现象,空间电荷的引入大大加速了绝缘的老化。     

基于局部放电统计参量的脉冲电压下绝缘老化分析

主要针对匝间和对地绝缘电磁线在脉冲电压下老化后的局部放电特征进行了研究.通过不同老化时间的局部放电相位相关分析,在高频脉冲电压下老化后放电次数相位分布出现明显的"放电丛"现象,并通过工频老化后的局部放电结果对此加以证实.通过两种不同电磁线老化特征对比,匝间绝缘和对地绝缘呈现不同的放电特征,匝间主要以内部气隙放电为主,而对地绝缘电磁线则以槽放电为主.此外,测量和分析了局部放电统计参量(如偏斜度、峭度、不对称度等)随老化时间的变化,结果表明平均放电量的偏斜度和老化时间有着一定联系.为更深入地研究脉冲电压下绝缘老化机理打下了坚实的基础.     

直流下油纸绝缘中局部放电脉冲典型波形及其参数提取

笔者介绍了直流下局部放电脉冲波形测量系统的组建以及测量电阻的校验。利用该试验系统对模拟换流变压器油纸绝缘的5种典型缺陷模型进行了局放脉冲波形测量。试验结果表明:直流下油纸绝缘中缺陷放电稳定,脉冲波形无振荡分量和过冲,且不随电压变化而发生畸变。在对典型脉冲波形进行预处理的前提下,使用形状参数法、自相关函数法、AR模型参数法以及Renvi信息量进行了波形特征参数提取。所得结果为深入研究直流下油纸绝缘中局部放电机理、局放在线监测系统的频率特性以及放电类型的波形识别提供了实验依据。     

变压器局部放电监测逐层最优小波去噪算法

针对用于局部放电监测的去除白噪声算法会造成去噪脉冲信号波形畸变,脉冲幅值等波形参数产生较大误差,不利于进一步采用脉冲波形分析去除脉冲干扰的问题。为此根据局部放电信号在小波域上的分布特点,提出了各尺度信号分解和重构的最优小波选择方法,并给出了各尺度小波阈值的计算方法。仿真信号的最优小波去噪结果显示去噪信号具有波形畸变率低和幅值误差小的特点;实测信号的最优小波去噪结果证明提出的最优小波去噪算法能有效去除局部放电监测信号中的噪声,在局部放电在线监测应用中具有良好的去噪效果。     

A novel wavelet transform technique for on-line partial discharge measurements. 1. WT de-noising algorithm

Medium and high voltage power cables are widely used in the electrical industry with substantial growth over the last 20-30 years ago, particular in the use of XLPE insulated systems. Ageing of the cable insulation is becoming an increasing problem that requires development of reliable methods for on-line condition assessment. For insulation condition assessment of MV and HV cables, partial discharge (PD) monitoring is one of the most effective techniques. However on-site and on-line PD measurements are affected by electromagnetic interference (EMI) that makes sensitive PD detection very difficult, if not impossible. This paper describes implementation of wavelet transform techniques to reject noise from on-line partial discharge measurements on cables. A new wavelet threshold determination method is proposed with the technique. With implementation of this novel de-noising method, PD measurement sensitivity has been greatly improved. In addition, a full AC cycle data recovery can be achieved instead of focusing only on recovering individual PD pulses. Other wavelet threshold de-noising methods are discussed and examined under a noisy environment to compare their performance with the new method proposed here. The method described here has been found to be superior to the other wavelet-based methods     

PD characteristics as a stochastic process and its integralequation under sinusoidal voltage

This paper proposes an integral equation to describe the stochastic fluctuation of partial discharge (PD) occurrence under sinusoidal waveform voltage conditions based on a simple PD model (an equivalent circuit model). The stochastic behavior of PD fluctuation is assumed to arise from the fluctuation of PD delay time after the discharge inception voltage is built up across a discharge gap. The distribution of delay time is assumed to obey an exponential distribution and the dependence of the delay time on the overvoltage is assumed to be expressed by an exponential function of the overvoltage. The integral equation has been solved numerically under the low voltage condition in which only one PD can occur in a half AC voltage cycle. It is found that the proposed integral equation can provide the basic characteristics such as PD pulse repetition rate vs. applied voltage phase angle     

高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性

变频牵引电机定子绝缘承受来自变流器的连续高压方波脉冲,可能导致绝缘过早失效,其老化机理与工频交流电压作用下差异很大。局部放电是导致变频调速牵引电机绝缘失效的主要原因之一。研究高频方波脉冲下的局部放电特性为牵引电机绝缘材料的改进和优化提供理论基础,试验分析了普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜制成的电磁线寿命,结果发现纳米试样的寿命得到很大提高。针对普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜研究了不同脉冲频率、上升时间和温度对放电起始电压、平均放电量和放电次数的影响。结果表明,频率的增加、上升时间的缩短和温度的增加加剧了局部放电活动,普通薄膜试样的局部放电活动更强,其原因是纳米粒子的添加导致纳米复合薄膜存在大量界面区和电导率增加,电荷的迁移速率增大,空间电荷累积效应减弱。     

基于小波和高阶PDE的电缆局部放电去噪研究

局部放电(PD)试验是检测电力电缆绝缘性能的重要手段,由于试验现场电磁环境比较复杂,提取所得的PD信号已被噪声淹没。为得到较为真实的PD信号,提出了一种基于小波变换和高阶偏微分方程(PDE)相结合的去噪方法。利用小波变换提供较好的局部放电信号预处理和后处理平台,对低频子信号进行四阶PDE迭代去噪,同时采用效果评价指数信噪比(SNR)作为迭代终止条件。将该方法的去噪效果与传统的小波阀值去噪效果进行了比较,经过计算和仿真分析表明,文中方法能够较好的保留信号边缘与细节,比传统小波阀值去噪具有更优越的去噪性能。