李芳芳

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004）

1 前言

水輪發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)將水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)架、推力軸承、冷卻器、制動(dòng)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(yùn)行[1，2]。定子是水輪發(fā)電機(jī)組的靜止部件，其接地故障是機(jī)組常見(jiàn)的一種故障，尤其是運(yùn)行多年的發(fā)電機(jī)，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(shí)排除接故障，可能灼傷燒毀定子繞組和定子鐵心，對(duì)機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響[3]。當(dāng)發(fā)生定子接地故障時(shí)，應(yīng)快速查找定位故障點(diǎn)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(jìn)行定子接地故障定位，即對(duì)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(diǎn)位，特別對(duì)于大型機(jī)組一般需要組織較多人同時(shí)進(jìn)行觀察。但是加壓觀察法缺點(diǎn)一是實(shí)驗(yàn)電壓高，人工查找有危險(xiǎn)性；二是故障點(diǎn)放電時(shí)間非常短暫，人工觀察容易漏過(guò)放電火花或聲音信號(hào)，而且不同的人判斷的位置經(jīng)常不一致，難以準(zhǔn)確判斷放電故障點(diǎn)，經(jīng)常需要反復(fù)多次加壓才能最終確定故障點(diǎn)，但對(duì)存在缺陷的設(shè)備多次加壓又有可能擴(kuò)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(jī)組定子接地故障點(diǎn)定位裝置與方法，通過(guò)利用紫外成像法，融合紫外視頻和拍攝的可見(jiàn)光視頻，準(zhǔn)確高效定位定子接地故障放電點(diǎn)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(cè)技術(shù)

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

（1）脈沖電流法

脈沖電流法是早期用來(lái)檢測(cè)高壓設(shè)備放電的技術(shù)，主要通過(guò)由羅格夫斯基線圈組成的電流傳感器或阻抗計(jì)算，檢測(cè)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(cè)。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(hù)難度較高。

（2）超聲波檢測(cè)法

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

（3）超高頻局部放電檢測(cè)

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

（4）紫外成像法

紫外成像法主要通過(guò)紫外成像儀器，用來(lái)檢測(cè)高壓電氣設(shè)備放電時(shí)產(chǎn)生的紫外光信號(hào)，形成紫外圖像。通過(guò)這種遠(yuǎn)距離、非接觸的檢測(cè)方式，在設(shè)備無(wú)需解體的情況下，既可以判斷高壓設(shè)備放電的電暈強(qiáng)度情況，還可以準(zhǔn)確定位設(shè)備放電的位置，同時(shí)確保人身安全，但是該方法實(shí)現(xiàn)成本較高。

通過(guò)分析對(duì)比幾種高壓電氣設(shè)備放電檢測(cè)方法，紫外成像法在準(zhǔn)確度、靈敏度、安全性等方面具備優(yōu)勢(shì)，所以選擇紫外成像法進(jìn)行水輪機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）技術(shù)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而便于進(jìn)行存儲(chǔ)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(diǎn)，文中采用可見(jiàn)光CCD 和紫外CCD，分別將可見(jiàn)光鏡頭和紫外鏡頭收集的透過(guò)分光片的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。

3 基于紫外全景圖像的定子接地檢測(cè)

由于水輪發(fā)電機(jī)組定子接地放電時(shí)會(huì)輻射出紫外光信號(hào)，通過(guò)紫外成像法，利用紫外攝像機(jī)錄制定子加壓過(guò)程的視頻，如果加壓過(guò)程中故障點(diǎn)出現(xiàn)放電，在錄制的視頻中就會(huì)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(guò)結(jié)合可見(jiàn)光攝像機(jī)，錄制定子加壓過(guò)程視頻，再將紫外視頻和可見(jiàn)光視頻融合，檢修人員通過(guò)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(diǎn)位置。

3.1 整體設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)一種基于紫外全景圖像的水輪發(fā)電機(jī)組定子接地故障點(diǎn)定位裝置及方法，如圖1 所示，劃分為環(huán)形底座、多個(gè)紫外/可見(jiàn)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(gè)紫外/可見(jiàn)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(jiàn)光雙通道攝像頭；環(huán)形底座部署在發(fā)電機(jī)定子基座中心，并與發(fā)電機(jī)定子基座共面，用以通過(guò)紫外/可見(jiàn)光雙通道攝像頭采集定子加壓過(guò)程中的紫外視頻和可見(jiàn)光視頻；各個(gè)紫外/可見(jiàn)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；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(hào)進(jìn)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(jiàn)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(jìn)而確定定子接地故障點(diǎn)局部放電。

圖1 整體設(shè)計(jì)原理

3.2 全景圖像采集設(shè)計(jì)

水輪發(fā)電機(jī)定子由機(jī)座、鐵心、繞組等部件組成。機(jī)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(chǎng)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(cuò)，槽數(shù)眾多[6]。

在定子接地故障點(diǎn)定位裝置的環(huán)形底座外側(cè)面每間隔45°平均安裝1 臺(tái)紫外/可見(jiàn)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(jiàn)光雙通道攝像頭的光軸平行于環(huán)形底座平面且通過(guò)環(huán)形底座圓心，紫外/可見(jiàn)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)

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

分光片的主要作用是讓紫外波段光透射，同時(shí)讓可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)全反射，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)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(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)全反射，紫外波段能夠透過(guò)。分光片與雙通道攝像頭光軸夾角為45°?？梢?jiàn)光鏡頭用于收集匯聚可見(jiàn)光并呈現(xiàn)在可見(jiàn)光CCD 上，紫外鏡頭與紫外CCD 連接，將紫外鏡頭收集的透過(guò)分光片的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。X驅(qū)動(dòng)電路和Y 驅(qū)動(dòng)電路分別為紫外CCD 提供水平驅(qū)動(dòng)電壓和垂直驅(qū)動(dòng)電壓，偏置電壓電路為X 驅(qū)動(dòng)電路和Y 驅(qū)動(dòng)電路提供偏置電壓。AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)將紫外CCD 和可見(jiàn)光CCD 輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

4 總結(jié)

該方法能夠融合紫外視頻和拍攝的可見(jiàn)光視頻，再結(jié)合檢修人員判斷是否出現(xiàn)局部放電，進(jìn)而確定定子接地故障點(diǎn)局部放電位置，為檢修人員定位水輪發(fā)電機(jī)組定子接地故障點(diǎn)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(shí)也為人身與設(shè)備安全提供保障。