发电机转子绕组绝缘故障检测装置与系统的制作方法

1.本实用新型涉及绝缘故障检测技术领域，尤指一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置与系统。


背景技术：

2.大型同步发电机是电力系统的重要设备，其安全稳定运行意义重大。同步发电机的运行故障几乎最终都体现在绝缘失效上。发电机由于转子结构的特殊性以及机组运行工况的变化，转子匝间短路和接地短路成为大型同步发电机的常见故障，发生概率较高。转子匝间短路和接地短路会引起机组振动增加、轴电压升高等异常现象，严重者会导致大轴磁化等问题，导致机组被迫停机，后续处理往往需要返厂，周期长，严重影响了电厂的运行效益，增加了检修成本。
3.大型同步发电机转子分为隐极式转子和显极式转子两种，隐极式转子主要用于转速较高的大型汽轮、燃气轮等火力发电机组、核电机组，其极对数一般为1或者2，显极式转子一般用于转速较低的抽水蓄能、水轮机机组，极对数一般在3以上。
4.转子绕组的接地诊断方法主要是通过绝缘电阻测试仪进行绝缘电阻测试，但是该方法无法给出故障的位置信息，无法实现故障的初步定位，而且是一种高电压的试验，实施较为不便。匝间短路故障的离线诊断方法主要包括交流阻抗法、极间电压和分包压降法、直流压降法、重复脉冲法等。交流阻抗法灵敏度较低，需要施加较高电压和较大电流，极间电压、分包(分极)压降法必须在转子抽出或者吊出状态下进行，需要施加较高电压才能保证足够的灵敏度，无法进行故障的早期诊断，操作复杂。直流压降法也需要在转子抽出或者吊出状态下进行，由于绕组直流电流下按电阻分压，其灵敏度更低。重复脉冲法(rso法)具有较高的灵敏度，电压低，实施方便，近年来在隐极式转子上取得了不错的应用效果，并写入了电力行业标准。
5.现有的以rso为原理的转子绝缘测试设备脉冲电压幅值一般小于20v，且基本采用的是都是开关管等模拟器件产生高频脉冲，脉冲的幅值、占空比、周期等基本固定，无法调节，对于不同转子的适应性差，尤其对于显极式长绕组转子由于绕组长度的增加造成的信号衰减，可能无法可靠诊断微弱的远端匝间故障。传统仪器内阻采用电位器形式，依靠手动调节内阻实现负载匹配，不仅无法准确获得实际的匹配电阻值，而且精度较差。传统仪器仅在脉冲测量功能上实现了数字集成，数据处理器工作在串行模式，无法同时进行脉冲发生控制。传统仪器由于输出电压低，容量要求低，无法满足高幅值电压激励下的负载驱动需要。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本实用新型实施例的主要目的在于提供一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置与系统，提高了故障诊断的灵敏度与适应性，并提供一种集成的数字式设计型式。
7.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置，所述装置包括：数据处理模块、功率输出模块、电阻匹配模块、信号采集模块、通信模块及输出端子；
8.所述数据处理模块包括数据处理芯片及双通道，所述数据处理芯片与所述双通道连接，所述双通道用于构成两路输出；
9.所述通信模块与所述数据处理模块连接，用于接收外部上位机的输出指令，以及向上位机传输数据；
10.所述数据处理模块与所述功率输出模块、信号采集模块连接，用于通过所述通信模块与外部上位机连接，以及与所述信号采集模块、功率输出模块进行信号交互；
11.所述功率输出模块与所述电阻匹配模块连接，用于产生测试信号；所述功率输出模块包括数模变换单元、初级运算放大器及次级运放电路，所述数模变换单元与所述初级运算放大器连接，所述初级运算放大器与所述次级运放电路连接；
12.所述次级运放电路包括次级运算放大器及场效应晶体管，所述次级运算放大器用于提供输出电压，所述场效应晶体管用于提高次级运放电路的电流带载能力；
13.所述电阻匹配模块与所述输出端子连接，所述电阻匹配模块包括多个继电器及多个不同阻值的电阻；
14.所述输出端子与待测转子绕组连接；
15.所述信号采集模块与所述输出端子连接，用于采集所述待测转子绕组的电压信号。
16.可选的，在本实用新型一实施例中，所述装置还包括电源模块，所述电源模块用于为所述通信模块、数据处理模块、功率输出模块、及信号采集模块供电。
17.可选的，在本实用新型一实施例中，装置还包括晶振时钟，所述晶振时钟与所述数据处理模块、功率输出模块及信号采集模块连接，用于提供同步的时钟基准。
18.可选的，在本实用新型一实施例中，通信模块包括usb通信控制芯片及usb口，所述通信控制芯片与所述数据处理模块连接。
19.可选的，在本实用新型一实施例中，装置还包括风扇，所述风扇与所述数据处理模块连接。
20.可选的，在本实用新型一实施例中，装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述数据处理模块连接。
21.可选的，在本实用新型一实施例中，装置还包括校准电阻，所述校准电阻一端与所述输出端子连接，另一端接地。
22.可选的，在本实用新型一实施例中，装置还包括静态缓存模块，所述静态缓存模块与所述数据处理模块连接。
23.可选的，在本实用新型一实施例中，装置还包括机箱，用于放置所述数据处理模块、功率输出模块、电阻匹配模块、信号采集模块、通信模块及输出端子。
24.本实用新型实施例还提供一种发电机转子绕组绝缘故障检测系统，所述系统包括上位机及如上所述的发电机转子绕组绝缘故障检测装置；其中，所述上位机与所述发电机转子绕组绝缘故障检测装置通信连接，所述发电机转子绕组绝缘故障检测装置与待测转子绕组连接。
25.本实用新型提高了普通短绕组转子故障的诊断灵敏度，实现高度的便捷性、灵活性和准确性，适用于不同机组应用场合，更准确的跟踪缺陷发展趋势，同时保证了故障诊断精度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为rso法测试原理示意图；
28.图2为本实用新型实施例一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置的结构示意图；
29.图3为本实用新型实施例中脉冲信号示意图；
30.图4为本实用新型实施例中运放电路图；
31.图5为本实用新型实施例中电阻匹配模块的结构示意图；
32.图6a及图6b为本实用新型实施例中连接方式示意图；
33.图7为本实用新型实施例一种发电机转子绕组绝缘故障检测系统的结构示意图。
具体实施方式
34.本实用新型实施例提供一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置与系统。
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.rso法属于一种时域脉冲反射方法，如图1所示，其基本原理是对转子绕组和大轴之间施加一对具有快速上升沿的陡脉冲信号，通过测量和对比两端口的响应波形差值来判断转子有无匝间短路。脉冲的最高等效频率可达兆赫兹数量级。这时转子应采用分布参数模型。根据行波传输理论，脉冲信号会在波阻抗突变点产生透射、反射。如果转子绕组没有匝间短路，由于正负极绕组的高度对称性，在转子绕组两端口采集到的响应是完全相同的。如果存在匝间短路，破坏了两极绕组的阻抗对称性，两个完全相同的脉冲信号会产生不同的透射波和反射波，从而在信号注入端采集到的响应信号会有差异。
37.本实用新型提出了一种全数字式的高灵敏发电机转子绕组绝缘故障检测装置，采用经过合理设计的高幅值脉冲和相对应的大容量设计、数字式的脉冲发生控制、信号采集，实现绝缘故障检测高度的便捷性、灵活性和准确性。
38.如图2所示为本实用新型实施例一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置的结构示意图，图中所示装置包括：数据处理模块、功率输出模块、电阻匹配模块、信号采集模块、通信模块及输出端子(包括输出端子a及输出端子b)。
39.其中，数据处理模块与功率输出模块、信号采集模块及外部上位机连接，用于通过通信模块接收外部上位机的输出指令，并与功率输出模块及信号采集模块进行信号交互；功率输出模块用于产生测试信号；功率输出模块与电阻匹配模块连接，功率输出模块包括
初级运算放大器及次级运放电路，初级运算放大器与次级运放电路连接；电阻匹配模块与输出端子连接，电阻匹配模块包括多个继电器及多个不同阻值的电阻，继电器与电阻串联连接；输出端子与待测转子绕组连接；信号采集模块与输出端子连接，用于采集待测转子绕组的电压信号。
40.其中，次级运放电路包括次级运算放大器及场效应晶体管，次级运算放大器用于提供输出电压，场效应晶体管用于提高次级运放电路的电流带载能力。
41.其中，数据处理模块包括数据处理芯片及双通道，数据处理芯片与双通道连接，双通道用于构成两路输出。如图2所示，数据处理模块可以输出两路测试信号，双通道为a通道及b通道，分别通过输出端子a与输出端子b传输至转子绕组。其中，测试过程中的接线方式如图6a所示。
42.进一步的，数据处理芯片可以为以fpga类型的并行计算芯片，例如intel cyclone 10，主要作用有两方面：1、可以从外部上位机获取相应的输出指令，并将输出指令转换为测试编码指令发送给其他模块。例如，输出指令中包括测试信号的周期、幅度、波形编码等参数，这些参数决定了输出波形的形态，通过功率输出模块生成预期波形；输出指令中还包括各个模块所需的开关指令，包括控制电阻匹配模块中开关的动作实现匹配电阻的调节，以及控制信号采集模块的启停等。2、可以接受各模块反馈的数字信号，监测各模块的工作状态，并将所需的数据传输至上位机。例如，信号采集模块将外部模拟信号转变为数字信号传输至数据处理芯片，然后经过处理发送至上位机进行显示。
43.进一步的，功率输出模块用于测试信号的放大及功率驱动，功率输出模块包括数模变换单元(例如ad9707数模转换芯片)、初级运算放大器(即常规运算放大器)以及次级运放电路。其中，如图4所示为运放电路的电路图，运放电路包括次级运算放大器，如adhv4702-1。为了提高其输出电流，增加大功率的场效应管，例如mosfet。
44.进一步的，电阻匹配模块包括匹配电阻，由多个串联的继电器与阻值不同的电阻组成，如图5所示，通过继电器不同的开关状态，可以匹配出不同阻值的电阻。图5中所示r可以根据实际工况进行设置，例如，1欧姆。电阻匹配模块还包括电阻控制单元，接收数据处理模块的数字指令并转换成继电器的驱动信号。
45.进一步的，信号采集模块用于采集待测转子绕组的电压信号。信号采集模块由衰减器、模数转换驱动、模数转换芯片(ltc2160芯片)构成。衰减器将较高幅值的电压信号进行分压，变换为适合模数转换芯片接收的低幅值信号。模数转换驱动将衰减器衰减后的模拟信号进行滤波放大等一些调理工作。模数转换芯片将调理后的模拟信号按照一定的采样周期转换成数字信号。如图2所示，装置可以包括两个信号采集模块，分别与输出端子a及输出端子b连接。
46.在本实施例中，装置还包括设备机箱，校准电阻盒，电源线，接地线，校准线，输出bnc线及usb通讯线。
47.装置的绝缘故障检测过程包括信号输出、信号测量、数据通信等过程。其中，信号输出过程利用了信号的频率，幅度，波形调节以及占空比调节，功率输出模块，电阻匹配模块三个部分。
48.进一步的，数据处理模块接收上位机输出信号的指令，包括幅值、脉宽、周期、占空比、波形编码等。数据处理芯片将输出信号传递给功率输出模块，实现测试信号的发生。采
用这种方法来保证信号的脉宽，周期，上升和下降时间以及幅度的控制，实现波形可编程。
49.具体的，脉冲可采用方波重复脉冲，如图3所示，图中纵坐标为电压，单位伏；横坐标为时间，单位秒。参数包括：u0采用10v、50v两种模式，电压精度0.1级。tf≤1us。t
p
，1000us内可控。ts，2000us内可控。占空比t
p
/ts：0～100％可控。两路镜像脉冲，高度重合，两路脉冲可以同时输出，也可以单路输出。脉冲经匹配电阻后输出，匹配电阻50ω～1000ω连续精细可调，调节精度1ω。两路脉冲分别配置一高精度电阻作为模拟负载，阻值500ω，用于两路信号内阻的平衡调节。额定电流100ma。测量系统采样频率25m/s，分辨率16bit。仪器与上位机采用usb方式通讯。
50.在本实施例中，功率输出模块主要负责电压的放大及功率的驱动。模数变换单元输出幅度采用14bit的采样位数，使输出幅度的分辨率约为3mv左右，以便后期校准保证输出的幅度精度。a、b通道输出小幅电压，经过初级运放、次级运放电路放大成为满足要求的高幅值电压。次级运放电路是主要的放大单元，采用高压摆率精密运算放大器，其小信号带宽为10mhz，压摆率为74v/us，其输出电流典型值为20ma，提供高压输入共模摆幅和高压输出摆幅，支持高端电流检测等精密高压使用场景，同样非常适合在精密偏置和控制应用中驱动电压。为了提高其输出电流，增加大功率的mosfet，实现电压大幅值输出的同时，满足电流负载能力，如图4所示。图4中，v
in
为初级运放过来的输入电压，v
out
为次级运放电路的输出电压，r
load
为负载电阻(代表转子绕组负载)，r
fb
、rg、r3、r5均为电阻，ad为运放，n channel为负电压导通mosfet，p channel为正电压导通mosfet， vs、-vs为运放供电电压。v
in
通过ad和r
fb
、rg组成次级运放，通过放大作用，将v
out
稳定在目标输出电压值，r3、r5组成mosfet的门极驱动电压，驱动电压达到预定值后触发导通mosfet，mosfet由另一路电源进行供电，与 vs、-vs一起实现负载电流驱动，由于ad输出电流典型值为20ma，而额定电流为100ma，因此主要的驱动电流由mosfet提供，而ad主要负责实现v
out
的稳定输出。
51.在本实施例中，装置在工作时，需要调节仪器的内部电阻使其与负载匹配，由于其功率较大，一般的数字电位器无法满足需求，故阻抗匹配采用阻抗匹配网络实现，如图5所示。采用继电器和大功率精密电阻通过组合来实现电阻的变化，设计步进为1欧姆，通过控制器控制继电器动作，实现电阻网络的配置，使得电阻值满足上位机控制要求，实现数字精确控制的电阻匹配，克服了传统手调式电位器无法精确调节电阻值以及无法获取电阻值的弊端。
52.进一步的，装置产生测试信号后，进行信号采集过程。其中，信号采集模块主要作用是采集负载端的电压信号，实现负载响应特性的测量。采集芯片为模数转换芯片(如ltc2160芯片)，采用25mhz采样率，16位a/d转换器，专为对高频、宽动态范围信号进行数字化处理而设计，满足诊断测量灵敏度的需要。
53.作为本实用新型的一个实施例，通信模块包括usb通信控制芯片及usb口，通信控制芯片与数据处理模块连接。
54.其中，通信模块采用usb通讯方式实现上位机与数据处理模块的信息交互，通讯芯片可以选择赛普拉斯fx2lp(cy7c68013a/14a)等通用芯片。
55.通过在单个芯片上集成usb收发器、串行接口引擎、微控制器和可编程外设接口，可以实现总线供电应用。
56.作为本实用新型的一个实施例，装置还包括电源模块，电源模块用于为通信模块、
数据处理模块、功率输出模块及信号采集模块等装置各模块供电。
57.其中，电源模块可以采用ac-dc模块，将220v交流电压转换为3路直流电压。具体的，根据待供电芯片需求，内部做dc-dc变换。具体的，电压模块包括升压模块，主要是大功率驱动芯片使用，将15v电压升压到60v。
58.作为本实用新型的一个实施例，装置还包括晶振时钟，晶振时钟与数据处理模块及信号采集模块、功率输出模块连接，用于提供同步的时钟基准。
59.其中，晶振时钟为设备工作提供时间基准。频率实际设计时，数模变换芯片和数据处理模块采用同一个晶振时钟，参考时钟的频率为25mhz，保证了输出的上升沿的要求，同时，0.04us的分辨力也为后期的a，b两路的相位同步校准提供了有力保证。
60.作为本实用新型的一个实施例，装置还包括风扇，风扇与数据处理模块连接。其中，风扇为装置整机提供散热。
61.作为本实用新型的一个实施例，装置还包括温度传感器，温度传感器与数据处理模块连接。
62.其中，温度传感器用于监测放大器的发热情况，过热时会预警或者保护。
63.作为本实用新型的一个实施例，装置还包括校准电阻，校准电阻一端与输出端子连接，另一端接地。
64.其中，图2中所示包括校准电阻a及校准电阻b。校准电阻为外接部件，为匹配电阻的两路一致性调节提供标准负载。装置测量过程中的接线如图6a所示，装置校准过程的接线，即校零接线如图6b所示。
65.作为本实用新型的一个实施例，装置还包括静态缓存模块，静态缓存模块与数据处理模块连接。其中，静态缓存模块用于在数据通信过程中的数据缓存，可采用常规缓存设备。
66.本实用新型的发电机转子绕组绝缘故障检测装置，采用增强的激励脉冲型式，对于抽水蓄能用显极式发电电动机、大型隐极发电机等长绕组转子的匝间短路、接地短路具有足够的检测灵敏度，同时提高了普通短绕组转子故障的诊断灵敏度。本装置采用全数字技术，脉冲发生、测量并行控制，带来高度的便捷性、灵活性和准确性。支持单、双通道激励，10v、50v两种档位模式，适用于不同机组应用场合，输出信号周期、占空比可调节，匹配电阻采用软件直接配置，精确到1ω，匹配值直接显示、自动保存，方便同一机组测试参数的一致性，更准确的跟踪缺陷发展趋势。25m/s、16bit高采样率、高精度数字采样，波形精细，保证了诊断精度。
67.在本实用新型一具体实施例中，装置匹配调节过程包括：采用图6a所示的接线方式，数据处理模块接收上位机的控制指令，通过控制输出单路脉冲，此脉冲经过功率输出模块和电阻匹配模块，输出至转子某端口。同时，信号采集模块测量该端口电压数据，传输至数据处理模块，通过usb通讯方式传输至上位机显示，上位机根据用户的需要将匹配电阻调节值通过usb通讯方式传输至数据处理模块，数据处理模块通过控制器调节匹配电阻a、b的值，直至满足匹配原则，最终确定匹配电阻值。
68.在本实施例中，装置的校零过程包括：采用图6b所示的接线方式，保证两路激励信号重合度的关键措施，通过一组完全相同的模拟负载，来保证两路输出的内阻相同，且都与转子匹配。此时，仪器bnc端子a、b分别外接同样的校准电阻a、b，数据处理模块通过usb通讯
接收上位机操作指令，通过控制器输出，调节匹配电阻a、b的值，同时通过信号采集模块测量负载电压波形，传输给数据处理模块，并传至上位机进行显示，根据匹配确定原则，两路匹配电阻一致的效果。
69.在本实施例中，装置的单端模式包括：采用图6a所示的接线方式，数据处理模块接收上位机的控制指令，通过控制a端口(b端口也可以，以a端口为例)输出单路脉冲，此脉冲经过功率输出模块和电阻匹配模块，输出至转子a端口。该脉冲经过转子绕组传播后到达转子对端口b，仪器b端口通过信号采集模块测量转子对端口b的信号，同时a端口也测量转子a端口的信号，两路信号同时传输至数据处理模块，并上传至上位机显示，上位机可以根据两路信号的对比确定故障诊断所需要的单程传播时间。
70.在本实施例中，装置的双端模式：采用图6a所示的接线方式，数据处理模块接收上位机的控制指令，通过控制a、b端口输出双路脉冲，脉冲经过双路功率输出模块和电阻匹配模块(匹配电阻值采用步骤1确定的值)，输出至转子a、b端口。同时仪器a、b端口通过信号采集模块测量转子a、b端口的信号，两路信号同时传输至数据处理模块，并上传至上位机显示，上位机可以根据需要进行分析。
71.本实用新型装置采用高幅值脉冲激励型式，提高了故障诊断灵敏度，适用于长短转子绕组匝间短路和接地短路诊断，采用功率放大器结合开关管的硬件设计提高了高幅值脉冲作用下的负载能力。全数字化设计，全部控制与诊断采用上位机控制软件实现，简化了仪器体积，特殊的数模变换结合功放的设计实现脉冲幅值的调节和脉冲参数的控制，以及匹配电阻的精确设置。
72.如图7所示为本实用新型实施例一种发电机转子绕组绝缘故障检测系统的结构示意图，图中所示系统包括上位机10及如上所述的发电机转子绕组绝缘故障检测装置20；其中，上位机与发电机转子绕组绝缘故障检测装置通信连接，发电机转子绕组绝缘故障检测装置与待测转子绕组连接。
73.基于与上述一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置相同的申请构思，本实用新型还提供了上述一种发电机转子绕组绝缘故障检测系统。由于该一种发电机转子绕组绝缘故障检测系统解决问题的原理与一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置相似，因此该一种发电机转子绕组绝缘故障检测系统的实施可以参见一种发电机转子绕组绝缘故障检测装置的实施，重复之处不再赘述。
74.本实用新型提高了普通短绕组转子故障的诊断灵敏度，实现高度的便捷性、灵活性和准确性，适用于不同机组应用场合，更准确的跟踪缺陷发展趋势，同时保证了故障诊断精度。
75.本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。