大電機(jī)定子絕緣損傷成像檢測方法研究

李　豪，李銳華，胡　波，潘　玲，郭其一

（同濟(jì)大學(xué)　電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

大電機(jī)定子絕緣損傷成像檢測方法研究

李豪，李銳華，胡波，潘玲，郭其一

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804）

為了準(zhǔn)確評(píng)估定子絕緣結(jié)構(gòu)健康狀況，基于導(dǎo)波理論進(jìn)行定子絕緣結(jié)構(gòu)損傷成像檢測研究。首先根據(jù)定子絕緣材料特性參數(shù)，建立定子線棒結(jié)構(gòu)有限元模型。對(duì)定子絕緣損傷檢測中導(dǎo)波的激勵(lì)、傳播和接收進(jìn)行數(shù)值模擬，并建立橫向裂紋、縱向裂紋、氣隙和分層四種典型定子絕緣損傷模型。利用希爾伯特變換提取損傷散射信號(hào)到達(dá)時(shí)間作為損傷特征，采用概率成像方法對(duì)定子絕緣中的損傷狀況進(jìn)行成像檢測。數(shù)值仿真結(jié)果表明：損傷散射導(dǎo)波飛行時(shí)間是表征損傷位置的有效特征，A0模態(tài)損傷散射波對(duì)定子絕緣損傷更敏感，概率成像能夠直觀地檢測出定子絕緣中的損傷并能進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為進(jìn)一步應(yīng)用導(dǎo)波進(jìn)行大電機(jī)定子絕緣狀態(tài)評(píng)估提供有效的參考信息。

振動(dòng)與波；定子絕緣；狀態(tài)評(píng)估；損傷檢測；彈性導(dǎo)波；概率成像

定子絕緣狀況在很大程度上決定了大型發(fā)電機(jī)的壽命及運(yùn)行可靠性［1-3］。由于受到電、熱、機(jī)械和環(huán)境因素的聯(lián)合作用，大型發(fā)電機(jī)定子絕緣（主絕緣）在長期的運(yùn)行過程中其機(jī)械性能、介電性能逐漸變壞，即發(fā)生老化，最終導(dǎo)致絕緣失效。目前對(duì)大型發(fā)電機(jī)定子絕緣進(jìn)行狀態(tài)評(píng)定主要依靠絕緣老化過程中的宏觀電氣參量［4，5］，尤其是局部放電的測量［6］。但是這些特征參量難以反映絕緣結(jié)構(gòu)老化狀況。研究表明，絕緣結(jié)構(gòu)老化是絕緣性能劣化的主要原因［7］，具體表現(xiàn)為絕緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)性損傷的形成與發(fā)展。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測并識(shí)別出定子絕緣結(jié)構(gòu)損傷，就能夠?yàn)榇箅姍C(jī)絕緣狀態(tài)診斷提供有效和可靠的參考信息。

針對(duì)大電機(jī)定子絕緣的狀態(tài)評(píng)估，研究工作主要圍繞著如何有效表征絕緣老化特性，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行絕緣診斷而展開。這些研究工作對(duì)認(rèn)識(shí)和了解大電機(jī)主絕緣老化機(jī)理，提高電機(jī)絕緣診斷和壽命評(píng)估技術(shù)水平起到了一定的作用，但是對(duì)絕緣老化的微觀本質(zhì)即結(jié)構(gòu)性損傷（缺陷）的產(chǎn)生與發(fā)展卻缺乏系統(tǒng)的分析和研究。如果能夠檢測出定子絕緣中的局部缺陷，甚至識(shí)別出損傷在定子絕緣中的具體位置和大小，將對(duì)大電機(jī)定子絕緣狀態(tài)評(píng)估更有意義。

結(jié)構(gòu)健康性監(jiān)測（SHM）通過實(shí)時(shí)檢測出發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面的損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行早期診斷和預(yù)報(bào)，能夠顯著提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。導(dǎo)波具有良好的傳播特性而且對(duì)結(jié)構(gòu)中的微小損傷和初始損傷較為敏感。近年來，基于導(dǎo)波的損傷檢測方法被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航天等領(lǐng)域［8-10］。利用損傷成像方法能夠?qū)?fù)合材料中的損傷位置和損傷程度進(jìn)行直觀和定量評(píng)估［11］。其中，概率成像方法［12，13］所需傳感器數(shù)目較少并且計(jì)算簡單，能夠減少成像時(shí)間和提高圖像的分辨率，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

大電機(jī)定子絕緣屬于層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，絕緣老化本質(zhì)上為結(jié)構(gòu)性損傷的形成與發(fā)展。本文主要通過有限元數(shù)值模擬方法，研究導(dǎo)波在定子絕緣中的傳播特性，并利用導(dǎo)波概率成像方法進(jìn)行大電機(jī)定子絕緣典型損傷的檢測及定位。

1　定子絕緣損傷概率成像原理

1.1 Lamb波理論

Lamb波是一種在固體板狀結(jié)構(gòu)（板的上、下表面應(yīng)力為零）中傳播的二維彈性導(dǎo)波。Lamb波傳播時(shí)聲場遍及整個(gè)板的厚度，它對(duì)傳播介質(zhì)中由損傷引起的應(yīng)力變化十分敏感，因此特別適合對(duì)結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測。Lamb波具有多模態(tài)和頻散特性。其中，多模態(tài)特性是指Lamb波在傳播時(shí)存在多種模式，如對(duì)稱模式S0、S1、S2……，反對(duì)稱模式A0、A1、A2……，這些模式可相互獨(dú)立地在板中傳播；頻散特性是指Lamb波的相速度和群速度隨頻率的變化而發(fā)生彌散。描述Lamb波的理論依據(jù)是Rayleigh-Lamb頻率方程［14］，定義如下

其中

式中d為板厚，k是Lamb波沿傳播方向上的波數(shù)，其數(shù)值等于k=2π/λ，λ為Lamb波長，ω為波的角頻率。cL和cT分別為板材的縱波和橫波速度，分別由式（5）和（6）得到

其中E為彈性模量，υ為泊松比，ρ為材料密度，將式（5）和（6）分別代入式（3）和（4），通過數(shù)值求解（1）和（2）可以獲得Lamb波的相速度cp和群速度cg，分別為

通過數(shù)值求解式（1）和（2），可以獲得不同模式下的Lamb波相速度和群速度隨頻率的變化關(guān)系。頻散曲線可以直觀地揭示Lamb波的多模式和頻散特性，能夠?yàn)長amb波激勵(lì)頻率的選擇和識(shí)別Lamb波傳播模態(tài)提供理論參考依據(jù)。

1.2概率成像原理

根據(jù)惠更斯原理，Lamb波傳播過程中遇到損傷時(shí)會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。通過解析損傷散射Lamb波，可以獲得損傷信息。損傷散射Lamb波飛行時(shí)間（ToF）是表征損傷位置的有效特征，利用ToF進(jìn)行損傷定位的原理如圖1所示。

圖1　基于ToF的損傷定位原理圖

考慮一對(duì)激勵(lì)—接收路徑，由作動(dòng)器A（xA，yA）激勵(lì)出的Lamb波經(jīng)損傷D（xD，yD）后，傳感器R（xR，yR）接收的損傷散射信號(hào)飛行時(shí)間為

其中LA-D為作動(dòng)器A到損傷D的距離；LD-R為損傷到接收傳感器R之間的距離。Vg為Lamb波在定子絕緣中的群速度。當(dāng)TA-D-R確定后，便可以確定一個(gè)以作動(dòng)器A和傳感器R為焦點(diǎn)，長軸為LA-D+LD-R的橢圓，如圖1中的橢圓軌跡，該軌跡表示損傷在定子絕緣中可能存在的位置。顯然，距離該軌跡越近的位置存在損傷的概率越大。對(duì)任意位置M（xm，ym），Lamb波由A傳播到M，再從M傳播到R的時(shí)間為：TM=（LA-M+LR-M）/Vg。當(dāng)M正好位于該橢圓軌跡上，此時(shí)TM=TA-D-R。用Tij=|TA-D-R-TM|表示TA-D-R和TM的時(shí)間偏移，Tij越小說明該位置越接近實(shí)際損傷位置，存在損傷的概率也越大。為了量化損傷存在概率，引入高斯概率積分函數(shù)［15］

為概率密度函數(shù)，σ為均方差。根據(jù)高斯分布的性質(zhì)，對(duì)于某一特定的Tij該位置存在損傷的概率P（Tij）為

P（Tij）=1-|F（Tij）-F（-Tij）|（11）

根據(jù)式（11）計(jì)算定子絕緣所有空間位置的損傷存在概率，并與圖像像素點(diǎn)的灰度值相對(duì)應(yīng)，得到單一路徑下的損傷概率成像結(jié)果。假定定子絕緣中有N條激勵(lì)—接收路徑，對(duì)各路徑下的概率成像結(jié)果P（i）進(jìn)行幾何融合［15］

式（12）中P為定子絕緣損傷概率重建圖像。損傷概率圖像中像素點(diǎn)的值越高，表明損傷越有可能存在于該位置。通過這種方式對(duì)定子絕緣結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行圖形化重建，直觀呈現(xiàn)損傷在定子絕緣中的位置。

2　定子絕緣損傷檢測有限元模型

為了驗(yàn)證導(dǎo)波概率成像應(yīng)用于定子絕緣損傷檢測的可行性，利用有限元軟件Abaqus對(duì)定子絕緣損傷檢測中導(dǎo)波的激勵(lì)、傳播和接收進(jìn)行數(shù)值模擬，并建立了幾種典型的絕緣損傷模型。

2.1定子絕緣結(jié)構(gòu)模型

大電機(jī)定子線棒近似于長方體結(jié)構(gòu)，中間為導(dǎo)電的銅股線排，四周疊包絕緣材料。對(duì)取自（18 kV，300 MW）的某大型發(fā)電機(jī)定子線棒建立其結(jié)構(gòu)有限元模型，線棒長度為1 200 mm，絕緣厚度為6 mm，橫截面尺寸為60 mm×30 mm，圖2為其截面圖。

定子絕緣復(fù)合材料特性參數(shù)經(jīng)反演推算［16］如表1所示。

根據(jù)定子絕緣的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用單元大小為1 mm的C3D8R線性六面體單元，建立定子絕緣的結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖3所示。

圖2　定子絕緣線棒截面圖

表1　大電機(jī)主絕緣材料特性參數(shù)

在定子絕緣有限元模型上表面布置導(dǎo)波激勵(lì)和接收傳感器。通過點(diǎn)載荷方式對(duì)定子絕緣施加應(yīng)力激勵(lì)出導(dǎo)波。通過提取定子絕緣不同位置的應(yīng)力形變信號(hào)獲得導(dǎo)波接收信號(hào)。定子絕緣中的傳感器配置如圖4所示。

圖4　傳感器配置圖

2.2 Lamb波激勵(lì)頻率選擇

Lamb波激勵(lì)信號(hào)決定了Lamb波在定子絕緣中的傳播模式和頻散特性。頻散曲線是選擇Lamb波激勵(lì)頻率的參考。根據(jù)表1所示的材料屬性參數(shù)，通過數(shù)值求解式（1）和式（2），獲得在定子絕緣中的Lamb波頻散曲線，如圖5所示。

圖5中可以看出，當(dāng)激勵(lì)頻率為13 kHz時(shí)，定子絕緣中僅有S0和A0兩種Lamb波模式傳播，并且它們的群速度隨頻率的變化相對(duì)平緩，這為Lamb波模態(tài)識(shí)別和特征提取降低了難度。此外，對(duì)激勵(lì)信號(hào)增加窗函數(shù)能有效減少能量泄漏。綜上考慮，本文采用13 kHz的5個(gè)波頭漢寧窗正弦脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)表示如下

圖5　群速度頻率曲線

式中：v為信號(hào)峰峰值；fc為信號(hào)中心頻率；H（t）為Heaviside階梯函數(shù)。

2.3定子絕緣結(jié)構(gòu)損傷模型

由于受到電、熱、機(jī)械和環(huán)境的聯(lián)合作用，定子絕緣在老化過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷。橫向裂紋、縱向裂紋、氣隙和分層是四種典型的定子絕緣結(jié)構(gòu)損傷。為了驗(yàn)證利用導(dǎo)波概率成像對(duì)絕緣損傷的檢測效果，在定子線棒長度方向825 mm處模擬了以上四種定子絕緣損傷，分別如圖6所示：

圖6　典型定子絕緣損傷有限元模型

其中：圖6（a）所示為：直徑Φ1 mm，深度為6 mm（z方向）的縱向裂紋損傷；

圖6（b）所示為1 mm（x方向），10 mm（y方向），1mm（z方向）的表面裂紋損傷；

圖6（c）所示為直徑Φ 2 mm，深度為1 mm（z方向）的定子主絕緣內(nèi)部氣隙損傷；

圖6（d）所示為：5 mm（x方向），10 mm（y方向），1 mm（z方向）的內(nèi)部分層損傷。

3　定子絕緣損傷概率成像結(jié)果

3.1損傷散射Lamb波飛行時(shí)間提取

如1.2所述，準(zhǔn)確提取損傷散射Lamb波飛行時(shí)間TA-D-R是進(jìn)行損傷概率成像的關(guān)鍵。散射Lamb波信號(hào)可以通過對(duì)有損和無損時(shí)的Lamb波信號(hào)作差獲得［15］。由于Lamb波的頻散特性，其在傳播過程中容易發(fā)生波包變形和混疊。為了準(zhǔn)確提取損傷散射Lamb波飛行時(shí)間，利用希爾伯特變換對(duì)散射信號(hào)進(jìn)行時(shí)域聚焦［15］，獲得其信號(hào)包絡(luò)。圖7所示為A1激勵(lì)A(yù)4接收的定子絕緣氣隙損傷散射Lamb波信號(hào)及其包絡(luò)圖。

圖7　 A1激勵(lì)A(yù)4接收的定子絕緣氣隙損傷散射信號(hào)

從圖7中可以看出，S0模式Lamb波信號(hào)幅值較小，包絡(luò)混疊嚴(yán)重，信號(hào)辨識(shí)度不高，難以準(zhǔn)確提取包絡(luò)峰值時(shí)間；而A0模式Lamb波信號(hào)幅值較大，具有更清晰的包絡(luò)線。將A0模式散射Lamb波包絡(luò)峰值時(shí)間減去激勵(lì)信號(hào)包絡(luò)峰值時(shí)間獲得損傷散射Lamb波飛行時(shí)間。圖7中A0模式散射Lamb波包絡(luò)峰值時(shí)間為1.165 ms，激勵(lì)信號(hào)峰值時(shí)間為0.194 ms，因此損傷散射波飛行時(shí)間為（1.165 ms-0.194 ms=0.971 ms）。分別提取定子絕緣傳感器網(wǎng)絡(luò)中各激勵(lì)-接收路徑下的損傷散射波飛行時(shí)間，作進(jìn)一步損傷概率成像。

3.2損傷概率成像結(jié)果

根據(jù)所提取Lamb波散射信號(hào)飛行時(shí)間，利用式（11）和（12），對(duì)定子絕緣中的縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層四種典型損傷進(jìn)行概率成像，成像結(jié)果分別如圖8所示。圖像中灰度值越大的像素點(diǎn)表明損傷越有可能存在于該位置。從圖8中可以看出利用導(dǎo)波概率成像能夠直觀檢測出定子絕緣中的縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層損傷。為了評(píng)價(jià)導(dǎo)波概率成像方法對(duì)不同類型絕緣損傷的位置識(shí)別精度，計(jì)算損傷識(shí)別位置與損傷實(shí)際位置之間的誤差，相對(duì)誤差Xf定義為

圖8　定子絕緣損傷概率成像結(jié)果

式中Xb為概率成像所識(shí)別的定子絕緣損傷在長度方向上（x方向）的位置，Xa為定子絕緣損傷實(shí)際位置（825 mm）。對(duì)定子絕緣中的四種典型損傷定位結(jié)果如表2所示。

表2　定子絕緣概率成像損傷定位結(jié)果

從表2中可以看出，導(dǎo)波概率成像方法對(duì)定子絕緣中縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層損傷的損傷識(shí)別位置于與實(shí)際損傷位置接近，定位誤差小于7%。這表明利用導(dǎo)波概率成像不僅可以檢測定子絕緣損傷存在，而且可以確定定子絕緣中的損傷具體位置。

4　結(jié)語

（1）應(yīng)用導(dǎo)波概率成像方法進(jìn)行大電機(jī)定子絕緣損傷檢測，損傷散射波飛行時(shí)間是表征損傷位置的有效特征。定子絕緣中的導(dǎo)波在A0模式下時(shí)域分辨率和辨識(shí)度更高，更利于提取波包飛行時(shí)間進(jìn)行損傷概率成像檢測；

（2）通過有限元仿真對(duì)定子絕緣中的縱向裂紋、橫向裂紋、氣隙和分層損傷的成像，結(jié)果表明導(dǎo)波概率成像可以檢測并定位定子絕緣損傷。驗(yàn)證了利用導(dǎo)波進(jìn)行大電機(jī)定子絕緣損傷檢測的有效性和可行性，為進(jìn)一步的研究基于導(dǎo)波的大電機(jī)定子絕緣狀態(tài)評(píng)估提供參考依據(jù)。

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Damage Detection of Large Generator Stator Insulation Using Guided Wave-based Imaging Method

LIHao，LI Rui-hua，HUBo，PANLing，GUO Qi-yi
（School of Electronics and Information Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

In order to accurately assess the health condition of stator insulations，the basic theory of guided-wave and probability-imaging method was employed for stator insulation damage detection of large generators.The excitation，propagation and acquisition of the guided wave for the stator insulation damage detection were simulated numerically.Finite element models of four typical insulation damages，i.e.void，delamination，longitudinal and transverse cracks were established.Hilbert Transform（HT）was used to extract the time of flight（ToF）of damage scattered wave as the damage feature for damage location detection.Then，the probability-imaging method was used to detect the damage situation of the stator insulation.Numerical simulation results reveal that the ToF is an effective feature that can represent the damage location，the A0 mode Lamb wave is more sensitive to the insulation damage，and the probability-imaging method can be used to detect and locate the damage in the stator insulation immediately and accurately.This work provides effective information for further study of the stator insulation condition assessment based on the guided wave.

vibration and wave；stator insulation；condition assessment；damage detection；guided wave；probability imaging

TM3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.041

1006-1355（2015）05-0193-05

2015－01－28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51177110）

李豪（1989－），男，安徽省安慶市人，博士生，主要研究方向：電力設(shè)備絕緣狀態(tài)診斷與壽命評(píng)估。通訊作者：李銳華，男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:rhli@#edu.cn