随着电力工业的发展和技术的进步,发电机朝着高电压、大容量的方向发展,单机24kV、1000MW的巨型水轮发电机即将投入运行,我国水电事业已经进入了由工程建设到管理运行的关键转型期。同时,在能源互联网建设及我国能源结构调整的大背景下,风电和光伏发电等间歇性新能源容量增长迅速,水轮发电机组在电网中的调峰调频任务更加繁重,机组的运行方式和运行环境愈加恶劣。大型水轮发电机的安全稳定运行日益重要,这对状态监测带来了前所未有的挑战。局部放电监测通过检测定子绕组内局部放电脉冲,获取绝缘缺陷和故障信息,结合模式识别和故障诊断技术,可以实现定子绕组绝缘的故障诊断和事故预防,是提高大型水轮发电机状态监测水平和安全稳定性的重要手段之一。当前,国内外已经对发电机局部放电监测开展了大量研究,并且取得了丰硕的应用实践和成果。然而,随着工程实践的深化,局部放电监测系统监测不全面、无法定位放电源和难以标定放电量的问题日益突出,局部放电监测课题面临新的挑战。因此,应就当前的普遍关切进行深入研究和探索,就新的亟待解决的科学问题和技术难题开展攻关。本文着眼应对工程实践中暴露的问题和面临的挑战,就大型水轮发电机局部放电监测中面临的关键问题展开了研究。首先,局部放电监测应在对定子绕组绝缘结构和故障机理深入研究,对局部放电机理和放电特征全面掌握的基础上展开。为此,首先对定子绕组结构特点进行了深入分析,提出了绕组连接方式辨识规则;随后,结合热、机械、环境和电应力对绝缘的破坏作用,对绝缘故障机理进行了归纳研究;之后,结合最新研究成果和工程实践需要,对局部放电的概念和内涵进行了扩展,提出了新的局部放电定义,并就局部放电的机理、部位、脉冲频谱和危害性进行了全面详实的综述;最后,总结并构建了绝缘故障与局部放电类型间清晰的对应关系。其次,局部放电准确监测的实现建立在全面有效地获取放电信号的基础上。大型水轮发电机定子绕组是一个复杂的分布式结构,放电信号从放电点传播到检测点,会发生不同程度的幅值衰减和波形畸变。对局部放电信号在定子绕组中的传播规律进行研究,可以为合理选择放电检测点和传感器频带,有效去除噪声和干扰,定位局部放电源及标定放电量提供理论依据。根据绕组结构特点和局部放电特性,规划了定子绕组传输特性实验研究方案。通过真机侵入式实验,对局部放电脉冲在定子绕组中的传播模式和交叉耦合现象进行了详细的测量分析,并结合定子线棒传导、线棒槽部耦合和线棒端部耦合实验进行辅助研究,以详实的实验结果对当前研究中存在的不足和矛盾进行了剖析和讨论,同时验证了课题组中性点局部放电监测系统的全绕组覆盖检测能力。最后,面向通用建模方法研究,提出了基于常规测量的绝缘参数辨识方法。第三,局部放电监测中亟待攻克的放电源定位和放电量标定均依赖于准确有效的定子绕组模型。因此,亟需建立一个足够准确且覆盖局部放电脉冲频谱的定子绕组宽频模型。为此,本文研究了基于多导体传输线理论的定子绕组多段多导体传输线级联模型。针对定子绕组结构的非均匀性,提出了多段级联模型以对模型进行均匀化处理,并研究了对应的模型分段级联规则和方法。就宽频带下趋肤效应和邻近效应引起的模型参数频变特性,结合有限元法和磁阻网络法提出了全频带参数求解方法,并引入等效磁导率表征铁心叠片结构对模型参数的影响。针对频变参数模型复用中存在的问题,提出了频率响应混合仿真法以降低模型复用的时间复杂度。在此基础上,结合规范化绕组连接关系表,研究了大型水轮发电机定子绕组的模型自动降维方法。最后,从理论层面对局部放电脉冲极性变化规律进行了研究。最后,在线监测中面临严重的噪声和干扰,不仅会导致监测系统误报、漏报,降低监测结果可靠性,而且使基于放电分布的模式识别理论不适用,难以识别放电类型。为此,开展了噪声和干扰快速消减方法研究。结合噪声和干扰特征,本文提出了一种分层分步式信号去噪方法,首先针对幅值大、持续时间长的离散谱干扰,提出了一种结合数学形态学滤波器和频谱校正的快速消减方法。其次沿袭课题组采用的小波阈值法研究了白噪声消减方法,就分解层数确定中存在的随机性和阈值对采样参数敏感的问题,分别提出了对应的解决方法。分解层数确定依赖于有效频率分布,因此提出了一种基于信号有效累积能量分布的有效下限频率辨识方法。针对阈值敏感性问题,提出了一种基于迭代滤波的自适应阈值计算方法,使用迭代滤波循环剔除滑动能量窗识别的系数中的脉冲成分,并用假设检验推断剩余系数是否满足正态分布,并以此作为迭代停止条件,以实现噪声阈值的准确估计。课题组研发的发电机中性点局部放电监测系统已成功应用于三峡、葛洲坝、水布垭、隔河岩和三板溪等电厂的四十多台大型水轮发电机,现场监测数据验证了本文所提去噪方法的有效性和实用性,有效促进了电厂的状态检修和智能电站建设。