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文档简介
变压器局部放电检测方法的新进展
1变压器超高频局放检测关键技术局部压力计是对能源压力源的隔离的重要内容。传统的局部放电检测方法,其测量信号的频率一般不超过1MHz。近年来,随着电子技术的发展,数字信号处理和计算机辅助系统等新技术的应用,使传统的局部放电测量得到了较快地发展,但它们是以传统的检测理论为基础的,因此仍受到传统局部放电检测技术的限制。对于电力变压器绝缘系统中的局部放电特性,荷兰KEMA实验室的Rutgers等人和英国Strathclyde大学的Judd等人的研究表明:油中放电上升沿很陡,脉冲宽度多为纳秒级,能激励起1GHz以上的超高频电磁信号。因此,在超高频范围内(300~3000MHz)提取局部放电产生的电磁波信号,外界干扰信号几乎不存在,因而检测系统受外界干扰影响小,可以极大地提高变压器局部放电检测(特别是在线检测)的可靠性和灵敏度。超高频局部放电检测技术近年来得到了较快的发展,在一些电力设备(GIS、电机、电缆)的检测中已经得到应用。由于GIS的结构为超高频检测提供了极为有利的条件,电磁波在其中以波导的方式传播,有利于局部放电信号的检测,因而该方法在GIS局部放电在线检测中占有极为重要的地位,其灵敏度可达到1pC。超高频检测法在电机、电缆中也有较成功的应用,有的已形成产品。对电力变压器而言,局部放电发生在变压器内的油-隔板绝缘中,由于绝缘结构的复杂性,电磁波传播时会发生多次折反射及衰减;同时,变压器箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响,这就增加了超高频电磁波检测的难度,因此,变压器超高频局放检测技术仍处于起步阶段。变压器超高频局放检测中的关键技术是传感器,即超高频天线。传感器性能的好坏直接影响到信号的提取,进而影响到放电的识别。本文用天线理论分析了所研制的超高频传感器的特性,并进行了实测,为变压器超高频局部放电检测技术的进一步研究奠定了基础。2高频传感器的设计和分析2.1传感器的设计及用量要实现对变压器局部放电的超高频检测,一个重要的途径就是对局部放电产生的以TEM波形式传播的电磁波进行耦合,并且要求这种耦合器具备以下基本特性:(1)结构尺寸灵巧,在不改变变压器运行和变压器结构的前提下实现在线监测;(2)能实现带宽为500~1500MHz的局部放电信号检测,具有良好的频率响应特性;(3)具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力;(4)具有较高的信号检测灵敏度;(5)能将局放特征明显的频段加以区分和提取。根据变压器局部放电的特性及变压器的实际结构,本文设计了一种小型宽带超高频传感器。传感器的设计从以下方面着手:(1)用于GIS、电机、电缆的超高频法,检测频带较窄(通常为几十MHz),从而丢失了大量的放电信息,因而检测灵敏度受到一定的限制。研究表明,局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正比,当只考虑检测仪元件(如放大器等)的热噪声对灵敏度的影响时,用宽频带检测有更高的灵敏度,例如对在半峰值处有1.5ns宽度的局部放电脉冲,在1MHz带宽的局放灵敏度为0.1pC,在350MHz带宽灵敏度达0.01pC。因而检测电力变压器局部放电用的超高频传感器选用宽频带是有利的。(2)在检测现场,干扰源多且干扰信号幅值大,这极大地增加了局部放电信号提取的难度。大量研究表明,在变压器使用现场,变电站背景噪声的频率通常小于200MHz,而空气中电晕干扰的频率通常小于400MHz。因此,选择天线的下限截止频率为500MHz,这样可以较好地抑制噪声干扰(电台和移动通信干扰有固定的频率,可以通过软件加以去除)。对于变压器内部的局部放电,到达接收天线的电磁信号经多次折、反射和衰减后已发生畸变,高频分量不易精确提取,因此选择天线的上限截止频率为1500MHz。这样既能有效地抑制大部分外部干扰,又能获取尽可能多的局部放电信息。2.2阿基米德平面螺旋天线的基本原理从上述分析着手,本文研制了一种超高频传感器——双臂阿基米德平面螺旋天线。由天线理论可知,如果天线以任意比例变换后仍等于它原来的结构,那么它的电性能将与频率无关,即为非频变天线。如果天线的结构满足“角度条件”,即完全由角度决定,当角度变化时可得到连续的缩比天线。若将天线的终端部分截尾,对天线的电性能没有显著的影响,则有限尺寸的天线就可以在相当宽的频带范围内具有非频变天线的电特性。螺旋天线是根据无限长天线设计出的一种仅由角度表征其特征的天线,并且天线电流在离开馈电点时逐渐减小,因此在电流足够小处把天线截断将不会影响它的宽带特性。它既满足“角度条件”又具有截尾后“终端效应”小的特性,因此可以将其频带做到很宽,而尺寸可以做得很小。阿基米德平面螺旋线的方程为式中r为曲线上任意一点到极坐标原点的距离;ϕ为方位角;ϕ0为起始角;r0为螺旋线起始点到原点的距离;a为常数,称为螺旋增长率。工程中常用的螺旋天线是由两个反向馈电的阿基米德螺旋对称放置,得到两条起始点分别为A和B的对称螺线,如图1所示。以这样的两条阿基米德螺线为两臂,在A、B两点对称馈电,就构成了阿基米德平面螺旋天线。通常用印刷技术制造这种天线,并使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离,以形成自补结构,有利于实现宽频带阻抗匹配。如果从A、B两点对天线进行平衡馈电,则从A点沿一条螺线绕至P点的长度与从B点沿另一条螺线绕至Q点的长度相等,即P、Q两点在以坐标原点O为圆心、为半径的圆周上,但两点上的电流是反向的。P′点到B点的螺线长度与P点到A点的长度相比较,当螺旋增长率α较小时二者相差的弧长为QP′≈πr,于是P、P′两点的电流相位差为π+k0πr≈π+πr×2π/λ。若r=λ/2π,则P、P′两点上的电流相位差近似为2π,也就是说,当螺线半径近似为λ/2π时,天线两臂上相邻点的电流几乎是同相位的。因此,周长约为一个波长的那些环带就形成了螺旋天线的有效接收区。工作频率改变时,有效接收区沿螺线移动,但方向图基本不变,具有宽频带特性。天线最大接收方向在螺旋线平面的法线方向上,且是双向的,主瓣宽度约为60°~80°。严格说来,阿基米德平面螺旋天线并不是一个真正的非频变天线,因为它的几何结构并不满足自相似条件。但只要参数r0、a0及天线的总长度取得适当,并在其最外层螺旋线末端接以吸收电阻或吸收材料,则可使这种天线具有很高的工作频带。阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装等优点。螺旋天线是对称天线且有固定的输入阻抗,当采用50Ω同轴线馈电时,就需要进行平衡转换和阻抗变换。采用双孔磁芯阻抗变换器(又称传输线变压器)来实现平衡转换和阻抗变换,可以避免方向图倾斜并允许用同轴线馈电。3局部电压损失和传感器耦合原理3.1局部放电产生的时变磁场通常电力变压器绝缘结构中发生的局部放电信号可以看成是由一个点源所发出的,当绝缘介质某处发生局部放电时,由放电产生的电磁扰动随时间变化,将会产生电磁波,它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程,引入动态矢量位A和动态标量位ϕ来分析局部放电产生的时变电磁场,这时麦克斯韦基本方程组转化为动态位方程式(2)表示了动态位与激励源ρ和电流密度δc之间的关系。其解为式(3)和式(4)说明局部放电产生的电磁波是以速度v沿着r方向传播出去的,它是时间与位置的函数,是一种横电磁波(TEM波)。该电磁波的能量以速度v沿着r方向分布,即沿电磁波的传播方向流动。对于这种以TEM波形式传输的电磁信号,要检测它就需要对这种TEM波进行耦合。3.2辐射场的分量本文应用天线理论对平面螺旋天线的接收特性进行分析。由互易定理可知,对天线的接收场加以分析原则上是与辐射场的分析等效的,不失一般性,本文从分析天线辐射场的基础上着手。为了便于计算其辐射场,用一簇半圆等效螺旋线,如图2所示(图中实线为半圆线,虚线为螺旋线),两者相当接近。可以证明:第1个半圆的半径为a,第m个半圆的半径为(2m-1)a。设馈电点处螺旋弧长为0,螺旋的总弧长为s0,馈电点处电流为I0,任一点s处电流为式中γ为传播系数;α为衰减系数;β=2π/λ为相位系数。根据矢位A的计算式,对螺旋天线的电流进行积分,可以计算出A,进而算出辐射场E。单个半圆的辐射场沿θˆ(垂直于螺旋平面)和φˆ(平行于螺旋平面)方向的两个分量分别为:式中c=-jωµI0aexp(-jβR)/(4πR);ω为角频率;µ为磁导率;R为坐标原点至场点的距离;d=γa;Jn(x)为n阶贝塞尔函数;Kd=-exp(-2γs0)。对于图1所示的平面螺旋天线,每个螺旋臂可由m个半圆加以等效,由式(6)和(7),经推导可以得到该天线辐射场的两个分量分别为式中e1=exp[-π(k-1)2d];按上述公式可以计算螺旋天线辐射场的Eθ和Eφ分量,进而可以计算上述两个分量的方向函数并绘制其方向图。由互易定理可得该天线接收场的分布情况。4高频天然杂像性能的测试和分析4.1天线的驻波特性驻波比(SWR)响应特性用来表征超高频天线的频率响应和输入阻抗,它是反映天线性能的关键参数。驻波比的大小将直接影响天线接收性能的好坏。由电磁波传输理论可知,当驻波比小于2.0时可以不考虑驻波的影响,工程中通常要求驻波比不大于2.0。本文用54147A标准网络分析仪测得天线的驻波特性,如图3所示。由图中可以看出,在500~1500MHz的频率范围内,超高频天线的驻波比均小于2.0,说明该天线在上述频率范围内具有良好的频响特性,完全可以满足工程测试要求。也就是说,在该测试频带内所得的局部放电信号是可靠的。4.2信号源和天线增益天线的增益是表征天线所接收的能量在空间分布情况的物理量。在微波暗室中,用8672A扫频信号源,采用比较法测得天线的增益,如图4所示。由图4可知,天线增益的变化范围为3.0~6.0dB,加上馈线损耗(小于1dB)和测量误差,所得整个天线系统(包括天线、传输线变压器和馈线)的增益约为4.0~7.0dB。4.3天线的方向图天线的方向图是表征天线接收特性与空间角度关系的图形,它也是天线的重要参数。工程中通常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向特性。在微波暗室中测得了螺旋天线的方向图,如图5中虚线所示。同时应用文中3.2节的计算公式,编制了计算程序,计算了该天线的方向图,如图5中实线所示。由图中可以看出,该天线的主瓣宽度(半功率波宽度)约为65°,具有良好的方向特性;此外,计算值与实测值在高于-20dB的范围内能较好地吻合,这说明文中对螺旋天线接收场的理论分析是正确可行的。5高频传感器的模拟测试5.1实验室内放电模拟和接收装置试验采用脉冲电流法的并联测试回路与超高频测试回路相结合的综合测试系统。脉冲电流法用来检测试品的放电量等特征参数,作为超高频检测的参照。测试系统接线如图6所示。实验电源由自耦调压器T1输出后经隔离变压器T2接到无局放高压试验变压器T3上。隔离变压器T2可有效地抑制电网中窜入的高次谐波,改善供电电源的品质。超高频局部放电测量系统由三部分组成:(1)超高频传感器(超高频天线)选用双臂阿基米德平面螺旋天线(有效频带为500~1500MHz),实测所得该天线的输入阻抗约为190Ω,因此,本文采用4:1传输线变压器来实现天线与50Ω射频电缆的平衡转换和阻抗变换,它兼备了集总参数变压器和传输线的优点,可以做到体积小、功率容量大、工作频带宽。(2)频谱分析仪本文采用ADVANTESTR3131型频谱分析仪,其工作频带为9kHz~3.0GHz,文中选取测量频带为100~1500MHz,输入阻抗取为50Ω。(3)计算机和测控软件带有A/D转换器和数据处理软件可实现数据的采集、存储和分析。实验室中的局部放电模拟和接收装置如图7所示。将装满变压器油的油杯置于一封闭的变压器箱体(体积50cm×60cm×50cm,箱体壁厚4mm)中,箱体外壳接地,形成屏蔽结构。将各种放电模型置于油杯中来模拟变压器中的局部放电,提取放电信号。高压电源通过箱体壁上的小孔给模拟局放源供电,放电产生的电磁波由安装在箱体壁上的超高频传感器接收后,送入频谱分析仪。超高频传感器置于箱体内部,这样既可以提高检测灵敏度,又减少了外部干扰。5.2超高频放电特性作者对图6中变压器油中的放电模型进行了测量,它们是油中针-板放电、内部放电、悬浮放电、表面放电、油纸绝缘放电和油中气泡放电。限于篇幅,在此仅列出其中2种放电模型的测量结果。(1)油中针板放电:针板放电模型中的针接高压,板接低压,将放电间隙的距离调至10mm。给针板电极加压,在4kV电压下出现少量放电,但放电会迅速消失,随后其起始放电电压会逐渐升高,当电压达到14kV时,发生间歇性放电,放电很不稳定。频谱分析仪测得该实验条件下的背景噪声为-72dBm,图8(a)为背景噪声的频谱,图中有一些幅值较大的干扰,它们产生在固定频率上,可以用软件的方法加以去除。图8(b)为此时频谱分析仪记录的由超高频传感器检测到的放电所激发的电磁信号频谱。(2)油纸绝缘放电:采用针-板电极(同前),将厚度为1mm的魏德曼绝缘纸板紧贴板电极,尖电极与纸板间距为1mm。持续加压,13kV时出现放电,16kV时针电极尖端出现火花,随电压升高放电加剧,一直
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