影响变压器uhf信号的因素分析

影响变压器uhf信号的因素分析

当畸变源发生局部放电（pd）时，陡峭的那秒电流脉冲可以达到0.3.3ghz。输出的高频传感器可以扩展到超过高性能的频带中来检测pd信号，但由于变压器的结构复杂，不同程度上影响传感器检测到的信号波形和能量。通常电磁波在变压器内传播时要经过多种不同的组合介质,在组合介质交界面处电磁波会发生折反射,如果两种组合介质的μ和ε相近时,入射波会几乎无反射地进入下一层介质。在变压器内部,为了使在变压器组合介质上的电场接近,常选用相对介电常数比较接近介质组合(如油和纸绝缘),UHF信号在这种组合绝缘介质中的衰减很小。导体对电磁波的影响很大,文献引入光程的概念,说明了金属障碍物对电磁波传播的影响。入射电磁波在沿曲面传播时不断沿切线向发出绕射射线,故其能量迅速衰减,对局部放电UHF信号的检测很不利。所以,为了更好地检测信号,通常把UHF传感器通过放油阀或专门的法兰窗口伸进变压器内部。利用电磁场仿真技术研究局部放电是一种重要的研究手段,目前国内外用于局部放电传播特性研究的电磁场计算方法主要有:时域有限差分法(FDTD)和矩量法(MoM),但研究主要集中于气体绝缘组合电器(GIS),对变压器研究得很少。笔者采用时域有限差分法,针对变压器内部复杂结构,在构建的变压器仿真模型上,结合实验室模拟实测结果,深入研究了UHF电磁波在变压器内部的传播特性及影响因素。1放电激励源及市场配置通常局部放电电磁波信号可看作是由一点源发出的球面波,它遵循麦克斯韦电磁场基本方程。引入动态向量位和动态标量位,该方程可转化为动态位方程2A=−μδC+(με∂φ∂t)+(⋅A)+με∂2A∂t2,2φ+⋅∂A∂t=−ρε‚⎫⎭⎬(1)2A=-μδC+(με∂φ∂t)+(⋅A)+με∂2A∂t2,2φ+⋅∂A∂t=-ρε‚}(1)式中:ρ为放电激励源;ε为介电常数;μ为空间磁导率;δc为电流密度。则其解为:φ(x,y,z,t)=14πε∫Vρ(x′,y′,z′,t−rv)rdV‚A(x,y,z,t)=μ4π∫VδC(x′,y′,z′,t−rv)rdV。⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(2)φ(x,y,z,t)=14πε∫Vρ(x′,y′,z′,t-rv)rdV‚A(x,y,z,t)=μ4π∫VδC(x′,y′,z′,t-rv)rdV。}(2)式(2)说明局部放电产生的电磁波以速度v沿着r方向传播,是时间和位置的函数,电磁波能量沿传播方向流动。式中r是(x,y,z)与点(x′,y′,z′)的距离。2fdtd模拟计算模型分析2.1变所需模型尺寸图1是笔者建立的三维仿真物理模型,图2为其切面图。由于不同生产商以及不同型号和类型的变压器尺寸差别较大,且也没有一个规定的标准,所以建立的模型尺寸,主要根据计算机的运算速度来选取,只要改变所需模型尺寸就能满足实际要求。笔者选择的箱体尺寸为1.5m×1.2m×1m,壁厚为0.02m,设定电导率γ为1×107S/m,箱体内部变压器油的介电常数ε为2.2。铁心和绕组位于箱体中心,铁心直径为0.5m,高为1.1m,铁心相对磁导率近似为2000;绕组厚度为0.1m,高为1m。另外,法兰盘孔为0.3m。由于变压油和纸绝缘的相对介电常数比较接近,UHF信号在油-纸组合绝缘中的衰减较小,为了便于计算,笔者对绕组做了一定近似,把油和纸绝缘相间的结构(如图3)全部用纸绝缘来代替,参考文献中各材料的参数,设定纸绝缘的相对介电常数为3.6。2.2变压器脉冲放大信号i0用高斯电流脉冲来模拟局部放电的激励源,其时域形式为:I(t)=I0exp(−4π(t−t0)2τ2)‚(3)Ι(t)=Ι0exp(-4π(t-t0)2τ2)‚(3)式中:τ为常数,决定了高斯脉冲的宽度;I0为脉冲峰值;t0为脉冲峰值出现的时刻。笔者选择的脉冲峰值为0.05A,脉冲宽度为1.54ns。激励源设在图1所示的变压器箱体切平面上,离箱体内壁0.25m,方向为X向。检测点A、B、C(图2)分别离激励源距离为1.1、1.2、1.3m,其中C点因为离变压器箱体内壁最近,对内部电场的影响最小,所以重点考虑各种情况对C点UHF信号的影响。对于模型中的激励源来说,最可能被检测到的是X方向的电磁波信号,所以设定检测点的方向都为X方向。另外,由于UHF天线在有效检测频带内的驻波比通常都小于2,即对信号的接收功率超过89%,所以这里没有考虑法兰盘的反射影响,即在图1模型中的通孔外边没有法兰盘。2.3pml层的特点对上述变压器物理模型采用均匀网格划分,各个方向的空间计算步为1cm。对模型的边界条件,采用完全匹配层PML。PML是一种特殊的介质层,该层的波阻抗与相邻介质波阻抗完全匹配,因而入射波将无反射地穿过分界面进入PML层。由于PML为有损耗介质,进入PML层的透射波将迅速衰减,有限的几层PML介质就能对入射波起到很好的吸收效果。3影响信号检测的因素3.1铁心5组时检测点c的信号仿真信号对比图4中(a)(b)分别是在激励源作用下,没有铁心绕组(空箱体)和有铁心绕组时检测点C的仿真信号。对比发现铁心绕组的存在使得检测点的UHF信号幅值减小,尤其是信号的波头部分影响最大。原因主要是铁心绕组的存在使得信号在传播过程中出现了更复杂的折反射,电磁波在物体表面的绕射也加剧了波头的衰减。3.2uhf信号的衰减图5中曲线1、2、3分别是激励源作用下,距局放源1.1、1.2、1.3m所检测到的UHF信号。随着检测点远离局放源,信号的幅值逐渐减小。另外,不同检测位置信号的波形变化较大,这是由于不同检测点信号的折反射不同所引起的。为了获得较高的灵敏度,传感器应尽可能的深入箱体内部,但这样对变压器内部电场的影响也将增大。所以在进行传感器的安装时,应找到最佳结合位置。图6是40ns内的UHF信号的能量W累积图(天线等效高度1m,系统阻抗50Ω),其中曲线1、2、3分别对应图5中的1、2、3。对比曲线发现当检测点远离局放源时,接收到的信号能量逐渐减小,且减小的幅度是不一样的。能量累积图还说明由于信号的折反射不同,信号能量衰减的幅度与距离并不是成比例的关系,这就给UHF信号的定量造成了困难。为了验证仿真的正确性,笔者在自建的模拟变压器实验平台(尺寸为3m×2.5m×2m)上进行了模拟实验研究。实验中采用油中针板模型作为局部放电源,距离变压器箱壁0.5m。检测天线的带宽为340～440MHz,检测点离局部放电源分别为0.5、1、1.5、2m。根据记录的UHF信号幅值A做曲线图(见图7),随着检测点远离局放源,UHF信号幅值变小,这与仿真所得的结论一致。3.3检测点c的uhf信号在变压器内部,为了防止发生电晕,金属导体的尖端都被打磨得比较光滑,笔者用直径为6cm的金属圆球来模拟变压器内的金属导体。在激励源作用下,当圆球分别在位置1、2和3(如图8所示,其中1、3的球心与检测点距离10cm,2的球心与检测点距离5cm,位置1和2与检测点C在一条直线上)时,检测点C的UHF信号如图9(a)(b)(c)所示,图9(d)是没有金属导体影响时C点的UHF信号。图9说明金属导体的存在对UHF信号的检测有一定影响,且不同位置的金属导体对UHF信号检测的影响是不同的,位置1和2对UHF信号检测的影响要大于位置3,原因是由于铁心绕组的阻挡,UHF信号绕射经过铁心绕组后,相对于位置3,位置1和2更接近电磁波的传播路径,所以位置1和2对信号检测的影响较大。图10是信号在40ns内的能量累积图,其中曲线1、2、3和4分别对应图9中信号(a)、(b)、(c)和(d)。对比图10中各曲线,位置1和2与检测点的距离虽然不同,但两者的能量累积曲线比较接近;而位置1和3与检测点的距离虽然相同,两者的能量曲线却差别较大。能量累积曲线进一步表明了金属导体对UHF信号的影响与金属导体的位置有很大关系,相对于金属导体与检测点间的距离,位置的影响更大一些。所以进行传感器安装时,要考虑金属导体的影响,安装位置要尽量远离变压器内部的金属导体。4检测点间距的影响铁心与绕组的存在使得检测到的局部放电信号的波形发生变化,其中信号的波头部分受到的影响最大;在