變壓器局部放電超高頻檢測的影響因素分析
摘要: 在變壓器局部放電超高頻檢測中, 超高頻天線傳感器的安裝環境與天線參數的測試環境往往差別較大,嚴重制約了超高頻天線傳感器,無暈試驗變壓器 的實際應用。為了弄清安裝環境的影響程度,作者利用仿真分析與試驗研究相 結合的方法,探索性地開展了安裝位置、變壓器油和放油閥對超高頻天線傳感器駐波特性和檢測能力的影響 研究。初步分析表明,不同安裝位置天線的諧振頻率會有一定差異,但對檢測到的信號幅值影響不大;變壓 器油使得天線的諧振頻率有所降低,改變了天線的駐波特性,但不影響天線的檢測能力;放油閥會嚴重影響 單極子類天線的駐波特性,導致天線接收信號的能力下降,需采取措施進一步解決。
關鍵詞:變壓器;局部放電;超高頻;諧振頻率;駐波特性 質的不同,
影響因素主要有:
1 引言 1)安裝位置的不同。在超高頻檢測中, 天線安裝位置的不同使得電磁波從局放源 變壓器內部發生局部放電(PD)時,能 到天線的傳播路徑各異,傳播路徑中的各種 產生陡度為 ns 級的電流脈沖, 激發的電磁波 介質和金屬導體會影響超高頻信號的頻譜, 頻率可達到 300MHz~3GHz 左右,并由 PD 使得相同類型和性能參數的天線在不同的 源處向四周傳播,因此,可通過超高頻法[1-6] 安裝位置檢測到的信號頻譜發生變化。 對發生于變壓器內部的局部放電電磁波信號
2) 變壓器油的影響。 由于變壓器油和空 進行檢測。 氣的相對介電常數差別較大,油中電磁波的 在超高頻法檢測中,傳感器是關鍵,既 傳播速度變小,使得相同頻率的電磁波長變 要求檢測性能良好,還要求安裝方便。變壓 小,從而改變了天線的諧振頻率。 器外殼是一個封閉的金屬箱體,對超高頻電
3) 放油閥的影響。 放油閥可近似認為是 磁波信號有屏蔽作用,不利于外置超高頻天 一個空心的金屬圓柱,具有一定的電磁屏蔽 線進行檢測,為了取得更好的檢測效果,對 效果,對安裝于此的天線,會影響其接收性 于運行中的變壓器,更多的做法是把超高頻 能。 天線深入變壓器內部進行檢測,通常箱體上 的法蘭盤[1]和放油閥[3]是比較合適的安裝位 3 PD 超高頻模擬實驗系統 置。 超高頻傳感器的設計和性能測試環境通 PD超高頻實驗系統主要由3.1m×2.35m 常是在空氣中,且周圍沒有介質的影響,這 ×2.05m變壓器箱體、人工缺陷模型、信號 與傳感器的安裝環境差別較大,所以設計的 測試系統和無暈工頻試驗電源等組成。試驗 天線在安裝后,其參數性能會發生變化,可 接線如圖1所示,圖中T1為電動調壓器(型 能會影響電磁波信號的檢測,而目前國內外 號為TEDGC-25) T2為無暈試驗變壓器 , (型 在這方面的研究很少。本文利用仿真和實測 號YDTW-25kVA/100kV),R為20k Ω 保護 研究,分析了天線安裝后,環境對天線駐波 電阻。圖中1、2、3和4是位于箱體外壁上的 的變化以及天線檢測能力的影響。 4個不同的天線安裝位置,在試驗中位于3和 4處的超高頻天線檢測局部放電信號,并用 2 超高頻檢測的影響因素 高速數字示波器(Tektronix DPO7104數字示 波器,帶寬1GHz,zui大采樣率20GS/s)記錄 根據超高頻天線安裝環境以及所接觸介 波形。首先對位置 3 和 4 的套 筒單極子天線進行頻譜校正,方法如下[7]: 1)在不接試驗電源情況下,從圖 1 中 的缺陷模型的高壓端處注入模擬放電脈沖 信號,來獲取天線接收的比較信號。為了更 準確地表征天線的頻譜特性,模擬的放電脈 沖要有盡量陡的上升沿和較強幅值,使天線 檢測到的信號幅值盡可能大。 2)同時采集兩天線所檢測到的放電信 號,分析其頻譜特性,可認為是當圖 1 中的 缺陷發生局部放電時,處于位置 3 和 4 處的 套筒單極子天線校正頻譜。 圖 1 試驗接線圖 圖 2 套筒單極子天線的外觀 目前,用于變壓器局部放電超高頻檢測 的天線主要有線天線和平面天線,本文選用 線天線中的套筒單極子天線,其不僅具有單 極子天線結構簡單、制作方便的特點,通過 參數的優化設計,還可以實現天線在頻段內 具有良好的駐波特性、較高的增益及基本穩 定的方向圖。圖 2 為本文設計制作的套筒單 極子天線,經實測,駐波小于 2 的頻帶約為 350MHz~525MHz,如圖 3 所示。 圖 4 不同安裝位置套筒單極子天線的校正信號頻 譜 位置 3 和 4 的兩個套筒單極子天線尺寸 *相同,其實測駐波比曲線的差別較小。 圖 4 是安裝后位置 3 和 4 處套筒單極子天線 的 校 正 頻 譜 , 位 置 3 的 天 線 在 350MHz-650MHz 之間,550MHz 左右具有 較好的檢測性能,位置 4 處的套筒單極子檢 測頻帶約 300MHz-500MHz,在 400MHz 左 右具有*的檢測性能。 圖3 套筒單極子天線實測駐波比曲線 4 影響因素分析 4.1 安裝位置不同的影響 通常天線的駐波特性與所檢測到的信 號頻譜密切相關,頻譜在一定程度上可反映 天線的駐波特性,由于實際安裝后的天線駐圖 5 不同安裝位置套筒單極子天線檢測到的放電 信號 中國電機工程學會高壓專委會 2007 年學術年會論文集 所示,兩個信號的波形、幅值以及頻譜均比 較接近,說明空氣中兩天線的性能差別不 大。圖 8(b)中波形 1 和 2 分別是空氣中和 油中的套筒單極子天線檢測到的信號,對比 可知,置于油中天線所檢測到的信號波形產 生了變化,且振蕩持續的時間增長,原因是 盛油器和變壓器油的存在使信號產生了折 反射,使得信號振蕩的時間增長。對比圖 9 (b)中兩個信號的頻譜,放置在油中的天 線檢測到的信號低頻段的能量更多,原因是 變壓器油的相對介電常數大于空氣,使得電 磁波在油中的傳播速度變小,而套筒單極子 天線的尺寸與電磁波長密切相關,在天線尺 寸不變的條件下,降低了套筒單極子天線的 諧振頻率。分別仿真套筒單極子天線在空氣 和油中的駐波比曲線如圖 10 所示,可以看 到在油中天線駐波小于 2 的頻帶明顯向低頻 移動。 1 圖 6 不同安裝位置套筒單極子天線檢測到放電信 號頻譜 圖 5 和圖 6 是試驗電壓 6.3kV 下兩天線 檢測到的放電信號及其頻譜,圖中兩信號的 頻譜差異比較大,說明安裝位置對天線檢測 到的信號頻譜有一定的影響,但兩者的信號 幅值卻差別不大。 4.2 變壓器油的影響 天線的安裝可采用文獻[8]中的方式,用 環氧樹脂材料澆注封裝天線整體,避免了天 線與變壓器油直接接觸,但在許多情況下, 天線仍然可能會與變壓器油接觸。因此,需 要了解變壓器油對天線性能的影響程度。 為了測試套筒單極子天線在油中的性 能,同樣使用兩個尺寸*相同的套筒單極 子天線進行對比檢測,分別取編號 1 和 2, 其中天線 2 倒轉放置在充滿變壓器油的容器 (尺寸 φ 25.3 cm×24.4cm,容器材料為有機 玻璃)中來模擬變壓器中天線被油包圍的情 況,天線 1 放置在空氣中進行檢測對比,這 種對比不僅體現在空氣和油中接收性能,還 體現了在多層不同的介質折反射對信號檢 測的影響。兩天線的位置等高,且均在* 接收角度上,另外,保持兩天線到局放源的 距離均為 1.2m, 以及天線到示波器的兩同軸 電纜長度也相等。 10mV/div 2 80ns/div (a) 兩天線在空氣中 (b) 兩天線分別在空氣和油中 圖 8 空氣和油中的天線檢測到的信號 圖 7 模擬局部放電脈沖 使用圖 7 所示的脈沖來模擬局部放電 源,并用天線激發出 UHF 信號[9-10],該脈沖 信號上升沿小于 2ns,半峰處脈寬約 2ns。當 兩個套筒單極子天線均在空氣中時,其檢測 到的信號及其頻譜分別如圖 8 (a) 和圖 9 (a) 由于變壓器油的相對介電常數約 2.2, 計算可得電磁波在油中的傳播速度約為 2.0226×108m/s,如果套筒單極子天線在空氣 中駐波曲線的頻帶低端為 350MHz,則可計 算在油中的低端頻率約為 236MHz,這與圖 10 仿真計算的油中駐波曲線的頻帶低端比 較接近。另外,對比可知空氣和油中單極子 天線的駐波曲線波形比較接近,zui小駐波值 也較為接近。 中國電機工程學會高壓專委會 2007 年學術年會論文集 檢測能力,這與試驗研究結果比較一致。因 此,在實際應用中,要把天線稍微伸進變壓 器箱體內部一些,這在一定程度上能提高安 裝后天線的檢測性能, 還可加裝濾波放大器, 彌補因金屬體帶來的天線信噪比和靈敏度的 降低。 1 (a)兩天線在空氣中 5mV/div 2 100ns/div (a)未加放油閥 (b)兩天線分別在空氣和油中 圖 9 空氣和油中的天線檢測到的信號頻譜 (b)加放油閥 圖 11 放油閥對信號檢測的影響 圖 10 空氣和油中天線的仿真駐波曲線 4.3 放油閥對性能的影響 變壓器放油閥作為內置天線傳感器的 一個安裝部位, 需要了解對天線性能的影響。 試驗研究中把一真實的放油閥套裝在圖 1 中 位置 3 處的套筒單極子天線上,并與位置 4 處的套筒單極子天線進行對比。 11 是未加 圖 放油閥和加放油閥兩種情況下的對比圖,其 中曲線 1 和 2 分別是位置 4 和 3 處的套筒單 極子天線所檢測到的信號,對比可知,放油 閥對信號幅值有較大影響。在理論仿真研究 中,用長 16cm,內徑 5cm,厚 1cm 的金屬 空心圓柱筒替代放油閥,仿真駐波曲線如圖 12 所示, 可以看到此時天線的駐波曲線* 不符合天線的設計要求,嚴重影響了信號的 圖 12 放油閥中套筒單極子天線的仿真駐波曲線 5 結論(1)不同安裝位置會影響的天線性能, 從而進一步影響所檢測到的信號頻譜,但對 信號的幅值影響不大; (2)由于電磁波的傳播速度與空氣中的 速度不同,對于單極子類天線來說,變壓器 油會降低天線的諧振頻率,改變了天線的駐 中國電機工程學會高壓專委會 2007 年學術年會論文集 波特性,但不影響天線的檢測能力; (3)變壓器放油閥對單極子類天線的駐 波特性有較大影響,嚴重影響天線對電磁波 信號的接收能力。