您好, 歡迎來(lái)到化工儀器網(wǎng)
變壓器局部放電超高頻檢測(cè)的影響因素分析
摘要： 在變壓器局部放電超高頻檢測(cè)中,， 超高頻天線(xiàn)傳感器的安裝環(huán)境與天線(xiàn)參數(shù)的測(cè)試環(huán)境往往差別較大,，嚴(yán)重制約了超高頻天線(xiàn)傳感器,，無(wú)暈試驗(yàn)變壓器 的實(shí)際應(yīng)用,。為了弄清安裝環(huán)境的影響程度,，作者利用仿真分析與試驗(yàn)研究相 結(jié)合的方法,，探索性地開(kāi)展了安裝位置,、變壓器油和放油閥對(duì)超高頻天線(xiàn)傳感器駐波特性和檢測(cè)能力的影響 研究,。初步分析表明，不同安裝位置天線(xiàn)的諧振頻率會(huì)有一定差異,，但對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)幅值影響不大,；變壓 器油使得天線(xiàn)的諧振頻率有所降低，改變了天線(xiàn)的駐波特性,，但不影響天線(xiàn)的檢測(cè)能力,；放油閥會(huì)嚴(yán)重影響 單極子類(lèi)天線(xiàn)的駐波特性，導(dǎo)致天線(xiàn)接收信號(hào)的能力下降,，需采取措施進(jìn)一步解決,。
關(guān)鍵詞：變壓器,；局部放電；超高頻,；諧振頻率,；駐波特性 質(zhì)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(cè)中,， 天線(xiàn)安裝位置的不同使得電磁波從局放源 變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電（PD）時(shí)，能 到天線(xiàn)的傳播路徑各異,，傳播路徑中的各種 產(chǎn)生陡度為 ns 級(jí)的電流脈沖,， 激發(fā)的電磁波 介質(zhì)和金屬導(dǎo)體會(huì)影響超高頻信號(hào)的頻譜， 頻率可達(dá)到 300MHz～3GHz 左右,，并由 PD 使得相同類(lèi)型和性能參數(shù)的天線(xiàn)在不同的 源處向四周傳播,，因此，可通過(guò)超高頻法[1-6] 安裝位置檢測(cè)到的信號(hào)頻譜發(fā)生變化,。 對(duì)發(fā)生于變壓器內(nèi)部的局部放電電磁波信號(hào)
2） 變壓器油的影響,。 由于變壓器油和空 進(jìn)行檢測(cè)。 氣的相對(duì)介電常數(shù)差別較大,，油中電磁波的 在超高頻法檢測(cè)中,，傳感器是關(guān)鍵，既 傳播速度變小,，使得相同頻率的電磁波長(zhǎng)變 要求檢測(cè)性能良好,，還要求安裝方便。變壓 小,，從而改變了天線(xiàn)的諧振頻率,。 器外殼是一個(gè)封閉的金屬箱體，對(duì)超高頻電
3） 放油閥的影響,。 放油閥可近似認(rèn)為是 磁波信號(hào)有屏蔽作用,，不利于外置超高頻天 一個(gè)空心的金屬圓柱，具有一定的電磁屏蔽 線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè),，為了取得更好的檢測(cè)效果,，對(duì) 效果，對(duì)安裝于此的天線(xiàn),，會(huì)影響其接收性 于運(yùn)行中的變壓器,，更多的做法是把超高頻 能。 天線(xiàn)深入變壓器內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè),，通常箱體上 的法蘭盤(pán)[1]和放油閥[3]是比較合適的安裝位 3 PD 超高頻模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 置,。 超高頻傳感器的設(shè)計(jì)和性能測(cè)試環(huán)境通 PD超高頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由3.1m×2.35m 常是在空氣中，且周?chē)鷽](méi)有介質(zhì)的影響，這 ×2.05m變壓器箱體,、人工缺陷模型,、信號(hào) 與傳感器的安裝環(huán)境差別較大，所以設(shè)計(jì)的 測(cè)試系統(tǒng)和無(wú)暈工頻試驗(yàn)電源等組成,。試驗(yàn) 天線(xiàn)在安裝后,，其參數(shù)性能會(huì)發(fā)生變化，可 接線(xiàn)如圖1所示,，圖中T1為電動(dòng)調(diào)壓器（型 能會(huì)影響電磁波信號(hào)的檢測(cè),，而目前國(guó)內(nèi)外 號(hào)為T(mén)EDGC-25） T2為無(wú)暈試驗(yàn)變壓器 ， （型 在這方面的研究很少,。本文利用仿真和實(shí)測(cè) 號(hào)YDTW-25kVA/100kV）,，R為20k Ω 保護(hù) 研究，分析了天線(xiàn)安裝后,，環(huán)境對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)能力的影響,。 4個(gè)不同的天線(xiàn)安裝位置，在試驗(yàn)中位于3和 4處的超高頻天線(xiàn)檢測(cè)局部放電信號(hào),，并用 2 超高頻檢測(cè)的影響因素 高速數(shù)字示波器（Tektronix DPO7104數(shù)字示 波器,，帶寬1GHz，zui大采樣率20GS/s）記錄 根據(jù)超高頻天線(xiàn)安裝環(huán)境以及所接觸介 波形,。首先對(duì)位置 3 和 4 的套 筒單極子天線(xiàn)進(jìn)行頻譜校正,，方法如下[7]： 1）在不接試驗(yàn)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(hào),，來(lái)獲取天線(xiàn)接收的比較信號(hào),。為了更 準(zhǔn)確地表征天線(xiàn)的頻譜特性,，模擬的放電脈 沖要有盡量陡的上升沿和較強(qiáng)幅值,，使天線(xiàn) 檢測(cè)到的信號(hào)幅值盡可能大。 2）同時(shí)采集兩天線(xiàn)所檢測(cè)到的放電信 號(hào),，分析其頻譜特性,，可認(rèn)為是當(dāng)圖 1 中的 缺陷發(fā)生局部放電時(shí)，處于位置 3 和 4 處的 套筒單極子天線(xiàn)校正頻譜,。 圖 1 試驗(yàn)接線(xiàn)圖 圖 2 套筒單極子天線(xiàn)的外觀 目前,，用于變壓器局部放電超高頻檢測(cè) 的天線(xiàn)主要有線(xiàn)天線(xiàn)和平面天線(xiàn)，本文選用 線(xiàn)天線(xiàn)中的套筒單極子天線(xiàn),，其不僅具有單 極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、制作方便的特點(diǎn)，通過(guò) 參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),，還可以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)在頻段內(nèi) 具有良好的駐波特性,、較高的增益及基本穩(wěn) 定的方向圖,。圖 2 為本文設(shè)計(jì)制作的套筒單 極子天線(xiàn)，經(jīng)實(shí)測(cè),，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(xiàn)的校正信號(hào)頻 譜 位置 3 和 4 的兩個(gè)套筒單極子天線(xiàn)尺寸 *相同,，其實(shí)測(cè)駐波比曲線(xiàn)的差別較小,。 圖 4 是安裝后位置 3 和 4 處套筒單極子天線(xiàn) 的 校 正 頻 譜 ， 位 置 3 的 天 線(xiàn) 在 350MHz-650MHz 之間,，550MHz 左右具有 較好的檢測(cè)性能,，位置 4 處的套筒單極子檢 測(cè)頻帶約 300MHz-500MHz，在 400MHz 左 右具有*的檢測(cè)性能,。 圖3 套筒單極子天線(xiàn)實(shí)測(cè)駐波比曲線(xiàn) 4 影響因素分析 4.1 安裝位置不同的影響 通常天線(xiàn)的駐波特性與所檢測(cè)到的信 號(hào)頻譜密切相關(guān),，頻譜在一定程度上可反映 天線(xiàn)的駐波特性，由于實(shí)際安裝后的天線(xiàn)駐圖 5 不同安裝位置套筒單極子天線(xiàn)檢測(cè)到的放電 信號(hào) 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專(zhuān)委會(huì) 2007 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 所示,，兩個(gè)信號(hào)的波形,、幅值以及頻譜均比 較接近，說(shuō)明空氣中兩天線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)到的信號(hào),，對(duì)比 可知，置于油中天線(xiàn)所檢測(cè)到的信號(hào)波形產(chǎn) 生了變化,，且振蕩持續(xù)的時(shí)間增長(zhǎng),，原因是 盛油器和變壓器油的存在使信號(hào)產(chǎn)生了折 反射，使得信號(hào)振蕩的時(shí)間增長(zhǎng),。對(duì)比圖 9 （b）中兩個(gè)信號(hào)的頻譜,，放置在油中的天 線(xiàn)檢測(cè)到的信號(hào)低頻段的能量更多，原因是 變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)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(xiàn)的尺寸與電磁波長(zhǎng)密切相關(guān)，在天線(xiàn)尺 寸不變的條件下,，降低了套筒單極子天線(xiàn)的 諧振頻率,。分別仿真套筒單極子天線(xiàn)在空氣 和油中的駐波比曲線(xiàn)如圖 10 所示，可以看 到在油中天線(xiàn)駐波小于 2 的頻帶明顯向低頻 移動(dòng),。 1 圖 6 不同安裝位置套筒單極子天線(xiàn)檢測(cè)到放電信 號(hào)頻譜 圖 5 和圖 6 是試驗(yàn)電壓 6.3kV 下兩天線(xiàn) 檢測(cè)到的放電信號(hào)及其頻譜,，圖中兩信號(hào)的 頻譜差異比較大，說(shuō)明安裝位置對(duì)天線(xiàn)檢測(cè) 到的信號(hào)頻譜有一定的影響,，但兩者的信號(hào) 幅值卻差別不大,。 4.2 變壓器油的影響 天線(xiàn)的安裝可采用文獻(xiàn)[8]中的方式，用 環(huán)氧樹(shù)脂材料澆注封裝天線(xiàn)整體，避免了天 線(xiàn)與變壓器油直接接觸,，但在許多情況下,， 天線(xiàn)仍然可能會(huì)與變壓器油接觸。因此,，需 要了解變壓器油對(duì)天線(xiàn)性能的影響程度,。 為了測(cè)試套筒單極子天線(xiàn)在油中的性 能，同樣使用兩個(gè)尺寸*相同的套筒單極 子天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè),，分別取編號(hào) 1 和 2,， 其中天線(xiàn) 2 倒轉(zhuǎn)放置在充滿(mǎn)變壓器油的容器 （尺寸 φ 25.3 cm×24.4cm，容器材料為有機(jī) 玻璃）中來(lái)模擬變壓器中天線(xiàn)被油包圍的情 況,，天線(xiàn) 1 放置在空氣中進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比,，這 種對(duì)比不僅體現(xiàn)在空氣和油中接收性能，還 體現(xiàn)了在多層不同的介質(zhì)折反射對(duì)信號(hào)檢 測(cè)的影響,。兩天線(xiàn)的位置等高,，且均在* 接收角度上，另外,，保持兩天線(xiàn)到局放源的 距離均為 1.2m,， 以及天線(xiàn)到示波器的兩同軸 電纜長(zhǎng)度也相等。 10mV/div 2 80ns/div （a） 兩天線(xiàn)在空氣中 （b） 兩天線(xiàn)分別在空氣和油中 圖 8 空氣和油中的天線(xiàn)檢測(cè)到的信號(hào) 圖 7 模擬局部放電脈沖 使用圖 7 所示的脈沖來(lái)模擬局部放電 源,，并用天線(xiàn)激發(fā)出 UHF 信號(hào)[9-10],，該脈沖 信號(hào)上升沿小于 2ns，半峰處脈寬約 2ns,。當(dāng) 兩個(gè)套筒單極子天線(xiàn)均在空氣中時(shí),，其檢測(cè) 到的信號(hào)及其頻譜分別如圖 8 （a） 和圖 9 （a） 由于變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)約 2.2， 計(jì)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(xiàn)在空氣 中駐波曲線(xiàn)的頻帶低端為 350MHz,，則可計(jì) 算在油中的低端頻率約為 236MHz，這與圖 10 仿真計(jì)算的油中駐波曲線(xiàn)的頻帶低端比 較接近,。另外,，對(duì)比可知空氣和油中單極子 天線(xiàn)的駐波曲線(xiàn)波形比較接近，zui小駐波值 也較為接近,。 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專(zhuān)委會(huì) 2007 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 檢測(cè)能力,，這與試驗(yàn)研究結(jié)果比較一致。因 此,，在實(shí)際應(yīng)用中，要把天線(xiàn)稍微伸進(jìn)變壓 器箱體內(nèi)部一些,，這在一定程度上能提高安 裝后天線(xiàn)的檢測(cè)性能,， 還可加裝濾波放大器， 彌補(bǔ)因金屬體帶來(lái)的天線(xiàn)信噪比和靈敏度的 降低。 1 （a）兩天線(xiàn)在空氣中 5mV/div 2 100ns/div （a）未加放油閥 （b）兩天線(xiàn)分別在空氣和油中 圖 9 空氣和油中的天線(xiàn)檢測(cè)到的信號(hào)頻譜 （b）加放油閥 圖 11 放油閥對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響 圖 10 空氣和油中天線(xiàn)的仿真駐波曲線(xiàn) 4.3 放油閥對(duì)性能的影響 變壓器放油閥作為內(nèi)置天線(xiàn)傳感器的 一個(gè)安裝部位,， 需要了解對(duì)天線(xiàn)性能的影響,。 試驗(yàn)研究中把一真實(shí)的放油閥套裝在圖 1 中 位置 3 處的套筒單極子天線(xiàn)上，并與位置 4 處的套筒單極子天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,。 11 是未加 圖 放油閥和加放油閥兩種情況下的對(duì)比圖,，其 中曲線(xiàn) 1 和 2 分別是位置 4 和 3 處的套筒單 極子天線(xiàn)所檢測(cè)到的信號(hào)，對(duì)比可知,，放油 閥對(duì)信號(hào)幅值有較大影響,。在理論仿真研究 中，用長(zhǎng) 16cm,，內(nèi)徑 5cm,，厚 1cm 的金屬 空心圓柱筒替代放油閥，仿真駐波曲線(xiàn)如圖 12 所示,， 可以看到此時(shí)天線(xiàn)的駐波曲線(xiàn)* 不符合天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求,，嚴(yán)重影響了信號(hào)的 圖 12 放油閥中套筒單極子天線(xiàn)的仿真駐波曲線(xiàn) 5 結(jié)論（1）不同安裝位置會(huì)影響的天線(xiàn)性能， 從而進(jìn)一步影響所檢測(cè)到的信號(hào)頻譜,，但對(duì) 信號(hào)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(duì)于單極子類(lèi)天線(xiàn)來(lái)說(shuō),，變壓器 油會(huì)降低天線(xiàn)的諧振頻率,，改變了天線(xiàn)的駐 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專(zhuān)委會(huì) 2007 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 波特性，但不影響天線(xiàn)的檢測(cè)能力,； （3）變壓器放油閥對(duì)單極子類(lèi)天線(xiàn)的駐 波特性有較大影響,，嚴(yán)重影響天線(xiàn)對(duì)電磁波 信號(hào)的接收能力。