（电气工程专业论文）三峡左岸电站gis合、切空载变压器过电压研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc x p e r i e r l c 圮o f d o m e s t i cg a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ( g i s ) a t p r e s e n t ，d i s c o n n e c t o ra n db r e a k e rs w i t c h i n go p e r a t i o n si ng i sm a yc a u s ev e r yf a s t t r a n s i e n to v e r v o l t a g e s ( v f l d ) d u et om u l t i p l ea r c i n gi nd i s c o n n e c t o rc h a m b e rm u l t i p l e s t r i k ei m p u l s ev o l t a g e s ( p r e s t r i k e sa n dr e s t r i k e s ) o f v e r yh i 曲s t e e p n e s sw i l lb eg e n e r a t e d t h i so v e rv o l t a g ei sv e r yd a n g e r o u sf o rt h er e l a t i o n a le l e c t r i c a le q u i p m e n t i nt h el a s tf e w y e a r s ，s e v e r a la c c i d e n tf o rt h em a i nw a n s f o r m e rw e r eh a p p e n e di nd i f f e r e n tp o w e r s t a t i o n t h ec a p a b i l i t yo f t h em a i nt r a n s f o r m e ro f t h el e f tb a n ko f t h r e eg o r g e sh y d r o p o w e r p l a n ti s8 4 0 m v a 5 5 0 k v ，i t sc o n d i t i o ni sv e r yi m p o r t a mf o rt h es e c u r i t yo p e r a t i o n s t a b i l i t yo f t h ep o w e rs t a t i o n ，e v e no f t h ep o w e rg r i ds y s t e r ms oi ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h es p e c i a l i t yf o rt h ev f t oc a u s eb yo p e r a t i o no ft h ed i s c a 3 i m e c t o ro l lg i s ，b yt e s to n s i t ea n da n a l y s et h er e ! a t i v ed a t a ，t or e a l i z et h ed i v e r s i f i e df a c t o rf o ri n f l u e n c et h e s p e c i a l i y tf o rt h ev f t o e v a l u a t et h ev f r or i s kf o rt h em a i nt r a n s f o r m e ra n dt h e c a p a c i t yt or e s i s tt h eo v e rv o l t a g e ，t h e np r o v i d et h ec o u n t e r m e a s u r ef o r t h ed i s b e a n i f i t b y v f t o n l i st h e s i sa n a l y z e dt h eb a s i ct h e o r yo f v f t o ，d e s c r i b e st h em 伯s u p r i n c i p l e ，t h e t e s td e v i c ea n dt h em e t h o dt oe l i m i n a t et h ed i s t o r t i o na n dr e d u c et h ed i s t u r bf o rt h e m e a s u r e t h e n , a n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef o r t h eo v e rv o l t a g eb yd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o no r t h eo p e r a t i o no f t h ep o w e r p l a n t p r e s e n t a i o ni nd e t a i lt h es i t et e s t , a n dt h et i m e f i e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ，i nt h ee n d , d e t e l l m et h ec h a r a c t e r i s t i c so f v f t ow h i c hf o rt h et g h p k e y w o r d s ：v e r yf a s tt r a n s i e n to v e r v o l t a g e ，g i s ，t r a n s f o r m e r , t g h p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：f 末蠲 签字日期： 。7 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 阿、祥 l 签字日期： 。7 年6 月e t 导师签名：壶1 国报 签字日期： 衫年月，日 重庆大学工程硕士学位论文i 序言 1 序言 1 1 快速暂态过电压 g i s 内部的断路器和开关操作均可能引起快速暂态过电压( v e r yf a s tt r a n s i e n t o v e r v o l t a g e ，简称v f t o ) 。由于开关触头间的多次电弧击穿，引起高频振荡而形成 上升时间极短的快速的暂态过电压( 如图1 1 ) 。每次操作波的振荡频率高达1 0 0 次 【4 】。波的折射和反射引起单频振荡的频率和波形与电气设备的接线方式有很大关 系。 ， ! i ：一： o ；。i 。 | it - ： i h o 一j ! ：ll。ll ： i l l l i ， l f f 河p 一。_ ： 。 ： ： _ ： 二 ：1l： 051 0 5 2 02 53 5i m s ! 图1 1 由于开关合闸操作电弧重燃产生不断振荡的电压【4 】 f i g u r e1 1m u l t i p l es t r i k e sd u et o a r c i n gi nd i s c o n n e c t o rc h a m b e r f o rc l o s i n g o p e t a l i o n 吲 迄今为止，根据对邻近设备的v f t o 产生、性质和电应力进行的多次调查数据 来分析【2 】，g i s 的开关操作效应被分成内部v f r o 和外部v f t o 外部v f t o 是在g i s 内部的v f i o 以行波方式沿导体传播，到达出线套管后， 一部分由架空线向外部传送，作用在邻近的设备上，如避雷器、c v t 、绝缘子等； 另一部分则耦合到g i s 壳体与地之间，使外壳的暂态电位升高，造成电磁干扰。因 此，外部v f t o 对电气二次设备和邻近高压设备的绝缘有影响。 内部v f t o 主要是g i s 内部高压行波的直接作用。该过电压作用在内部高压导 体和地之间，内部过电压是g i s 的绝缘设计需要考虑的。 内部v f t o 的特性在很多文献中都有描述【2 4 】。最主要的特性是陡度、单频 振荡和低频振荡。陡度是根据断路器或隔离开关的飞弧机理定义的。因此，开关装 置的配置或外形对瞬态波前陡度来说仅表现为弱效应。典型的陡波上升时间仅为几 重庆大学工程硕士学位论文i 序言 纳秒( 图1 2 ) 。 图1 2v f t o 坡度和行波细节描述【2 l f i g u r e1 2 d e t a i l s o f v f t os l o p e a n d t r a v e l i n g w a v e z 波的折射和反射引起特定单频振荡，振荡频率与开关装置的几何参数和电厂主 接线布局有关，典型值是几兆赫兹【2 】变压器和g i s 的振荡产生低频谐波，这些谐 波的频率主要是几千赫兹，并受到变压器类型和电厂主接线布局的较大影响。 一 慨 w l姗嘲 ，)b ， & ) 高频振荡( 2 2 _ v o - z ) b ) 低频振荡( 2 5 啪z ) 图1 3 ：高频振荡和低频振荡的信号波形嘲 f i g u r e1 3 ：d e t a i l so f v f t ow a v ef o r mf o rh i g ha n dl o wm o n o f i e x l u e n to s c i l l a t i o n 【3 】 由于单频振荡波的叠加，内部v f i o 的暂态电压波形变得相当复杂。因此，v f t o 的峰值在高压幅度范围内变化。根据刊物上专家的鉴定，典型峰值可达2 0 p 1 l ，但 一般不会达到电力设备的冲击绝缘耐受水平【2 】。如果变压器通过长导体接到开关设 备上，将出现峰值高、陡度大的波形。 2 l鱼日i- 重庆大学工程硕士学位论文1 序言 断路器和隔离开关的分合操作对三相来说，几乎是同时的。在开关的相序里有 一定的时延( 图1 4 ) 。时延的典型值是2 2 0 m s 。由于变压器绕组部件里的电场耦 合效应，单相开关操作可能对其他相有感应波。 图1 4 三相隔离开关操作的时延v f t o ( c b 是断路器，d 是隔离开关) f i g u r e1 4t i m ed e l a y e dv f t oo n3 - p h a s ed i s c , o n n e c t o r 叩蒯 第一次接触触头的预击穿和重燃会产生最恶劣的情况，即瞬态应力。一般来说， 重燃的时间比开关相序操作的时延要长。由于几个瞬态电压的迭加，对上述情况第 二次或第三次接触触头的瞬态电应力更严重( 图1 4 ) 。这个结果与重燃速度和相问的 时延有关系。 1 2 研究目的 三峡( t h r e eg o r g e s ，简称t g ) 左岸电站的5 5 0 k vg i s 是世界上最大的开关站 之一。母线系统长达5 0 0 米。这个系统包括5 0 个断路器，7 0 多个隔离开关和1 0 0 多个接地开关。 1 4 台功率为7 0 0m w 的发电机通过主变压器、g i s 连接到5 5 0k v 交流电网和 5 0 0 k v 直流输电线上( 图1 5 ) 。 由于t g 左岸电站g i s 的物理尺寸较大，对内部v f t o 的性质没有定量的计算。 与g i s 相连的各种电气设备如开关、电力变压器、电缆、母线等均会对v f t o 的性 质( 陡度，峰值) 产生影响【4 】。 在g i s 的设计过程中，生产厂家已建立模型，模拟对变压器终端的v f t o 的影 响。设计绕组部件和变压器的绝缘系统时也考虑了一些电气主接线的极端情况。为 重庆大学工程硕士学位论文 l 序言 了对过电压的的性质有深入的了解，在现场测量变压器高压套管入口处的v f t o ， 以分析、比较测量结果及评估风险是很有实际意义的。 1 f 2 f 3 f4 f5 f6 f7 f 8 f 9 f1 0 f 1 1 f1 2 f1 3 f1 4 f 图1 5 t g 左岸电站g i s 系统 f i g u r e1 5g i ss y s t e mo f 3 gl e f tb a z i kp o w e rp l a n t v f t o 的测量也对校核主变压器高压绕组的绝缘配合有作用。测量在高压套管 和引入线之间的电压幅值，记录绕组入口的电压波形，从而确定和评估主变压器不 同绕组匝间、饼间线段的电应力分布情况。 电厂主接线的自然频率和变压器绕组的自然频率一般由设计或产品制造方给 出。电厂主接线的自然频率在v v r o 波谱中也可得到。主要的v f t o 谐波，尤其是 低频和高频振荡，应该和电厂主接线的自然频率以及变压器绕组的自然频率不匹配。 如果频率匹配，将会出现谐振现象，导致危险的高电压产生。 v f t o 频谱分析法是找出电厂主接线自然频率和对比变压器绕组共振的一种合 适的测量方法。这个调查结果有助于核准主变压器的绕组设计 1 3v f t o 现场测验的准备工作 为了使v f t o 测试方法尽可能有效。现场测试之前进行了充分的准备。 1 g 左岸g i s 开关装置的物理尺寸较大。因此，产生的v f t o 峰值电压和带宽 目前基本没有可参照的资料，必须仔细进行初步预估。为了测得v f l d 信号，需选 择一个可调的暂态型耦合电极。如果此耦合电极发生任何电介质的损坏，均会导致 主变压器直接接地放电或造成人员伤亡，因此，试验前对耦合电极的绝缘配合进行 了认真的选择。一 4 重庆大学工程硕士学位论文 1 序言 尽管v f t o 测试中有一定的风险，但是此项目对于大g i s 系统中的v f t o 研究 是非常有价值的，因此，事先采用了以下措施来确保测试的效率和测试结果的准确 性： 变压器生产厂家安装了一个现场测试装置来测试和调整电场电极的调整量 和测试电路，其主要元件是专用电场传感器，即耦会电极。这个测试电路的传递函 数由其内部电容分布、电磁场的屏蔽条件来确定，以此来确保测试结果数据的准确 性。 选择合适的绝缘裕度以适应不同的电压峰值和频宽。合理的绝缘配合设计 减少了电场传感器中介质的损耗。 通过选择高频宽和大存储量的暂态存储器，在一个操作过程中录制尽可能 多的特征波形，以减少操作次数，从而减小v f t o 对电厂内电气设备的不利影响。 准确模拟所有的现场测试过程，并仔细准备具体操作步骤和技术交底，以避免无谓 的重复操作。 5 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 2 快速暂态测试技术 2 1 电场耦合原理 v e t o 的电压上升时间一般在十纳秒( 璐) 级f 2 】。因此，v f t o 测量系统的带 宽应高于1 0 0 m h z 。下图2 1 所示的专用电场传感器可快速响应暂态的电场信号， 从而得到变化范围超过1 0 0 m t t z 的频率响应。此传感器的工作原理即常见的电容分 压器，类似的电场耦合原理在文献【3 】中也有叙述。 图2 1 电场耦合原理 f i g u r e2 1c 唧t0 f 咖i 曲te l 一lf i e l dc o u p l i n g 根据上图，此传感器将产生电容分压现象。高压侧的电容量由电极与导体之间 的绝缘介质( 变压器绝缘油) 所决定。而从电极到地的电场及高压探测器的电容量 决定了低压侧的电容量。该高压探测器是一个可以输入阻抗较高的装置( 约5 0 m q ) ， 其有效输入电容量小于2 p f 。因此，可以忽略高压探测器对这个装置的影响。 如图2 2 所示是一个简化的等价电路，以说明这个部件的传递特征。 6 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 c l ：高压导体与电场电极问的电客量( 估计值为：1 p f ) c 2 电场电极与地之闻的电容量( 估计值为：1 s n f ) c 2 ：高压探测器与地之间的电容量( 估计值为：2 p f ) k ：探测器的电感( 估计值为：l i 1 ) r 2 ：分散在油与高压探测器电路中的输入电阻( 估计值为：l m n ) 图2 2 根据图2 1 电场耦合系统简化的等价电路 f i g u r e2 , 2s i m p l i f i e de q u i v a l e n te l e c t r i c a lc i r c u i to f f i e l de l e c l r o d ea s s e m b l yo f f i g u r e2 1a n dr o u g h e s t i m m i o no f c i r c u i te l e m e n t s 简化电路中电压的转换如公式2 1 所示： 丝： ：签墨： 堑一 1 一功2 丘( g + c 2 ) + 归( 砭e 一街2 ( c l + c ：) 坞e + 砭( c l + c 2 ) ) ( 2 1 ) 相位角的功能和大小如图2 3 所示： 乱憔递函数的分布b j 相位角传递函数 图2 3 简化等价电路的频率传递特征 f i g u r e2 3f r e q u e n c yu m l s f e rc h a r a c t e r i s t i co f s i m p l i f i e de q l l i v a j e n tc i m 血 曲m a g n i t u d eo f e a n s f e r 缸娟b ) p h a s ea n g l eo f t r a n s f e r 缸删0 n 7 l cil- 重庆大学工程硕士学位论文 2 快速暂态测试技术 这个等价电路表明一组频率带通特征。较低的截止频率主要受r 2 中分散的电 阻影响。而l 2 和c i + c 2 之间的谐振决定了较高的截止频率。 较高截止频率与较低截止频率之间的线性比例关系主要由c 1 c 2 之间的比值 所决定。因此，在v f t o 的测量过程中需调整此比值，以将主要测量信号阻尼至适 当的范围，从面可以准确的予以测量。在工程实际中，将设定电场电极与高压探测 器之间的距离，以使阻尼比适应测量元件。 为了保证传感器输出的信号不失真，电感l 2 要尽可能小。 2 2 电场电极 如图2 1 所示，专用电场传感器安装在主变压器的高压套管内部，处于高压导 电杆的中间入口处。电极安放在地面屏蔽的中心。地面屏蔽与电极之间的间隙至少 为5 m m ( 如图2 a a 所示) 。 & ) 电场电极和地面屏蔽的俯视图b ) 系统装配与连接图 图2 a 电场电极 f i g u r e2 4e l e c t r i c a lf i e l de l c c n o d ea s s e m b l y 缸) t o pp e r s p e c 吐v c0 1 1f i e l de l e c t r o d ea n dg r o u n ds h i e l d i l - l g b 3 d e t a i l s o f m e c h a n i c a l a s s e m b l y a n d l e a d c a 3 y l i l e c t i o n 电场电极被固定在环氧树脂螺栓上。电极是一个直径为1 0 0 m m 厚度为1 0 m m 的铝制圆盘。它的边缘半径大约为1 0 m m 。 用专用固化剂将环氧树脂固定，从而保证电场电极的安全性能。电极通过被绝 缘纸包裹的可弯曲铜线与终端盒中的内置开关相连( 图2 4 b ) 。由于传输的距离比较 短，并且此铜线的绝缘水平无法准确预估，所以该铜线未采取屏蔽措施，从而在所 有测试结果中，将使用电感硷( 图2 2 ) 的值予以修正传递函数。 重庆大学工程硕士学位论文 2 快速暂态测试技术 & ) 密封的终端盒常规操作模式b ) 终端盒内探测器与接地 图2 5v f i o 测试装置终端盒 f i g u r e2 5t e r m i n a lb o xo f v f t or e s ta s m n b l y 的c l o s e d t e r m i n a l b o x f o r i - e g u l a g o p e r a t i o n m o d eb j t a p s a n d e a r r i n g c o n c c p t o f t c r m i m m l b o x 利用西门子标准终端箱实现非接触式电压测量。通常，这个终端箱是用来接收 电流或电压互感器的信号( 见图2 5 a ) 。这个终端箱有8 个终端，其中7 个终端未使 用( 见图2 5 ) 。对于任何一种试验模式，必须通过短接片保证这些终端可靠接地。 另一个终端与电场电极相连。这个终端用m e s s b e l a g 标签标出。只有当变压器被断 开和所有高压导体通过接地开关接地时，此终端才可与地电位断开。 当断开开关时，m e s s b e l a g 的终端电压大约可以达到1 0 0 v 。因此，严禁用手接 触此探测器或将此探测器与其它任何试验装置直接相连。对于任何测量，必须选一 个与此终端相配套的高压探测器。 试验结束和打开变压器之前，必须确保所有终端处于接地状态，并且这个终端 箱必须与外壳相连。 在试验室里已经验证此电场电极装置和m e s s b e l a g 终端探测器的绝缘水平为 1 0 k v 。故对于任何试验情况均不允许超越这个标准。 电场电极及其辅助设备是为专门的涣5 试试验而设计的，为永久安装方式，试验 完成后不需从变压器上拆除。 2 3 电场电极的标定 从以下几个方面分析可知，在现场进行v f t o 测试系统的标定是不可能的，故 标定在经屏蔽的专用试验室内进行。 现场安装完成后，所有入口均己封闭，无法进行相关接线 现场安装进度无法满足标定所需的时闻。 为保证标定精度，变压器必须隔离空气，现场无法实施。 9 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 高频率标定测试需要电磁屏蔽环境，现场无法实施。 由于这些限制，标定测试仅能在专用试验室迸行，以通过电磁屏蔽的试验条件 和高精度的测量设备减小电磁场的干扰，标定工作在厂家的专用高压试验室进行。 2 3 1 标定测试的设置 v f t o 试验设备的标定系统是一个模拟的变压器局部模型。这个测试装置有两 个弯曲的密封装置( 与变压器的高压套管升高座相似) ，它和试验系统安装在一起( 见 图2 6 ) 。模拟的变压器局部模型的内部充满绝缘油( 见图2 。7 ) 。 图2 6 标定测试装置 f i g u r e2 6c a l i b r a t i o nt e s ta s s e m b l y 丑) 电场和屏蔽电极( 内部结构)b ) 导体绝缘装置与测试结构 图2 。7 标定测试装置的结构详图 f i g u r e2 7 ：d e t a i l so f c a h b r a f i o nt e s ta s s e m b l y a ) e l e c l r i c a lf i e l de n ds h i e l de l e c t r o d e ( i n l e r i o r p e r s p e c t i v e ) b 1c o n d u c t o rh l s u a t i o l la s s e m b l ya n dt e s tl e a ds e t - u p 1 0 重庆大学工程硕士学位论文 2 快速暂态测试技术 标定测试装置尽可能真实的模拟变压器。因此，使用了真实的导体和有关绝缘 装置，并安装在密封的弯曲处( 见图2 7 a ) 。 为了得到比较正确的结果，模拟系统的导电杆和油s f 6 套管波阻抗分别为1 七q 和2 2 5q ，与真实变压器基本一致。 2 3 。2 标定过程 以下是标定步骤： 组装试验设备：所有部件均精确装配，并检查油的密封性。 对组装测试系统进行频域分析：安装导体的电气终端、各信号与接地点的连 线、网络分析仪，进行频率扫描。 预设电场电极：通过调整空气的电极轴来设定一个电压传递比率( 电场电极 电压内部导体电压) 为6 0 d b 。 最终调整电场电极：优化频率传输特性( 增大商截止频率，减小低截止频率， 减少谐振数量) 。 注入真实绝缘介质：在试验系统中注入变压器绝缘油。 测量传递性能：记录传递函数最后的频宽 验证时域的频宽与传输比：以一个相应的参考脉冲电压信号作为量度来验证 传递函数的传递特性。 信号处理传输比与电压等级范围见图2 8 。 图2 8v f r o 标定测试系统的信号传输比 f i g u r e2 8e s t i m a t i o no ns i g l ：l a ll e v e lr a r l g 髂f o rv f i ot e s ta s s e m b l y 根据相关文献，5 0 0 k vg i s 的电压峰值可达数百千伏。为保证足够的安全裕度， 模拟信号处理器的最高电压以1 0 m v 考虑。因此，电场电极装置的信号阻尼比设计 为- 6 0 d b ( 即衰减1 0 0 0 倍) 。 电场电极和高压探测器的串联将产生一个0 1 0 v 的输入信号。这是数字示波 器典型的操作范围。 标定工作先在空气介质中完成，以便调整相关参数，最终标定是在充入变压器 绝缘油后进行的 2 3 3 标定测试和结果 频域测试 图2 9 是电场电极传递函数频域测试的电路原理图： l l 重庆大学工程硕士学位论文 2 快速暂态测试技术 图2 9 电场电极传递函数测试装置( 频域测试) f i g u r e2 9t r a n s f e rf u n c t i o nt e s ts e t - u pf o rf i e l de l e c t r o d e ( f 搠u e n c yd o m a i nt e s t ) 宽频网络分析器可分析高至1 0 0 m h z 的信号，该装置由一个功率分配器提供电 压，功率分配器与5 0 1 2 测试电路系统相匹配。因此，输入的参考阻抗u r e f 必须同 轴电缆阻抗相吻合。相应信号路径的终端与电场电极的抽头终端相连。当用v f t o 测试高阻抗的时候，用无源探测器使网络分析器( u 2 ) 的相应信号的输入阻抗调整 为1 m f l 。行波在s f 6 油套管和高压绕组中传播的阻抗有两部分组成：即输入导体 到接地点之间的2 2 5 f 2 电阻和输出导体与接地点之间的1 k q 电阻。 通过一个0 分贝的标定测试来消除各个电阻( 电缆电阻、连接器电阻等) 对测 试电路的影响。附加校正路径可以缩短变压器引线和电场电极间的传递途径。把传 递函数设定为o 分贝。打开这个校正路径后，能测得电场电极的单一输送量。因此， 输入阻抗、终端电缆、实际模拟输入绕组和套管的阻抗对测试电路的影响将大大减 小。 用试验得到的电场电极传递函数对后面的试验记录进行信号处理。通过对样波 进行扫频，当v f r o 信号的波长与样波不相符时，要对试验数据进行抽样推断。根 据表2 1 ，网络分析器的扫频与测量范围相符合，如此可以保证对信号进行正确的处 理。 扫描有线性和对数两种形式。为了得到比较真实的结果，把开始和终止频率的 分辨频宽调为线性( 过渡频率窄带滤波器的宽度) 。对于这种形式信号的衰减为 - 6 0 r i b ，调整网络分析器的垂直量程，使信号充满整个量程。 重庆大学工程硕士学位论文 2 快速暂态测试技术 表2 1 电场电极传递函数的扫描范围 ! 垫! ! ! ：! ；墨! ! 兰翌婴g ! ! 垒! 垒垒型! 丛g 塑堕! ! ! 垒巴匹! 呈2 11 1 1 1 璺璺! 堂垒! 扫描次数开始频率g - l z 停止频率l i - i z 扫描形式 分辨频宽 1 q z 根据本文2 3 2 ，在无油时对电极设置进行优化，电场电极的传递函数不受绝缘 油影响，而仅仅是传递函数的特性数据不同根据介电常数的不同，可以得到频率 特性闻的相互关系【刀。电场电极在油中和在空气中的传递函数的区别如图2 1 0 所 示： & ) 传递函数的频率范围( 1 k h z t o1 0 0 k h z )b 礁递函数的频率范围( 1 0 k h zt o1 0 0 m h z ) 图2 1 0 空气和油中电场电极频率传递性能的测试 f i g u r e2 1 0m e a s u r e df r e q u o n c yl r m s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c a lf i e l de l e c t r o d e i na i ra n dt r a n s f o r m e ro i l ) m a g n i t u d eo f m m s f e rf 1 r 1 6 ：t i o l i 【1k h z t o1 0 0k s z ) b 1m a g n i t u d eo f u a n s f e rf u n c t i o n ( 1 0k h zt o1 0 0m h z ) 在两种介质中，基本传递性能是非常相似的，不同的介质确定了低截止频率和 高截止频率的大小，并且介电常数决定了相应的偏差量。总之，无油时可以对电场 电极装置进行优化，同时在对空气中的传输的传递函数的优化时也是对充满油的变 压器的传递函数的优化。 等式2 1 是对主传递函数的初步探讨，用一个简化的等价电路来进行粗略的估 计。由试验得到的，在油中最终的电场电极频率从1 0 k h z 到1 0 0 m h z 的传递函数如 ，l曼荤1善4_ 螂钟御螂御部哪脚娜娜 l妻季喜龟皇 重庆大学工程硕士学位论文 2 快速暂态测试技术 图2 1 1 所示。 本文2 1 中的等价电路表明频率从数千h z 到1 0 m h z 时，传递函数有相似的传 输比。另外，在较高截止频率为2 0 3 0 m i - i z 进也有相似的传输比，较低截止频率为 1 0 0 3 k h z 和谐振频率超过5 0 姗z 时，传输比的偏差较大。 总之，与图2 t 2 相对应的等价电路。能有效的表征电场电极的传输性能及信号 的阻尼比。 乱) 传递函数的变化幅度( 1 0 煳z 1 0 0 枷z )b ) 相角函数( 1 0 k h z - 1 0 0 m h z ) 图2 1 t 电场电极在变压器油中频率传输性能分析 f i g u r e 2 1 1m e a s u r e d f r e q u e n c y t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f e l e c l r i c a f i e l d e l e c t r o d e i nt r m l s f o r m e ro i l a 、m a g n i t u d eo f t r a m f e rf u n c t i o no ok h z 1 0 0m h z ) b ) p h a s ea n g l ef i l n c t i o r l ( 1 0k h z 1 0 0m r l z ) 频率从1 0 k h z 上升到1 0 m h z ，电场电极的传递函数几乎保持不变，并且保持 恒定的阻尼( 没有相位移) 。对于更高的频率会出现明显的谐振现象，同时从1 0 m h z 开始也会出现明显的相位偏移。 总之，电场电极的传输性能无法通过优化和调整来适合数千欧到1 0 0 m h z 的所 有波段【3 】，不过可以通过后期信号处理对不理想的传递函数进行补偿。 时域测试 根据2 3 3 1 ，用一个特殊的脉冲试验对确定的传递函数进行时域的正确性检测。 这个试验包括记录输入和相应脉冲的波形。功能正确性试验的主要特征是适应突变 的相应信号、自动修改相应波的波形、适当的延时和峰值传输比的调整。 电场电极的时域脉冲测试的正确性试验电路如图2 1 2 所示： 1 4 t；毒葛霉)吁i l-曼孽盘蚤 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 图2 1 2 电场电极传递函数测试装置( 时域测试) f i g u 2 1 2t r a m f e rf 嘶 i o nt e s ts e t - u pf o rf i e l de l e c t r o d e ( t i m ed o m a i nt e s t ) 这个试验装置与图2 9 所示的试验装置很相似。不同点在于暂态数字存储器取 代了网络扫描分析器。为了避免产生任何附加载荷，在试验电路中为相应信号选择 高输入阻抗。高压探测器适合于高输入阻抗的数字示波器。 低压脉冲发生器通过同轴电缆与内部铅导体相连，脉冲发生器的最大充电电压 为6 0 0 v 。未加载的发生器的上升时间是3 0 - 4 0 n s ，施加的脉冲电压的有效衰变主要 依据试验台和试验样本。 相应脉冲的高度结采如图2 1 3 所示： 射偶t i n s 一 图2 1 3 电场电极的响应阶跃信号 f i g u r e2 1 3s t e pr e s p o n o f e l e c t r i c a lf i e l de l e c t r o d e 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 由图可知，脉冲的上升时间大约是9 0 n s ，信号的频宽是1 0 m h z ，相应信号的波 形与施加脉冲的波形基本一致。总之，传递函数在这个频率范围内基本上不变。 由图可以确定激励信号与相应信号问没有明显的延时。因此，在信号频宽的范 围内相位角一定是零偏移。 相应信号的突变与激励信号的波形有关，这表明所有脉冲信号的谐波与传输装 置是一致的。 通过对相应信号的波形进行分析，基本上确定了本文中由试验得到的传递函 数。脉冲试验的基本阻尼比为6 2 d b ( 1 ：1 2 0 0 ) 。扫描结果中- 4 d b 的偏差主要考虑不 同的布线系统、不同的试验电路装置和高压探测器传输比的精度的影响。 2 3 4 标定试验的局限性 虽然屏蔽试验室中的试验环境较好，但在模拟变压器真实的传输过程的时候仍 有一些阻抗，下面是标定试验的不确定因素： 终端阻抗的有效性：套管的反射和吸收系数的不同。 容器没有被完全充满：绝缘的电场电极中电极附近的一些空气可能造成传输 比的偏差( 相当于真实的装置) 。 绝缘材料未被油完全浸透，比现场实际中的浸溃时间短。 变压器油的质量：试验中使用的是新油，现场的油中含有一定的水分和杂质。 高压探测器的阻抗函数：因网络分析器的动态范围过小，未考虑其输入阻抗， 故忽略了离阻抗和低电容对传递函数的影响。 因未对这些不定因此进行量化，故不能对其进行修正。然而，这些不确定因素 对v f t o 传输特性的影响是很小的，在工程应用中是可以接受的。 2 4v f t o 测量试验的装置 2 4 1 7 1 d 测量试验装置 v f i d 测试现场用的测试装置见图2 1 4 。电场电极的v f t o 信号是通过一个阻 尼比为- 6 0 分贝的无源高压探测器传输( 图2 1 5b ) ，高压探测器的输出端通过同轴 电缆与高电阻输入数字示波器相连( 图2 1 5a ) 。通过计算机对数字示波器进行远程 控制，远程控制软件同时完成对数据的传输和存储。 为避免电源的干扰，测试电路通过隔离变压器与电源相连。 试验电路的参考电位是接地的变压器箱体，高压探测器和数字示波器分别接 地，这两个接地所产生的环流应尽可能的小。 1 6 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 曲高压探测器与数字示波器相连b 0 高压探测器与终端盒的装配图 图2 1 5v f t o 测量试验装置示意图 f i g t n e 2 1 5 d e t a i l s o f t e s t s e t u p f o r v f t o m e a s m e m e n t s & ) c o m l e c t i o f h vp r o b et od i g i t a ls c o p e b ) m e c h a n i c a la s s e m b l i n go f h vp r o b et o 佃弧i i l a lb o x 1 7 重庆大学工程硕士学位论文2 快速暂态测试技术 2 4 2 高压探测器 用l c c r o yp p e 2 0 k v 高压探测器测量来自电场电极的v f t o ，如图2 1 6 所示： 技术规格t 模拟频宽：1 0 0 m l t z 基本衰减 - 6 0 d b 输入阻抗；5 0 m n 输入电容：( 2 p f 绝缘水平：4 0 k v p ：2 0 k v a c 图2 1 6l e c r o yp p e 2 0 k v 高压探测器的技术规格 f i g u r e2 1 6t e c h n i c a ld 碍聪嵋怔l 伽c so f h v 印r o b e l e c r o yp p e 2 0 k v “日t 】f c e ：l e c r o yl t d ) p p e 2 0 k v 的传递特性没有表明频率超过i o o m h z 时的高压探测器的低通特性， 因此，必须通过分别限制频宽来防止两者的混淆。数字示波器终端限制频宽的滤波 器，可以防止频宽达到2 0 0 m h z 和2 5 m h z 。p p e 2 0 k v 的传递特性l e c r o y 示波器的 高输入阻抗特征相一致。 2 4 3 数字示波器 为了减少v f f o 试验操作的次数，试验中使用具有大记录长度的频宽测量器。 因此，选择了具有大存储量的高频宽数字示波器( d s o ) 。l e c r o yl c 5 8 4 a l 数字示 波器的技术性能如图2 1 7 所示： 技术规格： 模拟频宽：i g h z 采样率f2 0 s s ( 方波) s g 躐单渡) 内存：孙驴州方波) 赫桩7 c h 【单波) 输入阻抗；5 l i m o 输入电容： l o m h z ) 。另外，基于变压器和 导体的互感谐振频率也会不同，主要影响频谱密度函数的中频成分( 数千h z ) 。 操作8 2 1 1 1 开关产生的相关谐波有1 4 组，5 2 2 3 6 开关有2 0 组( 图5 2 3 ) 。后者 的信号带宽约高出4 m h z 。操作5 2 2 3 6 开关产生的信号总能量分布于直到5 5 m h z 的众多谐波上，这种情况对变压器的电应力更小。 g i s 母线运行方式 在时域分析中，g i s 母线的运行方式对信号特征的影响并不明显，以下将用谐 波的方式进一步分析。 f 孑 圣 煮 喜 ； f n m l t a m o f 狮 目+ 图5 2 4 g i s 合母和分母运行方式的v f t o 频谱比较 f i g u r e5 2 4c 姗僻曲跏o f v f t o s t r i k es p e c t r u mf o rb u s b a rc o n 五g u r a t i o nn o 1 a n dn o 2 ( c s l - a - d e c a l 6 惟c s 3 - a d c c ，0 7 ) 这两个v f t o 脉冲都包含大量的谐波。由于这两个信号的带宽相似( 5 6 5 舭) ，其信号功率也是相似的。频谱密度函数的形状在低于2 0 m h z 时非常相似， 当频率高于2 0 瑚z 时，有一定差别( 图5 2 4 ) 。 g i s 合母运行方式的相关谐波有1 4 组，分母运行有2 0 组。对于合母运行方式， 谐波m 4 、m 9 、m l l 、m 1 9 、m 2 l 、m 2 5 ( o 4 5 、2 1 5 、2 7 6 、1 4 0 、3 4 7 、5 4 m h z ) 出现的较少。 重庆大学工程硕士学位论文 5 测量结果与分析 ： ； ： ： 7 了。o a o o 一一：一：! i i ：二一一s 3 - 柚c c - 0 7 ) ： = = = = ：篆 i 11 01 0 01 0 0 0 v f t op e 绯i n t e g r a jl d 吣m h z l 一 图5 2 5 不同运行方式的v f o 频谱密度峰值和累积峰值的分布 f i g u r e5 2 5d i s t r i b u t i o no f s p c 曲面d e n s i t yp e a kv a l u e sa n dp e a kh a t e g r a lv a l u e sf o rv f t os t r i k e so f b u s b a