（电气工程专业论文）变压器局部放电定向耦合监测校正方法及小波去噪的研究.pdf

重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t o n - l i n ep dm o m t o r i n go fp o w e rt r a n s f o r m e ri sp r e s e n t l yt h er e s e a r c hh o t s p o ti n t h ea r e ao fh i g hv o l t a g ei n s u l a t i o nm e a s u r e m e n ta n dd i a g n o s i s d u et ot h ew e a k n e s so f p ds i g n a l sa n db i g n e s so fi n t e r f e r e n c e s ，t h ee x t r a c t i o no fp dp u l s e sf a c e sm a n y d i f f i c u l t i e s t h ed e v e l o p e dt e c h n i q u e s ，谢t i ls o m ea c h i e v e m e n t ，h a v en o tm e tt h e d e m a n do f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ny e t a i m i n ga tt h ep r e s e n tp r o b l e m s ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ep ds i g n a le x t r a c t i o no f p u l s ec u r r e n tm e t h o d ( p c m ) i nt w od i r e c t i o n s ：q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n ta n d i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n f i r s t l y , t h e o r e t i c a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hw o r ki sc a r r i e do u to nr e s o n a n t n o n m a g n e t i cc o r er o g o w s mc o i lc u r r e n ts e n s o r , w h i c hi su s u a l l yu s e di np dm o n i t o r i n g o ft r a n s f o r m e r t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs e n s o rw a sd e s i g n e da n di t st r a i l s f e rf u n c t i o n w a so b t a i n e dt h r o u g ht h e o r e t i c a l l ya n a l y s i s u s i n gs o f t w a r es a b e r ，t h ee f f e c t so fc o i l n u m b e r , p a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t a n c ea n dl o a d i n gr e s i s t a n c eo nt h ef r e q u e n c y r e s p o n s e so fp ds i g n a l sa n dt h es e n s i t i v i t yw a ss t u d i e d ；t a k i n gt h el o c a l ea p p l i c a t i o n i n t oa c c o u n t , t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec u r r e n ts e n s o ru n d e rt h el a r g ep o w e r c u r r e n ta n dl i g h t n i n g p u l s ec u r r e n tw a se n s u r e d t h ed i r e c t i o n a lc o u p l i n gm e a s u r e m e n t ，w h i c he m p l o y e dr e s o n a n tn o n m a g n e t i c c o r ec u r r e n ts e n s o rt oi n d u c es i g n a lf r o mh vb u s h i n g ，w a sf i r s tp r e s e n t e d t h e i m p e n d e n e ec h a r a c t e r i s t i c so fs u b s t a t i o nn e t w o r ka r ea n a l y z e dt ob u i l dt h ee q u i v a l e n t c i r c u i t , w h i c hi su s e di np dq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n to f t r a n s f o r m e r s i n t e r f e r e n c er e j e c t i o na n dr e c o g n i t i o ni sn e c e s s a r yt oa c q u i r et h er e a lp dp u l s e b a s e do nt h ea n a l y s i so f w a v e l e td e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p ds i g n a l sa n dw h i t e n o i s e ，t h ew a v e l e ts h r i n k a g ed e n o i s i n gi sa n a l y z e di no r d e rt od e c r e a s et h ed i s t o r t i o no f p d p u l s ec a u s e db yn o i s er e m o v a l o p t i m a lw a v e l e ts e l e c t i o nf o rp df e a t u r ee x t r a c t i o n i ss t u d i e d a sc a r lb es e e nf r o mt h es t u d i e dr e s u l t s t h ep ds nr a t i oi si n c r e a s e da n dt h e d i s t o r t i o no fp dp u l s ec a u s e db yn o i s er e m o v a li sd e c r e a s e dw i t ht h el e v e l d e p e n d e n t t h r e s h o l d i n g t h em e t h o di se f f e c t i v ef o rt h ee x t r a c t i o no fp ds i g n a l s k e y w o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) ，o n l i n em o n i t o r i n g ，d i r e c t i o n a lc o u p l i n g ， i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c ，w a v e l e ts h r i n k a g e 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 变压器局部放电在线监测的意义”副 随着国民经济的迅速发展，我国对能源的需求，特别是对电能的需求不断增 加。电力系统电压等级的提高使电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的 大型电气设备( 如发电机、变压器) 和小型设备( 如电力电容器、绝缘子等) 一 旦发生故障就会引起局部甚至全地区的停电，给国民经济其他部门的生产和运作 造成严重的不良后果。为了保证电气设备绝缘安全可靠运行，一方面要采用良好 的绝缘材料，改造制造工艺来提高设备的绝缘强度和质量，更重要的一面，就是 要对运行中电气设备的绝缘状况进行监督，随时掌握设备的运行情况。 随着电力工业的发展，电气设备绝缘的检修维护经历了事故后维修、预测性 维修和预防性维修三个阶段，它们统称为计划性维修。长期的工作经验表明，不 论是最初的事故后维修，还是较为成熟的预测性维修，计划性维修都存在着很大 的局限性，极不利于电力系统超高压、自动化的发展要求，主要表现为：计划 性维修的试验条件与电气设备的运行环境存在着较大的差别，设备在实际运行电 压要比试验电压( 一般不超过1 0k v ) 高的多，预防性试验很难全面发现绝缘潜在 的缺陷和故障；由于在预防性试验的周期内也可能发生事故，计划性维修存在 绝缘故障漏报的可能；计划性维修费时、费力，不利于电力系统的自动化； 从经济上看，定期的试验带来的停电，对国民经济会造成一定的影响，定期的大 修也需要大量的资金。因此，计划性维修体系已逐渐无法满足更高的供电可靠性 要求。 现代科学技术的发展，特别是传感器技术、信息处理技术、计算机技术的发 展，使得人们对电气设备的运行状态进行实时的监测成为可能，据此，与计划性 维修相对应，人们提出了“状态维修”的概念。作为状态维修的技术基础，电气 设备绝缘在线监铡技术受到了高度的重视，成为了当今高电压技术研究领域的新 课题。电气设备绝缘在线监测技术是采用高灵敏度的传感器来采集能反映运行中 电气设备绝缘信息，用计算机来处理信息进而获得设备的绝缘状况，它具有如下 优点：在线监测能及时发现设备的早期缺陷，防止突发性事故的发生，提高设 备运行的安全性和可靠性；可减少不必要的停电试验，避免传统试验对电气设 备由于“过度检修”而造成的损失，延长了设备的使用寿命；在线监测可以获 得离线检测无法得到的信息，为判断电气设备的运行状态提供了充分的信息；因 此，以在线监测为基础的状态维修体系代替计划维修体系已经是发展趋势。 重庆大学硕士论文 1 绪论 大型电力变压器是电力系统中最重要，最昂贵的设备之一，对变压器实施绝 缘状态在线监测具有十分重要的意义。据统计，我国11 0 k v 及以上电压等级的大 型变压器的事故中5 0 是匝绝缘事故，且几乎都是在正常工作电压下损坏的l “。变 压器的内绝缘结构主要是油纸绝缘，变压器在工作电压下的局部放电是使油纸绝 缘老化并发展到击穿的重要因素1 3 1 。油纸绝缘中的局部放电往往是从其中的气泡、 杂质、导体表面的毛刺以及油隙等处开始发生的。导致变压器绝缘中产生气泡的 因素主要有：一是变压器绝缘结构和制造工艺上的缺陷，如在变压器固体结构中 由于浸渍不善而残留的气泡，或局部电场过高，油在高电场作用下析出气体，局 部过热使固体和液体分解产生气体等；二是变压器在长期的运行过程中绝缘材料 的老化、劣化，如绝缘受潮，其中的水分在过热点汽化成气泡，或水分在高电场 作用下电解产生气泡。由此可见，局部放电既是变压器绝缘劣化的征兆，又是变 压器绝缘劣化的原因，测量局部放电能有效地发现变压器内部绝缘的固有缺陷和 因长期运行使绝缘老化而产生的局部隐患。因此，国内外普遍认为测试局部放电 是能够及时发现变压器潜伏状故障的重要手段。 据日本有关资料报道【4 】，由于设备运行状态在线监测及故障诊断技术的应用， 使每年维修费用减少2 5 - 5 0 ，故障停电时间减少7 5 。 1 2 变压器局部放电在线监测技术研究的现状 在设备运行的条件下发生局部放电时，伴随着出现声、光、化学、电磁辐射 等各种物理现象，并且油中放电还会分解出气体，产生能量损失，引起局部过热。 因此，局部放电检测方法根据监测物理量的不同可分为：脉冲电流法1 5 。j 、超声波 法【8 、化学分析法【1 0 1 、超高频检测法【1 1 , 1 2 1 等。脉冲电流法灵敏度高、实现方便且 可标定放电量，是目前广泛采用的方法，下面从三个方面介绍局部放电在线监测 中脉冲电流法国内外研究的一些基本现状及其存在的问题。 1 2 1 电流传感器的设计和检测点的选择 变压器局部放电在线监测系统中，电流传感器的作用是将局部放电脉冲信号 从试品中提取出来，其性能的好坏决定了整个在线监测系统性能的优劣，它是在 线监测系统中不可缺少的重要组成部分。针对局部放电在线监测的要求，国内外 对信号采集用的电流传感器做了大量的研究1 1 3 j 5 1 。 传统的定期离线局部放电测量主要采用标准耦合电容器和检测阻抗作为电流 传感器。在线监测是在变压器带有运行高压的现场进行的，为了不改变变压器的 运行接线方式，显然不能将耦合电容器及检测阻抗直接入变压器的高压回路中； 为了使在线监测系统与变压器之间没有直接的电的联系，必须采用电磁耦合的方 式。罗氏线圈与被测变压器仅有磁耦合，而无电气连接，符合在线监测的要求， 重庆大学硕士论文1 绪论 实际应用中以罗氏线圈作电流传感器的较多。目前，在线监测局部放电一般采用 的带铁心罗氏线圈或高频电流互感器。空心的罗氏线圈用于检测局部放电的研究 较少，但由于其有较好的运用前景，已引起人们的重视【1 6 1 。 研究表明【1 7 1 ，监测频带上限频率小于5 0 0 k h z 时，高压引线是最佳的监测点。 而以往的在线监测系统用电流传感器从高压套管末屏、油箱、中性点、铁心等的 接地线耦合局部放电信号，无高压引线的信息。 1 2 2 变压器局部放电在线标定的研究 视在放电量的标定是利用脉冲电流法进行变压器局部放电在线监测的前提。 目前对变压器局部放电在线监测系统的标定主要有两种方法，离线标定和在线标 定。 为确定被试设备局部放电的视在电荷量，可按i e c 推荐的方波定量法进行校 正。该方法要求在离线情况下。从被试设备两端注入一个标准瞬变电荷后，对测 试电路进行校正，最后通过比较确定被试设备的视在电荷量。由于要求被测变压 器处于停电状态，且保持和运行状态相同的接线方式，因此无法经常对监测系统 进行校正。 为此，有必要寻求在变压器运行过程中进行在线标定的方法。文献【18 】对在线 校正的方法进行了研究，推荐了两种方法：阻抗法和耦合法。阻抗法的基本原理 如图1 1 所示，在被试设备的接地线上串入一个小阻抗r ，r 两端并联一个快速 转换开关置，以5 0 h z 频率动作，则在r 两端产生脉冲e e 压( c ，为被试设备的等值 电容，c 。为与该设备相联的线路及设备的等值电容，z 。为检测元件) ，通过控制k ， 可使r 两端的脉冲电压满足i e c 对校正电压波形的要求。耦合法的原理如图1 2 所示，其中c ，、q 、乙与图中相同，校正电压信号经过罗戈夫斯基线圈耦合 到被试设备的地线上。根据电磁感应定律，该地线上将产生个感应电压a u ，此 电压与该设备等值电容c 可构成校正电荷，相当于从设备两端注入了电荷量为 c ，“的校正电荷。试验结果表明，阻抗法、耦合法的校正结果与i e c 推荐的方 波校正结果吻合。但这些方法操作复杂，实现困难，均不理想。 重庆大学硕士论文1 绪论 u k c 。 图1 1 阻抗法原理 f i g 1 it h e t h e o r y o f i m p e n d e n c e m e t h o d r d u u 图1 2 耦合法原理 f i g 1 2 t h et h e o r yo f c o u p l i n gm e t h o d ( a ) 接线图 r o 地 ( b ) 原理图 图1 3 套管末屏注入法电路翻 f i g 1 3 t h ec u r r e n to f b u s h i n g t a p i n j e c t i o n 相比而言，套管末屏注入法【1 9 l 操作简便，无需改变设备运行条件，是相对较 合适的一种在线标定方法。其基本原理如图1 3 所示。打开高压套管末屏，将方波 发生器通过屏蔽电缆接在末屏抽头和外壳之间，利用套管主电容g ，( 一般在 2 0 0 p f 6 0 0 p f 之间，满足g ， 、z ( 2 c ) 时， r l c 型检测阻抗上的输出波形可用式( 2 2 ) 来描述。 u 严( 垆毒岂诡妙u e 。啦。c o s ( ( 2 2 ) 从u 严和u 严可以看出，衰减时间t 。控制两个局部放电脉冲波形的衰减国决 定了r l c 型电路输出脉冲的谐振频率。假设寄生电路参数可控，那么通过适当的 1 0 重庆大学硕+ 论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 选取r 和c 的量值，可以把宽带检测阻抗的时间参数设定在纳秒级。r c 型和r l c 型检测电路的典型p d 脉冲波形如图2 3 所示。 ( b ) 时间( u s ) 图2 3 典型的局放脉冲波形( a ) r c 型( b ) r l c 型 f i g 2 3t y p i c a lp dp u l s es h a p e s 2 。3 电流传感器的研究 为较好的虑除干扰并有效提取放电信息，在2 2 0 k v 变压器局部放电在线监测 系统每相高压套管末屏接地线上安装一小磁芯高频电流传感器t 2 ( 宽带型) ，还在高 压出线套管底座法兰处安装一大尺寸空心罗氏线圈电流传感器t l ( 谐振式) 。 2 3 1 谐振式电流传感器的等值电路及传递函数 研究表1 t 珥1 4 3 1 ，单纯的罗氏线圈和自积分式罗氏线圈不适合于在线监测变压器 局部放电。为了提高检测的灵敏度，同时为了提高抗干扰能力，使电流传感器具 有选频特性，作者选择由罗氏线圈外并电容、电阻组成谐振式电流传感器。罗氏 线圈的外形结构如图2 4 ( a ) 所示，图2 4 为罗氏线圈外并电容、电阻组成谐振式 电流传感器的等值电路。 ( a ) 罗氏线圈结构 ( b ) 等值电路 图2 4电流传感器的结构和等值电路 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i to f c u r r e n ts e n s o r 其中：为线圈的互感；工为副边线圈的自感；原边线圈的自感很小，可忽 略不计；c 为线圈的外并电容，线圈的等效杂散电容与c 相比可忽略不计；r 为线 囱 键 重庆大学硕士论文 2 局部放电在线监测电流传感器的研究 圈的等效电阻；r 为线圈的负载电阻；“o ) 为由于互感产生的电势：u o ( 0 线圈负 载电阻上的电压，互感m 和自感按下式计算 m ：竿 ( 2 3 ) f 妒竽 ( 2 4 ) 根据图1 所示等效电路，可以建立该电路在频域内的传递函数白) 为： h 白) = 再j 面j 再c o m r 面甬丽 脚卜羔陌一1 ( 2 6 ) 烈功= a r g t a i l 篙 ( 2 7 ) c 矾l + 直，l 当脚= j 兰盖时，可以得到传感器的灵敏度为： k = 旧( 国) i 一= i i m 瓦r 石 ( 2 8 ) 相应的谐振频率 = 去墨基，由于一般r r ，故 五= 五1 丽 ( 2 9 ) 2 3 2 线圈各参数对传感器频率特性的影晌 上面的理论分析所得公式比较繁琐，为了更清楚地研究传感器各参数对频率 特性的影响，在s a b e r s k e t c h 开发环境中，按照电流传感器的等值电路模型来编辑 模拟电路，运用s a b e r 工具分析各参数的变化与输出频率特性的关系。根据自行研 制传感器的具体结构尺寸，由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 计算有m = 4 2 1 0 。4 n a h ， 三= 4 2 1 0 4 n 2 a h 。先确定各参数的基准值为：n = 4 0 0 ，m = 0 1 7 越， l = 0 0 6 8 m h , r = l q ，r = l k f ，c = 1 0 0 0 p f ，其中，= l q 是根据文献 4 4 】，为简 化计算，忽略临近效应，仅考虑集肤效应时的电阻。在第一步的交流小信号分析 中，当其中一个参数变化时，其他参数均保持以上值不变。 1 2 重庆大学硕士论文 2 局部放电在线监测电流传感器的研究 线圈匝数对频率特性的影响 图2 5 中分别是n = 2 0 0 , 4 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 匝时仿真得到的传感器幅频、相频频率特 性。从图中可以看出，在谐振点相频曲线陡然从+ 9 0 变为一9 0 + ；随匝数增多，谐 振频率逐渐减小：匝数越大，上和m 越大，通带越宽，通带增益即灵敏度降低； 当减小时，通带减小，灵敏度增加，同时相位变化的线性度越好。 t ( h z ) f ( h z ) ( a ) 幅频特性 ( b ) 相频特性 图2 5 线圈匝数对幅频和相频特性的影响 f i g 2 5i n f l u e n c e so f c o i lc i r c l en u m b e ro na m p l i t u d ea n dp h a s e c h a r a c t e r i s t i c s 并联电容c 对频率特性的影响 并联电容c 对传感器频率特性的影响如图2 6 所示，显然随着c 的增大，谐振 频率逐渐减小，谐振点处的幅值基本保持不变。当信号频率小于谐振频率时，幅 频特性曲线是线性增加的，相频特性曲线一直保持在+ 9 0 ，在谐振点处幅频特性 曲线达到极大值，相移从+ 9 0 变为一9 0 。 尽 10 k1 0 0 k1 o k 1 m e g 1 0 m e g f ( h z ) ( a ) 幅频特性 ( b ) 相频特性 图2 6 并联电容对幅频和相频特性的影响 f i g 2 6i n f l u e n c e so f p a r a l l e lc o n n e c t i o nc a p a c i t a n c eo na m p l i t u d ea n dp h a s ec h a r a c t e r i s t i c s 并联电阻r 对频率特性的影响 1 3 重庆大学硕士论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 由图2 7 可以看出，负载电阻月的变化对谐振点的频率无影响，主要是影响谐 振点处的幅值。电阻胄越小，对谐振点处的谐振阻尼就越大，此处的幅值就越小， 同时月较小可以使谐振点处的相频特性变得较为平坦：电阻r 越大，传感器的通 频带越窄，灵敏度越高，但脉冲分辨率变差。 ( a ) 幅频特性( b ) 相频特性 图2 7 负载电阻对幅频和相频特性的影响 f j g 2 + 7i n f l u e n c e so f l o a d i n gr e s i s t a n c eo na m p l i t u d ea n dp h a s ec h a r a c t e r i s t i c s 2 3 3 仿真与实测结果分析 设计谐振式罗戈夫斯基线圈时，从检测频率及灵敏度等各方面考虑，必须合 理地选择、c 、r ，而、c 、r 的选择由选定的带通特性决定。综合考虑变压 器绕组的容性频带及以上用s a b e r 对传感器各参数仿真分析的结果，针对2 2 0 k v 变 压器高压套管自行研制了一套传感器：n = 4 0 0 匝，r = 1 0 0 0 d ，c = 1 0 0 0 p f ，图 2 8 和图2 9 分别为传感器频率特性的仿真和实测结果。可见仿真与实测结果形状 基本一致，只是谐振点少有差异。差异的原因是由于仿真仅部分等效了传感器， 未考虑实际匝间分布电容、引线阻抗、测量仪器等引入的误差。 m 1 0 k 1 0o k1 0 00 k1 m e g1 0 r n e g f ( h z ) ( a ) 幅频特性 f ( h z ) ( b ) 相频特性 图2 8 传感器t l 频率特性仿真结果 f o g 2 8s i m u l a t i o nr e s u l t so f f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sf o rs e n s o rt 奇p)坤日l正 重庆大学硕士论文 2 局部放电在线监测电流传感器的研究 赫车c 如， 壤率c * t j ( a ) 幅频特性( b ) 相频特性 图2 9 传感器t l 的频率特性实测结果 f i g 2 9t h em e a s u r e dr e s u l t so f f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sf o rs e n $ o rt 1 关于一次测( ，) 电路参数对二次测上述参数的选择是否产生影响的问题，文献 【4 3 】中进行了分析、计算和实测。图2 1 0 是用传感器监测局部放电时一次和二次测 完整的等值电路，计算、实测u ( f ) 和“问传递函数的幅频特性可知，在工程实际 的条件下一次测的参数基本上不影响传感器参数的选择，传感器的谐振频率主要 有式( 2 9 ) 所确定。图2 1 0 中：c 。一待测设备等值电容，c 。一和设备并联的等值耦 合电容，u c 。内部发生局部放电时在其两端出现的脉冲电压，厶一高压套管 导杆的等效电感，f i 一变压器内部产生局部放电时流过高压套管导杆的脉冲电流， 厶、e 、r 一传感器的自感、调谐电容和阻尼电阻。 i 1 百卜i 图2 1 0 谐振型传感器监测局部放电时的等值电路 f i g 2 1 0t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tf o r m o n i t o r i n gl o o po f r e s o n a n ts e n s o r 2 3 4 宽带型电流传感器的频率特性 宽带型电流传感器大都采用磁芯作为芯棒，由于磁芯式高频电流传感器的研 究较多1 1 3 , j4 】，在此不再对其频率特性进行详细的阐述。本文实际采用的传感器的 磁芯为m x o 。2 0 0 0 型软磁铁氧体，其相对磁导率为2 0 0 0 ，线圈匝数为1 5 匝，传感 器的形式为由线圈外并电阻组成的宽带型电流传感器。图2 1 l 和图2 1 2 分别是传 感器的仿真和实测频率特性。从图中可以看出，仿真与实测结果较吻合，且传感 器具有较好的幅频特性。 重庆大学硕士论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 ) n a 曰 m 已 日 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 _ 2 0 0 10 k 1 0o k1 0 0o k1 m e g1 0 m e g 1 0 k1 0o kt 0 00 k1 m e g1 0 m e g f ( h z ) k h z ) ( a ) 幅频特性( b ) 相频特性 图2 11 传感器t 2 的频率特性仿真结果 f i g 2 1 ls i m u l a t i o nr e s u l t s o f f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s f o r l 2 ( a ) 幅频特性( b ) 相频特性 图2 1 2 传感器t 2 的频率特性实测结果 f i g 2 1 lt h em e a s u r e dr e s u l t so f f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sf o r1 2 2 3 5 传感器的响应特性 为了验证传感器模型及参数选择的正确性，在传感器的原端输入模拟原始局 部放电脉冲叩，如图2 1 3 ( a ) 所示，其上升时间为5 n s ，下降时间为5 0 n s 。传感器 的响应如图2 1 3 ( b ) 和图2 1 3 ( e ) 所示，从仿真结果来看，传感器具有比较好的响应 特性。另外与离线检测阻抗的响应特性的对比也能看出，设计的传感器能够很好 地提取局部放电信号。 0 v 蜒 脚 0 02 0 0 n4 0 0 n6 0 0 n 时问( s ) ( a ) 原始局放脉冲 0 、一 趟 铆 1 6 o 02 0 0 n4 0 0 n6 0 0 n 时间( s ) ( b ) 传感器t 2 检测的局放信号 重庆大学硕士论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 令 v 出 捌 00 1 0 u 2 0 u 时河( s ) ( c ) 传感器t i 检测的局放信号 图2 1 3 原始局放脉冲和传感器检测的局放信号 f i g 2 1 3o r i g i n a lp dp u l s ea n dp ds i g n a lo b t a i n e db ys i m u l a t e ds e n s o r 2 4 传感器灵敏度及线性度分析 2 4 1 灵敏度分析 为了比较参数m 、工、c 和r 对谐振式电流传感器灵敏度量的影响程度，下 面用s a b e r 对传感器个参数进行“灵敏度分析”。 变量，对参数p 的灵敏度定义为： s ：娑。竺( 2 1 0 ) 印印 归一化表示为： 涨了p 石a f ( 2 1 1 ) 仍以前面确定各参数的标准值：n = 4 0 0 ，m = o 1 7 a h ，l = o 0 6 8 m h ， ，= l q ，r = l 舾0 ，c = 1 0 0 0 p f 为基准，运用s a b e r 的s e s i t i v i t ya n a l y s i s 对传感器 的灵敏度世进行仿真分析，表2 1 是各参数在5 、1 0 变化时所得的灵敏度分析 结果。从分析结果来看，参数m 、r 和三对传感器灵敏度的影响最大，参数r 和c 的影响很小。当传感器的尺寸确定后，m 和工由匝数唯一决定，因此，线圈匝 数和外并电阻胄对传感器灵敏度影响较大。 表2 1 灵敏度分析结果 t a b 2 1r e s u l t s o f s e n s i t i v i t y a n a l y s i s s ： pm ( a h )上( ，日)r ( q )r ( q )c ( p f ) f 基准值 o 1 7 0 06 8 o o1 0 0 01 0 0 01 0 0 0 足变化5 2 4 6 4 01 0 0 00 9 4 l o0 9 8 2 0- o 0 1 6 4- o 0 1 6 4 世变化1 0 2 4 6 4 01 0 0 00 8 5 0 00 9 8 3 0- o 0 1 5 4- o 0 1 5 4 重庆大学硕士论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 2 4 2 线性度分析分析 圈2 1 4 电流传感器的响应电压与局部放电量的关系曲线 f i g 2 1 4t h er e l a t i o no f s e n s o ri n d u c ev o l t a g ea n dp d 文献【4 3 】中得出，在变压器高压套管上耦合局部放电脉冲电流信号时，宜采用 谐振式非磁性芯棒的罗氏线圈作电流传感器，它的参数主要取决于带通特性。本 文针对2 2 0 k v 三相变压器研制的电流传感器由罗氏线圈和外并电容、电阻构成， 并将其封装于铝合金制作的屏蔽盒内；从高压套管末屏接地线上耦合信号的传感 器为一小磁芯式高频电流传感器。对大小传感器的线性度进行了实测，得到的电 流传感器的响应电压与通过传感器电量之间的关系如图2 1 4 所示。从图中实测的 结果可知，从高压套管耦合信号的传感器正( 曲线i ) 和从套管末屏接地线耦会信 号的传感器l ( 曲线i i ) 均有良好的线性度和灵敏度。同时从图中可以看出，磁 芯式电流传感器的灵敏度要明显高于空心罗氏线圈电流传感器。 2 5 电流传感器的安装及安全可靠性核算 2 5 1 电流传感器的安装 电流传感器的现场安装应给予高度的重视，因为这不仅关系到传感器的运行 安全性和可靠性，也关系到传感器的检测灵敏度和抗干扰能力。 根据现场情况，电流传感器可套装在高压套管及其末屏接地线上、绕组中性 点接地线和铁心接地线上。出于以下几点考虑，变压器在线监测系统选择在高压 套管底座发兰处安装一大尺寸谐振式空心罗氏线圈电流传感器，同时在高压套管 末屏接地线上安装一小磁芯式电流传感器。 研究表明【i6 1 ，检测频带上限频率小于5 0 0 k h z 时，高压引线是最佳的监测 点。而以往的在线监测系统用电流传感器从高压套管末屏、油箱、中性点及铁心 等的接地线上耦合放电信号，无高压引线的信息。 用安装于高压套管上的大传感器z 和套管末屏接地线上小传感器毛鉴别 重庆大学硕士论文 2 局部放电在线监测电流传感器的研究 脉冲极性【1 5 1 可在线识别变压器内部局部放电。 利用定向耦合差动平衡法 4 3 1 ，可在线抑制来自变压器外部的电磁干扰。 套装在高压套管上的传感器尺寸较大，应该牢固固定。套装于末屏接地线上 的电流传感器体积小，易于安装在变压器壳体上，输出电缆的走向和固定也十分 重要，应该避免挤压和振动摩擦。 圈2 1 5 传感器实际安装图 f i g 2 1 5 t h ea a u a l f i x i n g o f s e n s o r 传感器在安装前，封装于铝制屏蔽盒内，并用环氧树脂填充，这样，传感器 特性可保持稳定。铝制屏蔽盒的作用主要有两个：一是对罗氏线圈起支撑作用； 二是对空间电磁干扰起屏蔽作用。沿屏蔽盒内侧周向开有一小缝隙，此缝隙的作 用是阻断屏蔽盒切面周向的涡流回路。安装于高压套管最末一个伞裙与法兰之间 的传感器的实际安装见图2 1 5 所示。套装在套管末屏接地线上的传感器封装外壳 比较简单，而且易于加工和安装，在此不再阐述。 2 5 2 传感器z 的安全可靠性核算 当从高压套管处用罗氏线圈耦合信号时，高压套管内导杆载有正常工作的工 频大电流，其值可高达数百安培：该大电流产生的工频磁场在罗氏线圈内会感应 出工频电动势，如果该电动势过高，长期作用导致发生过热，则会对监测系统造 成危害，这是从高压套管处耦合信号与从地线耦合信号两种取信号方式的重要不 同之处。同时，在变电站和线路遭雷击时，虽然有进线段及避雷器等保护措施， 但仍然有较强的具有一定陡度的电流、电压波侵入变压器；当侵入波沿高压套管 导杆进入变压器时，同样会在罗氏线圈中感应处电动势，若这种电动势过高，则 会对监测系统甚至人身安全造成威胁。因此，有必要在工频大电流及雷电波侵入 下对安装于高压套管处的大尺寸电流传感器进行核算。 工频大电流下的核算 首先确定长期工频大电流流过高压套管时，罗氏线圈中感应电动势的大小。 重庆大学硕士论文 2 局部放电在线监测电流传感器的研究 设罗氏线圈中的感应电动势为e ，则有 p ：肘旦f 2 1 2 1 出 其中m 为套管导杆与罗氏线圈之间的互感，i 为导杆中流过的工频电流， f = a - s i n ( 耐+ 0 0 ) ( 2 1 3 ) 4 为工频电流的幅值，为角频率，瓯为初相角，c o = 2 矿= 1 0 0 a t ，将( 2 1 1 ) 式代 入( 2 1 2 ) 式有： p = m 要= m a c o e o s ( c a + 0 0 ) ( 2 “) “l 当c o s ( c a + 0 0 ) = l 时，感应电动势e 取得最大值： p 一= m - a ( 2 1 5 ) 式中m 可由( 2 3 ) 式计算得到。 对于2 2 0 k v 电压等级的变压器，高压套管的额定电流分别取6 0 0 a 和1 2 0 0 a ， 罗氏线圈的几何尺寸为：线圈直径为5 0 c m ，截面直径为2 0 c m ，漆包线直径为 0 6 4 r a m ，在两种额定电流下计算得到的感应电动势与匝数的关系如图2 1 6 所示。 从图中可以看出，工频大电流在线圈中感应的电动势是很小的，一般线圈匝数在 1 0 0 0 匝以内，感应电动势可以不予考虑。 城圈匝数堪i ) 图2 1 6 感应电动势与匝数的关系 f i g 2 1 6t h er e l a t i o no f i n d u c ev o l t a g ea n dc o i ln u m b e r 雷电侵入波下的核算 变电站雷害来源有二个：一是雷直击变电站；二是雷击线路时沿线路传过来 的过电压波。因为雷击线路的机会远比雷击变电站为多，故沿线路侵入变电站的 雷电过电压波是主要的雷害。因此，罗氏线圈电流传感器在雷电侵入波下的核算 主要考虑沿线路传来的雷电过电压行波。 以斜角波甜来模拟侵入变电站的雷电波，因罗氏线圈的感应电动势e 为： e = m 罢 ( 2 1 6 ) 对于一个几何尺寸及线圈匝数已确定的线圈，其m 的值已确定，则p 正比于电流 变化率以出，对于斜角波即为其陡度口。核算的目的就是在可能的来波陡度口的 重庆大学硕士论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 情况下，求出感应电动势e 的可能最大值。 图2 1 7 等效电路 f i g 2 。1 7e q u i v a l e n tc i r c u i t 由彼得逊规则得到的线路侵入波的电压行波作用于变压器的等效电路如图 2 1 7 所示，其中乏为传输线路的波阻抗，取4 0 0 q ；c ，为变压器的入口电容，根 据经验取5 0 0 0 p f ；u o = 搿为侵入波的斜角波，口为斜角波的陡度，有等效电路得： 2 u o = i 2 z 。+ l i ：d t ( 2 1 7 ) l ， 两边对f 微分且乩= 甜，得到： 2 a c ，：之c ，i d i 2 + i 2 ( 2 1 8 ) 将初始条件如l 。= o 代入上式解得： i 2 = 2 a c ，( 1 一e4 。) ( 2 1 9 ) 所以罗氏线圈中的最大感应电动势为： p 一= m i d i zl i o = m 等 ( 2 2 0 ) 对于2 2 0 k v 电压等级的变电站，侵入波陡度口= 1 5 k 矿伊1 4 5 】，则 口= 4 0 0 a = 6 0 0 k v 声。计算得到的感应电动势与匝数的关系如图2 1 8 所示。结 果表明，雷电波下的感应电动势较大，传感器应采取限压保护措施。为此，采用 在罗氏线圈两端并联z n o 压敏电阻进行保护，z n o 压敏电阻的动作电压为5 v ，这 样就可以把线圈输出电压限制在5 v 以内，不至于损坏电流传感器的元器件。 譬 意 嚣 脚 翻 鸷 线圈匝数t a ；) 图2 1 8 感应电动势与匝数的关系 f i g 2 1 8t h er e l a t i o no f i n d u c ev o l t a g ea n dc o i ln u m b e r 重庆大学硕士论文2 局部放电在线监测电流传感器的研究 2 6 小结 对谐振式电流传感器进行了理论和仿真研究。论述了罗氏线圈各参数的计 算方法，仿真分析了各参数对传感器频率特性及灵敏度的影响。 讨论了变压器局部放电信号检测点的选择，并确定了传感器的安装方案。 提出了工频大电流及雷电流下电流传感器的核算方法。对2 2 0 k v 电压等级 变压器的计算结果表明，当罗氏线圈匝数在1 0 0 0 匝以下时，工频感应电动势很小， 对电流传感器及监测系统无危害；雷电流下感应电动势较大，电流传感器应采取 限压保护措施。 重庆大学硕士论文3 变压器局部放电在线定量测量方法的研究 3 变压器局部放电定向耦合监测校正方法的研究 3 1 引言 表征局部放电强弱的一个重要参数是其视在放电的电荷量，它有助于比较、 判断设备内部故障的严重程度。为确定被试设备局放的视在电荷量，可按i e c 推 荐的方波定量法进行校正。该方法要求在离线情况下，从被试设备两端注入一个 标准瞬变电荷后，对测试电路进行校正，最后通过比较确定被试设备的视在放电 量。这种方法要求被试变压器处于停电状态，且保持和运行状态相同的接线方式， 无法经常对监测系统进行校正。 为此，有必要寻找在变压器运行过程中进行在线标定的方法。文献 1 7 ，4 5 分别 对在线校正方法进行了研究，提出了阻抗法、耦合法和脉冲电流耦合法，但这些 方法操作复杂，实现困难，均不理想。文献【1 8 】提出了套管末屏注入的在线标定方 法，这种方法操作相对简单，且不需要改变设备运行条件，相比前几种方法而言， 具有一定的工程应用价值，但由于其测量误差较大，现场应用效果仍不理想。 本章在对变压器局部放电在线监测的多端耦合【1 4 , 2 2 1 测量方法研究的基础上， 分析了变压器绕组的频率特性，提出了一种新的变压器局部放电定向耦合监测校 正方法。通过分析变压器的实际运行情况，对变压器绕组及外联网络的阻抗特性 的分析，建立了含有外联网络的变压器局部放电在线定量测量数学和等效电路模 型，并进行了仿真研究。 3 2 传统的局部放电放电量校正方法 z 。 图3 1 直测法的校正接线图 f i g 3 1t h ec o n n e c t i o no f d i r e c t i o nm e e m e m f o rp dc a l i b r a t i o n 确定整个试验回路的分度系数k ( 即试验电路的灵敏度) 称为视在放电量的校 重庆大学硕士论文 3 变雁器局部放电在线定量测量方法的研究 正，校正方式可分为直接校正和间接校正两种。如图3 1 所示，把标准电量q 。= c 。u 。 从试品c ，两端注入，称为直接校正：把标准电量从检测阻抗乙( 见图2 2 ) 两端注入， 称为间接校正。直接校正法是国标g b 7 3 5 4 8 7 局部放电测量推荐的。它是