（高电压与绝缘技术专业论文）电力变压器局部放电超高频检测技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对变压器局部放电超高频电磁波的辐射原理进行了理论分析。研制了用于局部 放电超高频检测的阿基米德双臂螺旋天线，实验和测试表明天线设计合理、性能良好。 利用l a b v i e w 软件平台，设计和开发了基于虚拟仪器的变压器局部放电超高频检测软 件系统。在实验室对不同放电模型的局部放电超高频放电特征进行了实验分析和研究。 另外，本文还对变压器箱体内局部放电超高频信号的衰减特性和传播规律进行了实验研 究。最后，利用单级发射天线作为信号源，对变压器箱体外局部放电的超高频检测进行 了实验研究。本文的工作为变压器局部放电超高频检测技术的现场应用提供了实验基 础。 关键词：变压器，局部放电，超高频检测，阿基米德螺旋天线，虚拟仪器 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h er a d i a t i o no fu l t r a h i g h f r e q u e n c y ( u h f ) s i g n a l se m i t t e df r o m t r a n s f o r m e r s p a r t i a ld i s c h a r g ei ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y at w o - w i r ea r c h i m e d e a np l a n a r s p i r a la n t e n n ai sd e s i g n e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea n t e n n ai sm e a s u r e di nl a b o r a t o r y , w h i c hp r o v e s 也越t h ec a p a b i l i t yo ft h ea n l e n n ai sg o o d as o f t w a r em e a s u r i n gs y s t e mf o r t r a n s f o r m e rp a r t i a ld i s c h a r g eb a s e do ul a b v i e wp l a t f o r mi s d e v e l o p e da n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fu h fs i g n a l su n d e rs e v e r a ld i s c h a r g em o d e l sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e d i n a d d i t i o n ，t h e a t t e n u a t i o na n d p r o p a g m i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fu h fs i g n a l si n t r a n s f o r m e r sa r es t u d i e de x p e f i m e n t a l ly a tl a s t t h ed e t e c t i o ne x p e r i m e n t su s i n ga m o n o p o l ea n t e n n ao fu h fs i g n a l so u t s i d et r a n s f o r m e r sa i ca l s oc a r r i e do u t 。w h i c hw i l l p r o v i d ee x p e r i m e n tf o u n d a t i o nf o ru h fp a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o no ft r a n s f o r m e r t h e w o r kp e r f o r m e di nt h i st h e s i sw i l lh eo fs o m ev a l u ei nt e r m so f t h e o r ya n dp r a c t i c ef o r t h eu h f p a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o no ft r a n s f o r m e r j i a n gq i n g y u n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gz h o n g y u a n k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r ，p a r t i a ld i s c h a r g e ，u l t r a - h i 【g h - f r e q u e n c yd e t e c t i o n ， t w o w i r ea r c h i m e d e a np l a n a rs p i r a la n t e n n a ，v i r t u a li n s t r u m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力变压器局部放电超高频检测技术 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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了谢意。 学位论文作者签名：垫远五日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：毡筮五 日期：趁1 6 ：6 ：趁 导师签名： 日期： 1厶、 乏6 纯 o ；。；。躯 华北电力大学硕士学拉论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 电力变压器作为电力系统中最为重要的电气设备之一，它的运行状况直接关系 到电力系统安全稳定经济运行，电力变压器发生故障将导致大面积停电，致使国民 经济遭受重大损失。据统计电力变压器所发生的事故大多是由于绝缘老化和损坏造 成的，例如对1 1 0 k v 及以上的变压器所发生的9 3 次事故进行分析，结果表明，其中 因绝缘引起的事故占8 1 左右】，而且根据有关数据统计显示我国】o k v 及以上电 压等级的大型变压器的事故中5 0 是匝问绝缘事故【2 i 。随着电力系统的发展和电压 等级的提高，局部放电已经成为电力变压器绝缘劣化的主要原因之一。因此，从某 种意义上来说，变压器运行的可靠性主要取决于其绝缘的可靠性，对电力变压器绝 缘进行监测可以在一定程度上保证电力变压器在整个运行期间具备必要的可靠性。 变压器内部主要为油纸绝缘结构，绝缘的故障常起源于变压器内部的局部放 电，这种局部放电其产生主要有两方面的原因：( 1 ) 在变压器制造和安装过程中潜 伏的绝缘隐患；( 2 ) 在运行过程中产生和发展起来的绝缘缺陷，如雷电冲击或操作冲 击引发内部绝缘弱点产生局部放电，在运行电压下不断发展最终导致故障1 3 1 。可见 局部放电不仅是绝缘老化的现象和表征，同时又是促使绝缘老化的一个重要因素【4 1 。 由于变压器绝缘故障原因大多是变压器内部发生局部放电，其发展使局部绝缘 老化并终致击穿，因此，检测局部放电是变压器绝缘故障在线监测的主要方式。对 运行中的变压器进行局部放电在线检测，了解运行变压器内部局部放电的发展情况 和材料的老化程度，以确保设备的安全运行，这样有利于实现变压器的预知性维修。 而且，通过对变压器局部放电进行在线检测，可以大大减少维修、试验等的盲目性， 并积累变压器可靠性评定所需的大量数据，减少停电损失和维修费用，带来巨大的 经济效益。电力变压器是电力系统重要的输变电设备利用先进的传感技术和计算 机技术，对运行中的电力变压器进行在线检测，能及时取得各种反映绝缘状况变化 的信息，并对其进行全面处理和综合分析，监测和诊断故障的类型和故障的程度， 这样可有效避免因绝缘缺陷发展而导致的设备事故。 1 ，2当前国内外的研究现状 局部放电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低部位发生的放电现象， 它表现为绝缘体内掺入物的击穿，液体介质的局部击穿或固体介质局部的沿面放电 等。局部放电过程中会产生各种电现象，如电脉冲、电磁辐射，并伴随有电荷的转 华北电力大学硕士学位论文 移和电能的损耗，同时也会产生各种非电的信息，如产生声波、发光、发热以及产生 一些新的生成物【5 扣】。变压器局部放电检测按检测的物理量性质分为电测法和非电测 法，根据局部放电过程中所产生的各种放电现象，相应的有脉冲电流法、超声波检 测法、红外检测法、化学检测法、射频检测法等检测方法，这些检测方法都有其优 缺点，在现场也得到不同程度的应用，其中常规检测方法主要为脉冲电流法和气相 色谱检测法7 j 。 ( 1 ) 脉冲电流法【8 】脉冲电流法是通过检测阻抗来检测局部放电引起的脉冲电 流信号，从而获得局部放电的基本信息，如视在放电量、放电次数以及放电相位。 脉冲电流法是研究最早，应用最广泛的一种检测方法，i e c 和我国均对此制定了专 门的检测标准，该方法的优点在于灵敏度高，可定量测量局部放电的特征参数。但 由于其受电磁干扰严重，在现场提取电脉冲信号困难，尚未做到在线检测。检测变 压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成，与被测变压器仅有磁 耦合，而无电气连接。电流传感器按频带分为窄带和宽带两种，窄带传感器频率一 般在1 0 k h z 左右，中心频率在2 0 3 0 k h z 之间或更高，具有灵敏度高，抗干扰性强等 优点，但输出波形严重畸变；宽带传感器带宽为1 0 0 k h z 左右或更宽，中心频率在 2 0 0 4 0 0 k h z 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。脉冲电流法是目前国 际上唯一有标准的局部放电检测方法。尽管测量频率低、频带窄、信息量少，但依 据i e c 6 0 2 7 0 标准进行测量，所得数据具有可比性，目前是不可替代的。 ( 2 ) 超声波检测法【5 9 】在电力变压器内部发生放电时，会伴随有超声波能量的 放出，超声波检测法是通过固定在电气设备表面的超声波传感器接收其内部局部放 电产生的超声波信号，其优点在于可避免电磁干扰的影响，便于空间定位，易于实 现在线检测，缺点是放电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的，超声信号 常常因为多种因素影响而失真( 如传播途径、频率、速度相关特性以及不同介质中 的传播衰减等) 。典型的超声波传感器的频带大约为5 0 k h z 到2 0 0 k h z ，超声波测量 主要用于定性的判断局部放电信号的有无，以及结合脉冲电流法对局部放电进行检 测，或直接利用超声信号对局放源进行物理定位。超声波检测法作为主要的辅助检 测法【l ，随着对局部放电超声波测量研究的深入，有可能定量地分析局部放电的强 度，从而形成从检测到定位的局部放电判别标准。 ( 3 1 化学检测法局部放电可导致绝缘材料分解产生新的生成物，通过检测生成 物的组成和浓度，可以判断局部放电的状裂9 1 。局部放电产生的生成物主要包括c 2 h 4 ， c h 4 ，h 2 ，c 0 2 。c 2 h 2 等，放电产生的气体与放电能量是紧密相关的。离线化学检 测方法，即实验室油色谱分析可定期进行油中的气体分析，此方法可以根据局部放 电所分解的气体成分和浓度判断局部放电的模式，但所获得的信息为长期异常现象 产生气体的累加值，对于突发性故障感知能力低。化学方法的在线检测正逐步推广， 2 华北电力大学硕士学位论文 包括变压器油色谱在线检测、变压器油中氢气浓度在线检测、变压器油中乙炔在线 检测等，它们可以反映不同气体的动态特性，具有更好的展现变压器内部变化的潜 能，但是这个知识体系是随现场经验的增多而逐渐积累起来的，需要时间、精力、 资金和创造力。化学检测是一种定性检测法，不能反映突发性的早期潜伏性故障， 如围屏放电、主绝缘放电这类对变压器绝缘造成极大危害的流注型放电。 ( 4 ) 红外检测法红外检测是基于放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像 原理实现热点测量。由于变压器结构和传热过程的复杂性，要利用红外成像方法直 接检测位于变压器本体内部的局部放电是十分困难的【9 1 。目前变压器红外检测主要 是针对变压器外部故障，如导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和 变压器套管故障等。 ( 5 ) 射频检测法其基本原理是利用罗哥夫斯基线圈从变压器的中性点处提取 信号，信号检测频率可达3 0 m h z 。射频检测法具有测试系统安装方便，检测设备不 改变电力系统的运行方式等优点i _ ”，但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局 部放电信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干扰。 1 3 变压器局部放电超高频检测技术 随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向着超高频和 超宽频方向发展。局部放电超高频检测是通过超高频天线传感器提取变压器内部局 部放电所产生的超高频信号，从而实现局部放电的检测。局部放电超高频检测技术 作为电气设各局部放电检测的一种新的手段和方法，越来越受到重视，在国内外得 到了较快发展，并在电力设备如g i s 、同步电机、电缆等的检测中得了到初步的应 用【i i - 1 5 。 变压器局部放电由于其绝缘结构复杂，电磁波在传播中会发生多次折反射及衰 减，而且变压器箱体结构也会对电磁波的传播带来不利影响，这就大大增加了超高 频局部放电检测的难度。因此，变压器局部放电的超高频检测还处于起步和发展阶 段。 近年来，荷兰研究人员r u t g e r s ，p e m e n 等人在实验室中对变压器局部放电的超高 频检测进行了一些初步的研究 t 3 , t 6 - 1 8 】，他们的研究结果表明：油中放电上升沿很陡， 脉冲宽度多为纳秒级，能激起i g h z 以上的超高频电磁波。在实验室中他们还对几种 缺陷放电产生的超高频信号进行了研究，并研制了3 0 0 1 2 0 0 m h z 的超高频天线传 感器用于实际变压器局部放电的超高频检测。在研究中，他们将天线传感器插入变 压器事故放油阀中，天线面与油箱壁在同一平面上，所测得的信号通过个波导结 构从变压器导出并送入检测装置。r u t g e r s 等人还对变压器超高频检测的模式识别与 基于超高频检测的变压器状态评估进行了的研究。英国s t r a t h c l y d e 大学的研究人员 3 华北电力大学硕士学位论文 j u d d 等人对变压器局部放电的超高频检测也进行了大量实验研究 1 9 - 2 6 】，他们采用检 波法提取5 0 0 1 5 0 0 m h z 高频放电信号，并进行了现场实测。在传感器安装和试验 过程中，他们在变压器顶部靠近高压侧的箱体上开一介质窗，传感器通过介质窗提 取局部放电信号，并送入频谱分析仪进行分析。此外，法国a l s t o m 输配电研究中 心的k r a j a 等人在实验室对各种典型放电模型局部放电的超高频特性进行了研究 2 7 - 3 0 ，并发明了能够选择干扰最小的频段进行检测的超高频局部放电检测方法，并 据此建立了局部放电模式识别的方法。 在国内，清华大学的陈庆国、王晓宁等人也在实验室对变压器局部放电的超高 频检测进行了研究【3 1 。3 4 】，他们在实验室建立了局部放电的超高频检测系统，对放电 模型在空气和油中的放电特性进行了对比和分析，并对将超高频传感器安置于在变 压器内部引出线附近来检测局部放电进行了研究。西安交通大学的王国利等人，在 变压器局部放电超高频检测的研究中，建立了基于混频技术的检测频带可调的检测 系统及局部放电自动识别系统 3 5 - 3 9 。另外，我校北京校区马晓华、王伟等人也对局 部放电超高频检测进行了研究，对变压器局部放电超高频检测的软件模式识别，以 及基于检波原理的局部放电超高频检测进行了研究【4 2 1 。在变压器局部放电超高频 检测的研究中，国内外研究人员在思路和方法上存在许多的相似之处。 目前，国内外对变压器局部放电超高频检测的研究还主要集中在实验室中，现 场的工作较少，并且检测系统中所用仪器如频谱分析仪、高速数字示波器等不但价 格昂贵且不适合在现场长期运行。而对变压器箱体内变压器油中超高频信号的传播 规律的研究仍不充分，同时也非常有必要对适合变压器现场运行特点的小型化、高 检测性能的超高频传感器进行研究。在局部放电类型判别和检测规程建立等方面， 也需要进行试验研究和经验积累。因此，对变压器局部放电的超高频检测进行研究， 仍需针对上述问题开展工作。 传统的局部放电检测方法，其检测信号的频率一般不超过1 m h z ，而且现场局 部放电检测特别是在线检测，常常会受到各种电磁干扰的影响。当干扰信号与局部 放电信号具有相同或者相似的特征时，被测信号往往被干扰所淹没。而在变压器运 行现场，变电站背景噪声和空气中电晕干扰其频率通常小于4 0 0 m h z 【4 那。因此，在 超高频范围内( 5 0 0 1 5 0 0 m h z ) 提取局部放电产生的超高频信号，外界干扰信号少， 因而检测系统受外界干扰影响小，可以极大地提高变压器局部放电检测，特别是在 线检测的可靠性和灵敏度。此外，由于电力变压器的箱体厚度一般在厘米数量级， 将测量传感器置于变压器油箱内，可有效屏蔽变压器油箱外部空间的各种电磁干扰 信号，进一步提高变压器局部放电检测系统的抗干扰能力。正因为超高频局部放电 检测具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度，用超高频法检测变压器局部放电具有 良好应用前景和工程价值。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 在变压器局部放电超高频检测中，超高频信号的采集、处理以及超高频信号的 放电特征分析是变压器局部放电超高频检测和故障模式识别的关键，本文做的工作 主要如下： 1 研制用于电力变压器局部放电超高频检测的超高频天线传感器，该天线传感 器要求具有较高的检测灵敏度，能实现带宽为5 0 0 1 5 0 0m h z 的局部放电信号检 测，并具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能力。 2 建立满足变压器局部放电超高频检测特点的局部放电超高频检测的硬件系 统和软件系统，设计并开发变压器局部放电超高频检测的软件平台，软件平台必须 具备数据采集、数据预处理、数据存储、数据打开和显示、信号谱图分析等功能。 3 设计并制作变压器局部放电的典型放电模型，并在实验室利用典型放电模型 对局部放电的超高频特征进行研究，并通过对典型放电类型放电特征的研究，以及 基于放电相位特征的模式识别研究，提出适合局部放电超高频检测的故障模式识别 方法。 4 。对变压器局部放电辐射的超高频信号在传播中的衰减规律进行理论分析，对 变压器油纸绝缘及绕组环境中超高频信号的衰减规律进行实验研究，并对变压器箱 体内外超高频信号的检测进行实验分析和研究。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章局部放电及其超高频传感器的研究 2 1局部放电产生的原因 在电气设备的绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的 电场强度达到该区域的击穿场强时，该区域就会出现放电，但放电并没有贯穿施加 电压的两导体之间，即整个绝缘系统尚未击穿，这种现象称之为局部放叫6 1 。产生 局部放电的条件取决于绝缘介质中的电场分布和绝缘的电气物理性能，通常局部放 电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生的。 造成变压器内部电场不均匀的因素很多，概括起来主要有：( 1 ) 电气设备的电 极系统不对称，如针板、油楔等，以至绝缘体各区域承受的电场不均匀：( 2 ) 介质 不均匀，如气体一固体复合绝缘、液体一固体复合绝缘，以及固体一固体复合绝缘 等，由于交变电场下介质中的电场强度与介电常数成反比，因此介电常数小的介质 中的电场强度高于介电常数大的：( 3 ) 绝缘体中含有气泡或其他杂质，因为气体的 相对介电常数接近与1 ，固体、液体介质的相对介电常数都要比它大一倍以上，而 固体、液体介质的击穿场强一般比气体介质的大几倍到几十倍，因此绝缘体中有气 泡是产生局部放电的最普遍原因；( 4 ) 高场强中存在电位悬浮的金属体，在该处出 现很高的电位差。 变压器的液体一固体的组合绝缘性能比较好，但也难以完全消除微量的气泡， 即使在制造已去除了气泡，但在运行过程中，由于热胀冷缩，不同材料特别是导体 与介质的膨胀系数不同，也会逐渐出现裂缝；或者在远行中由于有机高分子的老化 分解出各种挥发物，这些都可能使绝缘体中出现气泡或气隙而导致局部放电。 局部放电一般不会引起绝缘的贯通性击穿，但是可以导致电介质( 特别是有机 电介质) 的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘介质电 气强度的降低。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程，对于高压 电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘缺陷相互很好的印证，即 根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。在某种情况下，绝缘的 性能可以按某种最能说明问题的特性来判断，而对于不同设备的绝缘，这些特性可 能各不相同。在多数情况下，综合测量各种局部放电特性可以较客观的评价产品的 绝缘水平。 2 2 局部放电的表征参数 局部放电可以通过多种表征参数来描绘其状态，局部放电表征参数主要有视在 6 华北电力大学硕士学位论文 放电电荷q 、放电相位p 、放电重复率、起始放电电压u ，、放电熄灭电压g 等。e 1 视在放电电荷( q ) 在绝缘体中发生局部放电时，绝缘体上施加电压的两端出 现的脉动电荷称为视在放电电荷，其单位为皮库( p c ) ，视在放电电荷为局部放电的 基本表征参数之一。 2 放电相位伊在外加电压作用下，放电发生的外加电压相位即为局部放电的 相位。在工频正弦电压下，放电相位与放电时刻的电压瞬时值密切相关，放电相位 伊也是局部放电的基本表征参数之一。 3 放电重复率在放电测试时间内，每秒钟出现放电次数的平均值称为放电 重复率，其单位为次s 。当外施电压升高时，局部放电次数增加，放电重复率也随 之增加，放电重复率属于局部放电的累计表征参数。 4 起始放电电压甜。当试品上外加电压逐渐上升，达到能观察到出现局部放 电时的最低电压，即为起始放电电压，其单位为k v 。实际上，起始放电电压“，是 局部放电量等于或超过某一规定低值的最低电压。 5 放电熄灭电压砧。当加于试品上的电压从已测到局部放电的较高值逐渐降 低时，直至观察不到局部放电时，外加电压的最高值就是放电熄灭电压。实际上放 电熄灭电压u 。是局部放电量值等于或小于某一规定值时的最高电压。对于油纸绝 缘，往往是g i u 。，而对于固体绝缘结构，u ，与”。相差不大，固体绝缘内部的放电 还可能出现u 甜。【。 2 3局部放电超高频电磁波的辐射原理 在局部放电产生过程中，每一次局部放电的产生都会发生正负电荷的中和，伴随有 一个陡的电流脉冲，并向周围辐射电磁波。当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较 短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比 较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。 通常变压器绝缘结构中发生的局部放电信号可以看成是由一个点源所发出的【4 ，4 4 1 ， 当电介质某处发生局部放电时，由放电产生的电磁扰动随时间变化，将会产生电磁 波，它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程【4 5 j ： v h ：一+ a d 西 v 啦一詈 ( 2 - 1 ) v b = 0 v d = p 式( 2 1 ) 中，五为电流密度，单位为a m 2 ；p 为激励源，单位为c m 3 。引入 7 华北电力大学硕士学位论文 动态向量位j 和动态标量位伊来分析局部放电产生的时变电磁场，这时麦克斯韦基 本方程组( 2 - 1 ) 变为动态位方程组： v 2j 2 叫五+ v o t 彻+ 肝a t ( 2 2 ) v 2 q ，+ v 型：一旦 0 t占 式( 2 - 2 ) 中，j 为动态向量位，单位为w b m ；p 为动态标量位，单位为v ；占为介 电常数，单位为f r n ；2 为导磁率，单位为h m 。式( 2 2 ) 表示了动态位与激励源p 和 电流密度乏之间的关系，考虑洛伦兹条件： v j = 哪里 (23)0t 以及v = 1 万，则式( 2 2 ) 可化为： 在时变场的无源区域，由于p 和五均为0 ，因此，式( 2 4 ) 达朗贝尔方程成为波 动方程： 考虑体积v 中所有电荷的作用，其解为： 贴出列，：去掣矿 缸拂，：畚掣矿 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 说明局部放电产生的电磁波是以速度v 沿着r 方向传播的，它是时 间与位置的函数，该电磁波的能量以速度v 沿着r 方向分布，即沿电磁波的传播方向 流动 4 6 , 4 7 。 8 4 城专 i i = 撕一扩物一扩。一矿。一伊 一 一 一4 p v v 2 o o = = 办一舻渤一扩。一俨，一伊 一 一 4 妒 v v 华北电力大学硕士学位论文 2 4变压器局部放电超高频传感器的研究 2 4 1 超高频传感器的选择 研究表吲4 ”，局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正比，当只考虑检测仪元件 的热噪声对灵敏度的影响时，用宽频带检测有更高的灵敏度，因此，变压器局部放 电超高频传感器选用宽频带是有利的。在变压器局部放电检测现场，干扰源多且干 扰信号强，这极大地增加了局部放电信号提取的难度。研究表明【4 3 l ，在变压器工作 现场，变电站背景噪声和空气中电晕干扰的频率通常小于4 0 0 m h z 。研究人员还发 现，变压器局部放电所激发的超高频信号能量主要集中在4 0 0 m h z 到1 1 0 0 m h z i 3 2 , 3 3 。 考虑天线内置的需要，因此，选择天线的下限截止频率为5 0 0 m h z ，可以较好地抑 制噪声干扰( 具有固定频率的电台和移动通讯干扰可通过软件加以剔除) ，同时获取 尽量多的放电信息。对于变压器内部的局部放电，到达接收天线的电磁波经多次折、 反射和衰减后已发生畸变，高频分量不易精确提取，因此选择天线的上限截止频率 为1 5 0 0 m h z 。这样既能有效的抑制大部分外部干扰，又能获取尽可能多的放电信息。 本文超高频传感器采用的是阿基米德双臂螺旋天线，它是一种非频变天线1 4 9 l ， 其电性能与频率无关，具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高及可嵌装等优点以及 良好的工程应用价值，适用于变压器局部放电的在线检测。 2 4 2 阿基米德平面螺旋天线的工作原理分析 阿基米德平面螺线的方程为： r = r o + a ( 妒一) 图2 - 1 螺旋天线及坐标系图2 - 2 阿基米德双臂螺旋天线 式( 2 8 ) 中，为曲线上任意一点到极坐标原点的距离，。为螺旋线起始点到原点 的距离，a 为常数称为螺旋增长率，伊为方位角，为起始角。在式( 2 8 ) 中分别令 = 0 0 钆= 万，b p , - i 得到两条起始点分别为a 和b 的对称阿基米德螺线，如图2 2 所示，以这样的两条阿基米德螺线为两臂，在彳、b 两点对称馈电，就构成了阿基 9 华北电力大学硕士学位论文 米德平面螺旋天线。为使天线形成自补结构，以利于实现宽频带阻抗匹配，要求螺 线的宽度等于两条螺线间的距离。 如果从a 、b 两点对天线进行平衡馈电，则从a 点沿一条螺线绕至p 点的长度与从 b 点沿另一条螺线绕至q 点的长度相等，即p 、q 两点在以坐标原点0 为圆心、，：历为 半径的圆周上，但两点上的电流却是反向的。与p 点相临的p 点到b 点的螺线长度与 p 点n a 点的长度，当a 较小时二者相差的弧长为q p * ，于是p 、p 两点的电流相 位差为7 9 + k o q r z 万+ 胛2 石五。若r = 2 万，则尸、，两点上的电流相位差近似为 2 石，也就是说，当螺线半径近似为2 2 x 时，天线两臂上相邻点的电流几乎是同相 位的。这样的电流在螺线平面的法线方向形成最强的辐射。也就是说，周长约为一 个波长的那些环带就形成了平面阿基米德螺旋天线的有效辐射区。工作频率改变 时，有效辐射区沿螺线移动，但方向图基本不变，具有宽频带特性。天线最大辐射 方向在螺旋线平面的法线方向上，其辐射是双向的，因而增益较低。 2 4 3 阿基米德螺旋天线的具体设计 天线系统通常包括两部分，即天线和馈电线，统称为天馈系统。天馈系统的匹 配包含平衡一不平衡转换与阻抗变换两方面的内容。由于阿基米德双臂螺旋天线结 构对称且其输入阻抗约为2 0 0 q ，因此，当采用5 0 q 同轴电缆进行馈电时，需要进 行平衡转换和阻抗变换。 2 4 3 1 天线的设计 在阿基米德螺旋天线的设计中，其关键技术参数可按下述原则选择【4 9 】： 1 ) 螺旋线外径d 取决于下限工作频率对应的波长k 。，一般应使其周长c = x d 三1 2 5 k 。 2 ) 螺旋线内径2 ，n 是两馈电点a 、b 之间的距离，对天线的阻抗匹配和上限工作频率 影响较大。一般应取2 r o x m i 4 ，k i 。是上限工作频率对应的波长。 3 ) 螺旋增长率a 愈小，螺旋线的曲率半径愈小。在外径d 相同的条件下，螺旋线总长 度大，终端效应小，波段特性较好。但a 太小，圈数太多，传输损耗就会加大。 4 ) 螺旋线宽度大，其输入阻抗就低。自补结构输入阻抗理论值为1 8 8 5 f l ，实际自补 结构的输入阻抗约为2 0 0 f 2 左右。对自互补天线，臂的宽度为= r o ，一r o 】= a z c n 。 若螺旋线宽度大于间隙宽度，则输入阻抗降低。 按上述原则选取螺旋线外径、内径、臂宽以及圈数，制版图用m a t l a b 编程生成， 螺旋双臂采用印刷技术覆银制造，基板选用相对介电常数为2 2 的聚四氟乙烯板，材 料板厚度约为1 2 m m 。图2 - 3 所示为本文设计的阿基米德双臂螺旋天线的缩微图，其 参数设计具体如下：外径d 为1 0 8 9 c m ，内径2 r 0 为2 2 2 c m ，印刷银导体宽度为 1 0 华北电力大学硕士学位论文 0 9 0 6 r a m ，螺旋线圈数为1 2 ，螺旋增长率= ( d 2 - r o ) l 妒= 0 0 5 7 5 1 5 。 图2 - 3 嗣基米德双臂螺旋天线制版图 2 4 3 2 天线馈电系统的设计 1 ) 问题的提出 当将同轴电缆的内外导体直接与天线的两个臂相接时，天线臂上将得到不对称 的电流分布，如图2 - 4 所示。同轴电缆内导体外表面上的电流，等于外导体内表面上 的电流，但方向相反。由于内导体直接与天线右臂相连接，天线右臂电流等于。 但是在同轴电缆端部和对称振子连接处，同轴电缆外导体的外表面也构成了电流的 通路，所以：要被外表面分流一部分，流到天线左臂的电流k i = 1 1 2 | - i i 。l 。这样便 出现了天线左右臂上的电流不相等，即f i i i 1 1 1 i 。天线左右臂上的电流不相等不仅会 使天线性能发生畸变，而且会使馈线辐射和接收电磁波，从而产生馈线的天线效应。 为消除不对称馈线和对称天线直接相接时所存在的缺点，使天线两臂上的电流仍保 持对称分布，在同轴线连到对称天线之前应先接对称变换器。 外导 图2 4 用同轴电缆对天线馈电时的不平衡现象 在天线的馈电系统设计中，天线的输入阻抗与馈线是否匹配，会影响到天线信 号功率的传输效率。在失匹的情况下，馈线上将会产生反射，引起驻波，而且反射 系数愈大，电压驻波比愈大，传播功率的能力也就越低。由于阿基米德螺旋天线的 阻抗约为2 0 0 1 ，而馈线的特性阻抗为5 0 d 。因此，在天线馈电设计时为实现天馈系 统与馈电同轴电缆的阻抗匹配，需进行阻抗变换。 2 ) 问题的解决 华北电力大学硕士学位论文 图2 51 ：4 不平衡一平衡三线偶模传输线阻抗变换器 本文采用l ：4 不平衡一平衡三线偶模传输线变压器来实现平衡转换和阻抗变换 4 9 , 5 1 ，其原理如图2 5 所示。三线偶模传输线阻抗变换器兼备集总参数变压器和传输 线的优点，因而可以做到体积小、工作频带宽。 图2 5 所示阻抗变换器由扭绞的三根线绕在磁芯上构成，该变换器的特点是当 三线电位成等位分布时，两端的空间相对电场成偶对称分布，其中b 8 和c c 为偶 对称线，朋为对称中心线，因之被称为偶模变换。根据传输线理论，可列出方程： k 一圪= j ( 1 l 一1 2 一t ) z 0c o s 。 0 = 2 一v 1 ) c o s 霉七j i ! z b c s i n 霉 、1 k = 一巧c o s + i i 2 z o 。s i n 1 1 - ，：- 2c o s p l + _ ，善s i i l 历 ( 2 1 0 _ 卵 式( 2 9 ) 、式( 2 - l o ) e p ，z b 。为船和c c 组成的传输线的特性阻抗， 抗，式中z b 。 o 时，二极管d 导通；当“d = u l - u o o 时，二极管d 截止。 + o _ 、 u i弋 一o _ + u d u d 2 7 u 广u o ( a ) 原理电路 ( b ) 等效电路 图3 - 4 二极管包络检波电路原理图 由于放电时间常数r c 远大于高频电压信号的周期，故放电很慢，当电容上的电 压下降不多时，高频电压信号第二个正半周的电压又超过二极管上的负压，使二极 1 6 华北电力大学硕士学位论文 管又导通。选择适当的r c 和二极管d ，使充电时间常数r d c 足够小，充电很快； 而放电时间常数r c 足够大，放电很慢( r d c 1 ，传输参数近似为： ( 5 - 4 ) ( 5 5 ) 式( 5 - 5 ) 中，a 、b 、v 和z 分别为衰减常数、相位常数、传播速度和波阻抗。在 良导体中a 、b 都很大，表明电磁波经良导体后衰减大，单位长度的相移也大，相速与 空气中的声速有相同的数量级，特性阻抗小，且包含感性成分。在良导体中沿z 方向 传播的电磁波，由于能量损耗而使场量( 电场强度、磁场强度及电流密度等) 都按矿“ 的指数规律衰减，且随着电导率、磁导率的增加、频率的升高而衰减得越快。因此。 4 l 一一一一 厚一篱肛吖厚肛 舭 心 华北电力大学硕士学位论文 良导体表面处场量最大，愈深入内部场量愈小。电磁波的电场、磁场在导体中的透 入深度为： d = 吉= 万1z 岛 ( 5 6 ) 由铁的电导率y = 1 0 7 s m ，相对磁导率u = 4 0 0 0 ，。= 4 x x l 0 _ 7 h m 。可算得频 率为5 0 0 m h z 、1 g h z 的电磁波，对铁板的透入深度分别约为0 1 1 2 5 1 a m 和0 0 7 9 6 p m 。 由理论分析可知，在变压器局部放电超高频检测中，变压器的油箱金属箱体外壳对 局部放电超高频信号的检测影响很大，局部放电产生的超高频电磁波无法穿过变压 器油箱传播，需采取措旌才能检测到超高频电磁波，如将超高频传感器通过事故放 油阀置于变压器内部。 5 1 3 在导体表面的反射分析 在绝缘介质l 与导电媒质2 的分界面上，式( 5 2 ) 、( 5 3 ) 仍然成立，实际金属导 体的表面可用理想导体边界来代替，于是有l 占：6 ，l _ m ，由式( 5 2 ) 、( 5 3 ) 有： 这表明无论是t e 波还是t m 波，在理想导体表面上都将发生全反射，而不能透 射入导体内部。在变压器局部放电超高频检测中，变压器油箱金属导体表面对超高 频电磁波形成反射壁，入射波和反射波将多次叠加，这将延长超高频信号的存在时 间，因此变压器箱体结构也存在有利于局部放电超高频检测的一面。 5 2变压器内部环境对局放信号传播影响的研究 t l 一调压器t 2 一隔离变压器t 3 一高压试验变压器z 一保护电阻 c k - 一耦合电容器z 。一检测阻抗c 。一试品 图5 2 超高频信号衰减特性研究实验系统 为了实验研究变压器内部油纸绝缘结构与绕组对局部放电超高频信号传播的 4 2 ) j o = 一 r = = = 留j 删 陋 r r r 华北电力大学硕士学位论文 影响，本文用放电模型放电作为局部放电源，对变压器内部局部放电超高频信号的 衰减规律进行了研究，实验系统如图5 - 2 所示。局部放电源采用悬浮放电模型作为 实验研究对象，实验中超高频天线传感器与放电模型距离固定为6 5 c m 。由于局部放 电具有很大的随机性，因此，为研究变压器箱体内油纸绝缘与变压器绕组对超高频 信号衰减的影响，本文除采用打点方式的二维谱图分析显示放电信号外，还通过信 号放电幅值的算术平均值与放电幅值的均方根值对每次采集到的放电信号进行统 计分析。 ( 1 ) 油浸绝缘纸板对超高频信号幅值衰减的实验研究 实验过程中，先在超高频天线传感器前放置三块厚2 r a m 的油浸绝缘纸板，实 验开始后，采集经三块绝缘纸板衰减后传播到天线传感器的放电信号；然后移去一 块绝缘纸板，再采集经二块绝缘纸板衰减后传播到天线传感器的超高频信号；再移 去一块绝缘纸板，采集此时天线传感器接收到的信号情况；最后，移去剩下的一块 绝缘纸板，并采集此时接收到的局部放电信号。为便于对信号衰减规律进行统计分 析，实验中每次采