（电工理论与新技术专业论文）变压器局部放电定位的研究.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 局部放电是造成变压器绝缘老化和破坏的主要原因之一，因此变压器局部放电 检测和诊断的研究具有深远的理论意义和广泛的实用价值。本文基于多导体传输线 理论建立了放电脉冲在单相双绕组变压器中的传播模型，在频域对模型进行了求 解，并对模型进行了实验验证。在该模型的基础上研究了局部放电信号在单相双绕 组变压器中的传播特性，为变压器局部放电电气定位的分析提供了依据。提出了基 于b p 神经网络的单相双绕组变压器中局部放电的电气定位方法，并进行了实验验 证。 关键词：单相双绕组变压器多导体传输线模型局部放电b p 神经网络 a b s t r a c t p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i so n eo ft h ei m p o r t a n tr e a s o n sc a u s i n gp o w e rt r a n s f o m e r i n s u l a t i o nd e g r a d a t i o na n db r e a k d o w n i ti sm e a n i n g f u lt 0d e t e c ta n dd i a g n o s ep a r t i a l d i s c h a 唱e i np o w e rt r a n s f o m e r b a s e do nm u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e s ( m t l s ) t h e o r y ；an e wm o d e lo fp a r t i a ld i s c h a r g ep u l s ep r o p a g a t i n gi ns i n g l ep h a s et w ow i n d i n g t r a n s f o m e ri se s t a b l i s h e d ，s 0 1 v e di nf r e q u e n c yd o m a i n ，a n dv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so f t h em o d e l b a s e do nt h em o d e l ， p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i a ld i s c ：h a r g ei ns i n g l e p h a s et w ow i n d i n gt r a n s f b m e ri ss t u d i e d ， w h i c hp r o v i d ee v i d e n c ef o rt h ea n a l y s i so n e l e c t r i c a ll o c a t i n go fp a r t i a ld i s c h a r g ei ns i n 9 1 ep h a s et w ow i n d i n gt r a n s f o n n e r s w ep u t f o r w a r dae l e c t r i c a l l o c a t i n gm e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h eb pn e u r a ln e t w o r kt ol o c a t e t h el o c a t i o no fp a n i a ld i s c h a r g ei ns i n g l ep h a s et w ow i n d i n gt r a n s f o m e r ，a n dv e r i f i e d t h r o u g he x p e r i m e n t z h a n gx i a o m i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r ya n dn e wt e c h n 0 1 0 9 y ) d i r e c t e db yp r o f d o n gh u a y i n ga n dp r o f l i a n g g u i s h u k e yw o r d s ： s i n g l ep h a s et w ow i n d i n gt r a n s f o r m e r m t lm o d e l ， p a r t i a i d i s c h a r g e ，b pn e u r a ln e t w o r k 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器局部放电定位的研 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： 日 期： 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) 导师签名： 日期： 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章引言 电能是国家的经济命脉，与人们的日常生活紧密相关。目前我国正处于电力建 设的高峰期和关键期，围绕国家“西电东送、南北互供、全国联网”战略，迫切需 要研究和发展相应的超特高压输变电关键技术。作为电力系统输变电关键设备， 电力变压器的容量和电压等级也随之越来越高，其可靠运行对电力系统的安全、经 济运行具有重要意义。 自2 0 世纪中期起，人们就开始对局部放电作了较深入的研究，并取得了很大 的进展。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 缘劣化的重要原因，有资料表明，8 0 的变压器故障是由于绝缘损坏引起的，而先 兆大多数是局部放电。因而局部放电的检测和评价也就成为绝缘状况监测的重要手 段。因此，无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都愈来愈关心局 放检测技术的发展，并广泛地把局部放电检测作为质量监控的重要指标。目前，对 于电力变压器内部发生的局部放电，人们已基本能通过采用多种检测手段检测到。 随着数字信号处理技术的迅速发展，对淹没在各种干扰下的放电脉冲的提取也较容 易做到，提出了多种抗干扰技术。对于变压器制造厂家和现场监护人员来说，在确 定变压器内部存在局部放电后，快速准确地对局放源定位，这对于迅速排除故障、 保障电力系统的正常运行有重要意义。 由于变压器是绕组类设备，变压器内部的局部放电信号将经绕组向两端传播至 监测装置，从而导致作为故障诊断基础信息的放电脉冲信号发生一定程度的畸变。 在电力变压器中由绝缘缺陷产生的局部放电源可能位于绕组高压引线、绕组端部的 绝缘屏、绕组对地绝缘、匝间绝缘或油中杂质。而局部放电又可能是气泡放电、尖 端放电或沿面放电等多种类型。在实际工程中，人们不仅希望能从局部放电信号的 强弱来判断变压器的整体绝缘水平，还希望能从这些信号中获取更为详细的有关绝 缘状况的信息，如故障类型、严重程度以及故障点位置等。对变压器内部局部放电 进行检测时，通常只能从变压器外壳接地引下线、高中压套管术屏接地线、中性点 接地线以及铁芯及夹件的接地引出线等有限的几个测量端获得信号。放电点在绕组 中的出现具有很强的随机性，所测到的局部放电信号从放电源经过变压器绝缘介 质、绕组到达外部的测量装置，必然受到绕组结构、传播特性的多种影响，具体表 现为造成信号幅值的衰减、波形的畸变、时延等现象，这些影响跟脉冲传播的距离 和路径存在较强的关系，这就使得根据检测到的放电信号判断故障类型、分析故障 华北电力人学硕+ 学位论文 严重程度以及对故障进行定位发生困难。显然这一困难的解决完全依赖于对放电脉 冲在绕组中传播规律的认识。而建立适用于分析局部放电传播规律的变压器模型就 显得尤为重要。 1 2 局部放电的产生及特点 一般认为局部放电是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而没 有贯穿施加电压的整个系统，即没有击穿的现象。放电是指由电子雪崩开始，二次 过程为补充，使载流子穿过原为绝缘介质的不连续运动的过程。产生局部放电的主 要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场 强度达到击穿场强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘的特性。产生局部放电的 条件取决于绝缘装置中的电场分布和绝缘的电气物理性能。大型电力变压器基本采 用油一纸复合绝缘及油一屏障绝缘结构，局部放电一般发生在绝缘薄弱或电场强度 偏高的部位。按部位来分，变压器局部放电主要发生在引线接线处、纸板、压板、 围屏、端部油楔、金属尖端、变压器油以及套管等部位。 一般认为，气隙局部放电可分为三类：汤逊放电，以电子碰撞电离为主，电 子崩中电子数目小于1 0 8 。电子碰撞电离放电机理认为，受外界因素的作用，在气 体间隙中存在自由电子。这些自由电子在电场中被加速，并在运动过程中不断与气 体原子或分子发生碰撞；当电子获得电场提供的足够动能时，就会使气体原子产生 碰撞电离，形成新的自由电子和正离子。这些新产生的电子和原有电子又从电场中 获得能量，并继续碰撞其它气体原子，又可能激发出新的自由电子。这样，自由电 子数将会成指数倍地增长，形成电子雪崩。由于电子的质量比离子小得多，因此， 电子移动的速度比离子快许多，形成的电子崩的头部不断向前扩展，最终形成自持 性气体放电。油楔绝缘内部气隙或油中小气泡较易发生汤逊放电，表现为放电量小、 放电次数多。汤逊放电对绝缘的劣化有一定作用，但不会造成突发性故障；流注 放电。在气体放电过程中，除了电子碰撞电离之外，光电离对放电的发展起主要作 用。在电子崩形成之后，电子集中在电子崩的头部，使其场强得到加强；正离子集 中在电子崩的尾部，加强了崩尾的场强。而电子崩的中部区域内场强很弱，有助于 发生复合过程而产生光子。这些光子又可因光电离而引发新的电子崩，即形成二次 电子崩。二次电子崩与初始电子崩汇合并继续发展，最终导致间隙的击穿，形成气 体放电。流注放电过程的特点是，放电发展速度快、放电量较大。因此，流注放电 是局部放电检测的主要对象；热电离放电，以热电离为主，当温度大于1 0 0 0 k 以 上时发生。 根据放电的表现形式，局部放电可分为两种类型：脉冲型放电( 火花放电) ， 持续时间0 o l l 5 ，包括低幅度、上升时问较缓慢的汤逊型脉冲放电和大幅度、 2 华北电力人学硕+ 学位论文 快上升时问的似流注脉冲放电，在一定的外加电压相位上可以观察到单个放电脉 冲。一般情况下，局部放电都属于脉冲型放电；非脉冲型放电( 辉光放电) 。放电 时观察不到单个分离脉冲，但可以观察到放电时产生的辉光，占据半个工频周期的 大部分区域。辉光放电是汤逊放电的迸一步发展，它们之间的主要差别是辉光放电 具有较大的放电电流密度，而且空间电荷在放电过程中具有重要作用，因为它的存 在决定着放电空间的电场。介于辉光放电和火花放电之间，还有种亚辉光放电( 或 群放电) ，这种放电是由一群小幅度的离散脉冲组成，脉冲的上升时间很慢。辉光 放电或亚辉光放电多发生在小气隙( 气泡) 和低过电压情况下。而当存在大气隙和高 过电压时，电子崩可以充分发展，容易发生火花脉冲放电。在短气隙局部放电中， 三种形式的放电均以电子崩碰撞电离为主，属于汤逊放电，可以较明显地分辨电子 电流和离子电流。而在大气隙中，放电脉冲多属于流注型，幅值大、上升沿陡，电 量较大。 根据液体介质击穿理论，油中放电机理分为两大类：电击穿理论，电子碰撞 油中分子产生电离。不含气泡的纯净油的击穿过程可用电击穿理论解释，这与气体 中自持放电形式相类似，即在电场作用下，油中电子被电场加速而获得足够的能量， 它与油分子碰撞使油分子电离，形成类似于气体放电的电子崩。同时，碰撞产生的 正离子在电极附近形成空间电荷层，增强了电极表面的电场，使电子的发射加剧。 当外加电压足够高时，电子崩会急剧增加，从而使油击穿放电；气泡击穿理论， 油中的气泡堆积成“小桥”而使油击穿。产生气泡的原因包括：a 金属电极强场发 射的电子电流加热油介质，使之分解出气体：b 电子碰撞油分子引起电离时产生气 体；c 电极表面上的气孔或吸附的气泡；d 电极表面不规则处的电晕放电，引起该 处介质汽化。在交流电压作用下，气泡首先开始电离，电离的结果使气泡的温度升 高、体积增大，电离进一步加强。在电离过程中，带电离子碰撞油分子，使油中分 解气体增多，扩大了气体通道。若电离的气泡在电场中堆积成气体“小桥 ，击穿 便可能在此通道上发生。在变压器制造安装及运行过程中，油中不可避免地会混入 固体杂质，如含有纸或布脱落的纤维等。这些纤维在电场下易于极化而沿电场方向 定向排列，从而在电极间可能形成连续的小桥。由于组成“小桥”的杂质及水分等 的电导较大，使之形成的泄漏电流增大，发热增加，促使水分汽化，形成气泡。即 使杂质“小桥 尚未贯穿全部极间间隙，在各段杂质链端部处的场强也有很大的增 加，在此局部高场强下油分子也会被电离而分解出气体，使气泡增多。因此油中放 电首先在气体通道中发生。 局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，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 3 华北电力人学硕十学何论文 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。 1 3 国内外研究动态 1 3 1 变压器绕组中局部放电脉冲传播模型的研究 建立变压器绕组的高频脉冲传播仿真模型是研究放电脉冲在变压器绕组中传 播机理的最根本条件。1 9 7 7 年r e j a m e s 等就把变压器绕组等效为一个简单的容 性网络，认为某些变压器绕组( 如纠结式绕组) 在0 1 l m h z 范围内，可近似的等 效为一个容性梯形网络【l 2 1 。容性网络模型的局限性是仅仅变压器纠结式绕组存在这 样一个容性频带，对于变压器连续式绕组和插入电容式绕组而言，这样的容性频带 很窄或不存在【3 j 。 目前国内有专家考虑频变参数，建立了放电脉冲在变压器绕组中传播的集总参 数仿真模型【4 。5 】。即将变压器绕组按其绕制方式划分成若干集中单元，每个单元由电 感性支路( 由r l 构成) 、纵向等值电容支路( 由k g 构成) 和横向等值电容支路组成 ( 由c 构成) 。集总参数模型存在上限频率，通常在1 m h z 以内。但试验研究表明， 局部放电本身包含丰富的频率成分，典型的变压器油中放电脉冲的上升沿基本上在 n s 量级【6 。9 】，脉冲持续时间在几百个n s ，放电能量主要集中在数十m h z 以内， 在高频范围已经不能使用集中参数模型。 上个世纪9 0 年代，f r a n c i s o 、l e o n 和s e m l y e n 等人提出了另一种三相变压器等 值电路模型，该模型采用模拟电荷法计算电容，利用镜像法计算电感，铜损采用 f o s t e r 电路拟合，铁损采用非线性电感c a u e r 电路拟合，利用磁路模型考虑相间耦 合并采用对偶原理将其化为电路形式【1 0 。该模型的一个特点是还可以较容易地化 为端口模型【1 2 】。 应用多导体传输线理论建立绕组的高频信号传播模型较早应用于电机绕组 中。p gm a c l a r e n 在1 9 8 5 年发表了电动机绕组的多导体传输线模型，模型中没有 考虑频率对参数的影响及相邻线圈间的耦合【1 3 】。j l - g u a r f a f o 在文献【1 4 1 6 】中 结合实验求取传输线模型参数，在此基础上，建立了电动机绕组单相多导体传输线 模型。国内清华大学也进行了相应的研究，应用多段多导体有损传输线仿真模型描 述了窄脉冲在电机定子绕组中的传播过程【1 7 l ，建立了大型汽轮发电机定子绕组的脉 冲传播模型。 4 华北电力人学硕十学位论文 近年国外开始研究基于多导体传输线的变压器绕组的高频信号传播模型：英国 曼彻斯特工业大学s n h e t t i w a t t e 和z d w a n g 等初步建立了放电脉冲在变压器连 续式单绕组中传播的多导体传输线模型【憾d9 1 ，仿真结果表明该模型适合l o o n s 一 1 0 n s 放电持续时间的局部放电信号，且绕组传输函数中零点位置表征了局部放电定 位信息，但局限于连续式单绕组。e t a m a “基于多导体传输线模型【2 0 】研究了快速 瞬态过电压在变压器绕组中的波过程【2 ，针对一台5 0 0 k v 真实变压器进行建模分 析，仿真计算结果和试验结果具有一定的相似性，初步说明了基于多导体传输线理 论建立高频脉冲在变压器绕组中传播模型的有效性。 2 0 0 4 年，国内提出了基于散射参数的v f t o 作用下变压器绕组模型，先测得绕 组的电压传输函数表达式，降阶后再综合出变压器绕组的高频电路模型；并依据混 合m t l 模型采用矢量匹配和递归卷积相结合的方法计算变压器电压分布【2 2 。2 3 】。2 0 0 6 年和2 0 0 7 年彭迎、m a 巧a np o p o 等人以匝为单元建立了变压器的多导体传输线模型 并在频域中进行了求解。 1 3 2 变压器局部放电定位的研究现状 对于变压器制造厂家和现场监护人员来说，在确定变压器内部存在局部放电的 同时，需要快速准确地对局部放电进行定位，这对于迅速排除故障、保障电力系统 的正常运行具有重要意义。局部放电的定位的依据是局部放电过程中产生的电磁 波、声、光、热和化学变化等现象，其定位方法有电气定位、超声波定位、光定位、 热定位和d g a ( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ) 定位等。目前，国内外研究最多、应用最广 泛的是超声波定位法和电气定位法。超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传 播的方向和时间来确定放电位置的。而电气定位法则是根据局部放电产生的脉冲传 播到测量端的特性来确定放电位置的。下面对各种超声波定位法和电气定位法给以 总结。 当变压器内部发生局部放电时，会伴随有超声波能量的放出，超声波在不同介 质( 油纸、隔板、绕组、油等) 中向外传播，到达固定在变压器油箱壁上的超声波传 感器。通过测量超声波传播的时延时间，就能确定局放源的位置。油箱内部放电源 产生的超声波穿过变压器油到达箱壁上的传感器有两条途径，一条是直接传播，即 超声波穿过变压器油到油箱内壁，并透过钢板到达传感器，这部分超声波都是纵向 波；另一条是先以纵向波传到油箱内壁，然后沿钢板按横向波传播到传感器，此波 为复合波。因而，由波形读取时延的时间也有两种读取法。由于超声波在钢板中的 传播速度比在油中快得多，且在钢板中衰减很大，因此该波到达传感器的直达波的 幅值通常比复合波大得多，这样便可很容易地分辨出直达波，以该波为准读取时延 的时i 、日i 。 5 华北电力人学硕十学何论文 超声波定位法原理是通过测量超声波传播的时延来确定局部放电源的位置， 分为电一声定位和声一声定位。将超声波传感器放置在变压器箱壳上的几个点，组 成声测阵列，测量由声源到各传感器的直接传播时间或有关传感器之间的相对时间 差，然后将所测得的时间差或相对时间差代入满足该几何关系的一组方程组求解 【3 卜3 2 】或通过其它定位算法计算。在现场的变压器局部放电定位过程中，由于电磁干 扰等影响，往往无法得到可靠的电气信号，通常多采用声一声定位法。就目前的研 究进展来看，局部放电超声波定位的准确度和灵敏度不高，其最主要的原因是超声 波传播的时延误差过大。因为变压器内部结构复杂，超声波信号在变压器的油、纸、 金属等不同媒质中传播时受折射、反射、损耗、色散等多种因素的影响，用于定位 的实际时延估计往往不能准确地得到。文献 2 4 】中的理论值和实测值比较表明，误 差通常在数n s 到数十n s 之间，这将给定位造成一定的误差，甚至造成定位不能成 功。 电气定位是通过对放电脉冲进行分析，可以确定局放源的位置。早期的研究表 明，通常情况下，变压器绕组普遍存在三个频率特性范围，在不同频率范围内，变 压器绕组的传输特性不同，具体为：在低频范围内( 0 0 0 l m h z ) 局部放电信号的 传输以电磁波形式为主；中频范围( o 0 l o 1 m h z ) 以振荡形式为主：高频范围( 0 1 1 0 m h z ) 以电容分量传输为主。因此，在测量端测得的局部放电信号通常由三部 分组成，分别为：行波分量( o 一0 0 l m h z ) ，即以电磁波的形式传播的分量；振荡 分量( o 0 1 0 1 m h z ) ，即由绕组的共振引起的分量；电容性分量( 0 1 1 0 m h z ) ， 即通过电容梯形网络传输的分量。 随变压器内部放电位置不同，其绕组首末端测量的电流脉冲信号在频谱上有较 大差异，端点电流脉冲频谱分析法就是根据这一差异进行定位。文献 2 5 】对连续饼 式绕组( 8 4 饼) 进行了局部放电模拟，用绕组的简化等效电路计算出放电注入点对 应的传递函数，计算结果表明绕组传递函数的零点位置随放电位置的变化而有规律 的变化，即可根据端点电流脉冲频谱中的零点信息确定放电位置。 文献 2 6 首先通过测量获得了对应绕组不同位置的绕组端部电流传输函数频谱 特性曲线，并作为表征放电位置的特征向量输入到b p 神经网络进行训练。一旦变 压器内部发生局部放电时，就可以由端部实测信号的频谱特性曲线输入已训练的b p 神经网络中完成放电源位置的确定。并对一台1 0 k v 3 8 0 v 配电变压器进行了局部 放电模拟，定位最大误差仅4 6 。由于不可能对各种类型的变压器绕组中不同位 置的电流传输函数进行测量，必须考虑采用仿真计算的方法获得放电定位的关键参 数，文献 2 7 】同样也讨论了变压器绕组的集中参数和分布参数仿真建模问题，得出 的结论是：如果说端点电流脉冲频谱分析法将具有很好的实用价值，其中建立合理 的放电脉冲在变压器绕组中传播的仿真模型是至关重要的。 6 华北电力人学硕十学位论文 能比直线法是根据变压器绕组两端测量信号能量的比值与放电发生位置之间 的关系进行放电定位。基于集中参数模型，文献【2 8 对大型电力变压器的仿真研究 结果表明：在l m h z 以内，变压器绕组两端测量信号能量的比值与放电发生位置基 本呈线性关系。在实际定位前，先在绕组两端注入放电脉冲信号，得到l m h z 频率 范围内的首末端两个位置对应的能比值点，连接这两点即可得能比直线。然后根据 变压器实际局部放电试验时得到的能比值在能比直线上的位置进行放电定位。该方 法通过了4 0 0 k v 单相电力变压器的试验验证，其定位误差不超过绕组高度的8 。 但由于变压器绕组结构的多样性，是否所有类型的变压器绕组两端测量信号的能比 值与放电位置之间均构成简单的线性关系需要进一步试验验证。 总之，目前根据放电脉冲在变压器绕组传播特性进行放电的电气定位研究很 多，也相应出现了一些较新的电气定位方法，也看到它们将来在现场会有一定的实 用价值，但最大的瓶颈问题是目前还没有准确通用的描述放电脉冲在变压器绕组中 传播特性的仿真模型。另外，定位方法的研究必须与试验紧密结合，所有的仿真研 究结果都需要通过多种类型真实变压器绕组的试验验证，这样才有可能找到一种适 合现场应用的电气定位方法。 1 4 本论文研究的主要内容 本文主要研究适于局部放电分析的单相双绕组变压器的高频模型，其目的在于 分析局部放电信号在单相双绕组变压器中的传播情况，从而对单相双绕组变压器的 局部放电进行定位。本文的具体工作包括以下内容： ( 1 ) 建立适合局部放电分析的单相双绕组变压器的多导体传输线模型，编制相 应的程序对模型进行频域求解，并对模型进行实验验证。 ( 2 ) 研究局部放电信号在单相双绕组变压器中的传播规律。 ( 3 ) 提出基于b p 神经网络的局部放电的定位方法，应用m a t l a b 的神经网络工 具箱进行了程序编制，并进行了实验验证 7 华北电力人学硕+ 学位论文 第二章单相双绕组变压器的多导体传输线模型 2 1 单相双绕组变压器的多导体传输线模型的建立 任何一台变压器都要面对介电强度、热特性与机械强度的综合挑战。纵观世界 各国的电力变压器，其内部结构不外乎如下两大类2 9 】：绕组仰仗铁心支撑、绕组与 铁心在结构上各自独立，本章所用模型的绕组是仰仗铁心支撑的，高压绕组采用内 屏蔽式，低压绕组采用连续式。绕组结构如图2 1 所示 8 7 65 4 32l i 91 0l l1 21 31 41 51 6 i 2 42 32 22 l2 01 91 81 7 2 5 2 62 7 2 8 2 93 03 l 3 2 油道 屏蔽线 i 87654 ，陶2 均 ， i 91 0i l1 21 3 h 囫一s 团s ( a ) 连续式( b ) 内屏蔽式 图2 1 变压器仰仗铁心的绕组的两种典型绕法 为了建立单相双绕组变压器线圈的m t l 模型，对变压器线圈作如下理想化假 设： ( 1 ) 认为线圈的平均直径远大于其幅向尺寸( 绕组的径向宽度) ，因而可以忽略 线匝弯曲的影响，且所有线匝的长度近似相等( 取平均值) 。 ( 2 ) 认为多导体传输线是平行放置的。 ( 3 ) 认为多导体传输线的场结构是t e m 波或准t e m 波。 ( 4 ) 认为线饼间连线及电压源引线充分短，因而可以忽略它们对电磁场分布的 影响。 ( 5 ) 认为只有高压线圈的最内侧的匝与低压线圈有耦合，忽略高压线圈其它匝 与低压线圈的耦合。 根据上面的假设，将线圈在线端处沿子午面剖开，将线匝展成直线，每一线匝 看作一条传输线。这样单相双绕组变压器的线圈就可以看成是多条传输线的组合， 可建立其多导体传输线模型【3 0 1 。 8 华北电力人学硕十学位论文 ( 1 )( 1 ) 以( 1 ) 卜，。- ( 1 ) 纵( 2 ) 卜一一一，( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 一1 )( 一1 )( 朋一1 )( 一1 以一1 ) 一卜_ ：1 7 一1 ) 以( 肜一1 ) 一一一一 一，一p ，j 以( ) _ 一( ) 嵋( 彤) 一 i s & 1i 式、)i 又融1l 文融、) ( a ) 连续式绕组( b ) 屏蔽式绕组的最内层 图2 2 线圈的多导体传输线模型 图2 2 所示的m t l 模型电报方程的时域形式可表示为 一塑：埘+ 翌 缸夙 一堕：伽+ c 坐 ) ( 肜一1 ) ( j l ，) ( 2 1 ) 式中，砧和f 分别表示沿线的电压和电流向量，尺、工、g 、c 分别为变压器绕 组单位长度的电阻矩阵、电感矩阵、电导矩阵和电容矩阵，将式( 2 1 ) 改写成频域形 式为 一掣文r + j 钞q i ! ( 2 2 ) 一华：( g + 缈c ) d x 由式( 2 2 ) 可得下列形式的波动方程 鱼擎：z y u ：j 2 u 出2 粤：y z i ：r ；i 出2 舯，z = r + j l ，y = g + j c ，r q = z y 。r j = y z 。 9 ( 2 3 ) d 盼 妲铷 一 一 ) 卜 一卜哆， q q r 锄一谲 q 眨 哪衅 毕北电力人学碗十学忙论文 22 单相双绕组变压器的多导体传输线模型的参数提取 221 电容参数 在电容参数计算中，将变压器绕组中的导体当作独立导体，该问题可咀认为是 静电场问题。假设有_ v 个独立导体，对其中的一个导体施加激励电压( 为计算方便 取u = 1 v ) ，其它导体电位设为零，则可以求出其它导体感应出的电荷，例如设第f 个导体电荷值为吼( i ，) ，则可以求出第f 个导体对第，个导体之间的电容，其表达 式为 g 2 击 其中为第f 个导体对第，个导体之间电位差。而导体的自电容应该是自身的感应 电荷除以自身加的电雎，所以，自电容是正的，而互电容是负的。依次给每仑导体 加1 v 的电压，求自身和其它导体感应出的电荷就可以获得单位长度的电容矩阵。 根据上面的原理，可以应用m a t l a b 编程调用f e m m 柬实现啦位电容参数的 提取，图2 3 给出了不同位簧加1 v 电压，其他位畏加0 v 电压时的静电场分布。 ( a ) 高压线罔第l 匝加l v 电压 0 ( b ) 低压线圈第1 0 匝加l v 电压 c ) 低爪线嘲第】7 l 匝加1 v 电压 华北电力人学硕十学位论文 222 电阻参数 ( d ) 高压线圈第1 6 8 匝加1 v 电爪 图2 3 不同位置加单位电压时的静电场分布 计算电阻参数，必须考虑高频下的集肤效应。单位长度的电阻计算表达式为： 足= 志j 等 其中，d ，吐分别为矩形导体横截面的长和宽，一为导体的磁导率，j 为导体的电 导率，为对应的频率。则单位长度的电阻矩阵表示为 置= 置 其中，e 为单位矩阵。 2 23 电感参数 电感参数提取时要考虑高频下的频变效应。将电感参数矩阵分为两部分，一部 分是没有高频分量进入铁芯的电感，一部分是高频下透入导体的磁通由于集肤效应 产生的电感 l = l ，+ l 。 单位陡度的电容矩阵c 和电感矩阵工的基本关系可描述为 1 2 华北电力人学硕十学位论文 l c = c l = 烨l 其中，分别为绝缘材料的磁导率和介电常数。如果没有高频分量进入铁芯， 则绕组可认为是在自由空间由绝缘物质包裹着的导体。所以，电感参数可由下面的 表达式得到、 厶= 鲁e c 其中，c 为前面所计算的电容矩阵，为绝缘材料的相对介电常数，c 为光在真空 中的速度，取c = 3 1 0 8 掰j 。 在高频情况下，透入导体的磁通同样可以产生电感，其表达式如下 丘= 刍 其中，足为由集肤效应产生的电阻，厂为相应的频率。所以，单位长度的电感矩阵 表达式为 2 2 4 电导参数 l = l 。+ l s e 电导参数g 是根据绝缘材料的容性损耗得到的，与工作频率厂、电容参数c 以 及损耗因数t a n 6 有关，其表达式为 g = 2 万声t 觚万 其中t a i l 艿可以表示为 t a n 万= 。7 ( 一号e - ( o 3 舶，l 。- 6 ) 2 3 单相双绕组变压器的多导体传输线模型的频域求解 波动方程( 2 3 ) 的解为【3 1 】 嚣嚣， 协5 ， = k ( e 一。u e n ) 式中，u ，为待定常数列向量，k = z 。厂= 盯- 1 为特性导纳矩阵。 1 3 华北电力人学硕+ 学位论文 对于任意一根传输线，用“s 表示首端，用“r 表示末端，如图2 4 所 示，即虬( f ) 和( f ) 分别表示第f 根传输线在x = o 处的电压和电流值；( f ) 和厶( f ) 表示第i 根传输线在石= ，处的电压和电流值。 将z = o 和x = ，代入式( 2 5 ) ，可得 整理得 整理得式 简记为 u s = u + u 2 u r = e - n u l + e nu 2 = k ( u 一致) k = l 乞( e 一几“一e 丌u 2 ) 阱 筠 卧匕 心 q e 仃j 【- j 捌纠 ( 2 7 ) 其中么= 匕c o m r ，曰= 匕c s c j i i 兀 假定变压器线圈绕组为n 匝，则方程组( 2 7 ) 为2 n 阶，下面通过每匝线圈绕组 首末端的连续性条件( 2 8 ) ，将方程组( 2 - 7 ) 降阶为n + 1 阶方程组( 2 一l o ) 。 其中式( 2 8 ) 对应不存在局部放电的各匝绕组，上一匝的末端与下一匝的首端满 足电流的连续性和电压的相等性。 l 丝一掣+ ，1 ( 2 8 ) ( 露) = k ( 足+ 1 ) 式( 2 9 ) 表示局部放电发生处的绕组连续性条件。本文对局部放电的位置研究仅 1 4 华北电力人学硕十学位论文 考虑到对应某一匝，近似假设局部放电发生在相邻两匝的连接处， 处注入了一个新的局部放电电流源k ，即满足 ，月( 七一1 ) + l ( 足) = ，肋 那么将连续性条件( 2 8 ) 和( 2 9 ) 代入到方程组( 2 7 ) ，可得 l ( 1 ) o 0 lp d o 0 l ( 以) 对于两端接地的系统的边界条件为 1 2 l y y j k ( 1 ) = 0 ( 甩) = o k ( 露) = 却跖f 匕( 1 ) 匕( 2 ) 匕( 露) k ( 以) ( 甩) 等效于在该连接 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 把式( 2 - 1 1 ) 带入式( 2 - 1 0 ) 可以求出l ( 1 ) 、k 和伽) ，进而可根据式( 2 1 2 ) 求出不 同匝的电压。 k ( 1 ) ( 2 ) 圪( 七) k ( 一) ( 以) 小 ( 1 ) o o ip b o o l ( 以) ( 2 1 2 ) 其中丁= 盯。 注意，这里讨论的仅仅是连续式绕组的情况，而对于内屏蔽式和单相双绕组等 其它类型的绕组要根据其具体的连接方式和边界条件进行求解，但整个求解的思想 1 5 1 1 = ! ! ! ! ! ! 堡! ! 垡! 皇 和过程堆本是柑似的。 24 单相双绕组变压器的多导体传输线模型的实验验证 241 实验装置 为了验证前面模型的建立以及求解是否】f 确，对模型进行了实验验证。把连续 式绕组同心的放到屏蔽式绕组中，并令它们处在同一个水平面上，以此来模拟单相 双绕组变压器，认为外面的屏蔽式绕组是高压线圈，内侧的连续式绕组为低压线圈， 图2 - 4 ( a ) 给出了它的俯视图。实验时，令高压绕组的术端接地，低压绕组的首端和 末端都接地，在高压线圈的首端加脉冲信号，分别测量高压绕组的各饼和低压绕组 的各饼的对地电压，用仿真的各饼对地电压和测量值进行比较，以此柬验证模型的 正确性，图2 - 5 给出了实验接线的示意图。 b ) 整体的实验装置 削2 4 实验装置图 华北l h 力人学硕十学位论文 图2 一s 实验接线图 脉冲信号的发生应用g m y - l 型毫微秒高压脉冲源和a g l l e n t3 3 2 2 0 a 数字信号 发生器，脉冲信号的测量应用a g l l e n tm s 0 6 1 0 4 a 四通道数字存储示波器，图2 6 给h 了这些仪器的图像。 a ) g my 1 型毫微秒高压脉冲源 ( b ) a g l l c n t ”2 2 0 a 数字信号发生器 c ) a g l 】e mm s 0 6 1 0 4 a 数字存储j 、波器 h2 6 见聆仪器 o # 北电力人? 坝十一位论文 242 变压器绕组模型 连续式绕组如图2 7 ( a ) 所示，其基小参数见表2 1 。内屏蔽式绕组如图2 7 ( b 所示，l 女绕组模拟真实的2 2 0 k v 变压器的高压绕组绕制， f 两半部分结构对称， 中间出线，每部分的前6 饼采_ i j 两屏段绕制方式，其基本参数如表2 2 所日i 。 ( a ) 连续式绕组 凹2 7 绕组的实物幽 b ) 屏献式绕组 表2 1 连续式绕组基本参数表2 2 屏蔽式绕组基本参数 基本参数数据 线饼数 每饼匝数 绕组内径 绕组外径 导线规格 导体宽度 导体高度 匝绝缘厚度 243 实验结果及分析 基本参数数据 线饼数 每饼匝数 绕组内径 绕组外径 工作线 一，s ；嚣篙3 导线 规格 屏蔽线 从上一节的表2 2 可以看出，工作线是组合导线，也就是图2 3 ( b ) 所示的那种 导线。在仿真计算时如果按照组合导线进行计算，势必会增加计算资源的丌销，增 加计算时间。而大型绕组采用组合导线，主要是为了降低绕组附加损耗，缩小绕组 外形尺i r ，减小变噩器体积。 变压器绕组一般是采用铜线或铝线，经过包扎绝缘层后绕制而成，图2 8 给 n 了兰种常用导线的截面示意图。随着变h 器容量的增大，工作电流也相麻增大，冈 华北电力人学硕1 片，似论文 此绕组导线的横截面积也相应增大。为了便于绕组的绕制和减小涡流损耗，一般都 采取将大截面的导线分成多股导线并联起束，绕制变压器绕组。但是必须考虑每艘 导线所处的磁场位贾和导线的长度都应该相等，并要求每股导线的感应电动势相 等。所以组合导线的应用对冲击信号沿绕组的分柿没有太大的影响，在仿真计算时 可以把组合导线等效成一根普通的导线。图2 9 给出了等效前后的对比。 导体 疆 一l i ： - 衫 i ， 7 ，形 导体 鬃 ， ( a ) 单根导线( b ) 组台导线( c ) 换位导线 凹2 8 导线的截面示意刚 ( a ) 2 饼外 导体 一蕊： ，撼 剥 、。w 脚蝴i h m h ( b ) 4 饼外 h2 9 目l 合导线等效f j j 后的 果比较 华匕o u 力人学硬十学位论文 从图中可以看出，这种等效对结果的影响是很小的，而等效后的计算时间是等 效前的计算时问的一半。 通过把组台导线等效成普通的导线，可以得出单相双绕组变压器的单位长度的 电容参数，如图2 1 0 所示。 k 。 目2 1 0 单位k 度电容参数的灰度吲像 图2 1 0 给出的是归一化后的结果，图中1 1 6 8 匝为高压线圈的工作线，】6 9 18 8 匝为高压线圈的屏蔽线，1 8 9 3 6 8 匝为低压线圈的工作线。图中黑色表示o ，白色表 示1 ，不同位置的颜色的深度代表了该位置的值。 为了验证仿真结果，实验中测量了纳秒级冲击信号作用下，高压绕组2 、4 、6 ( 第 1 6 、3 2 、4 8 匝) 饼末端电压值和低压线圈2 、4 、6 、8 、1 0 、1 2 ( 第2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、 1 0 0 、1 2 0 匝) 饼的末端电压值。图2 1 1 和图2 1 2 分别给出了在冲击信号作用下各匝 末端电压的测量波形和仿真波形。 a ) 高压绕组2 饼外( b ) 高压绕组4 饼外 2 出 翟 ( c ) 高压绕组6 饼外 图2 1 l 高压绕组各匝仿真与实测的对比 ( a ) 低压绕组2 饼外 ( c ) 低压绕组6 饼外 ( b ) 低压绕组4 饼外 ( d ) 低压绕组8 饼外 ，田曾 ，田印 ，幽曾 田曾 华北电力人学硕十学位论文 ( e ) 低压绕组1 0 饼外( f ) 低压绕组1 2 饼外 图2 1 2 低压绕组各匝仿真与实测的对比 从波形上看仿真波形和实测波形基本一致，为了定量的分析仿真和实测的差 别，从峰值和能量两个角度对仿真波形和实测波形进行了误差分析，结果如表2 3 所示。 表2 3 仿真结果与实测结果的比较 电压峰值电压能量 匝数 测量结果仿真结果 误差( ) 测量结果仿真结果 误差( ) 高压绕组 第1 6 匝 8 3 58 2 4 8 21 2 29 6 9 7 58 5 6 5 51 1 6 7 高压绕组 6 0 l5 9 0 6 l1 7 36 6 6 5 46 9 4 3 l4 1 7 第3 2 匝 高压绕组 第4 8 匝 4 9 35 4 1 0 89 7 54 6 1 1 66 4 2 6 93 9 3 低压绕组 8 0 07 2 8 2 78 9 72 8 6 5 22 7 2 2 6 4 9 8 第2 0 匝 低压绕组 9 7 2l o 3 4 66 4 47 1 1 3 66 9 5 5 82 2 2 第4 0 匝 低压绕组 1 0 11 2 7 22 6 1 11 1 6 6 01 0 7 3 8l i 6 4 第6 0 匝 低压绕组 1 3 4 21 1 8 1 51 1 9 62 5 1 7 32 7 3 6 l8 6 9 第8 0 匝 低压绕组 第1 0 0 匝 1 6 21 4 3 5 61 1 3 83 4 6 0 63 8 2 1 3l o 4 2 低压绕组 第1 2 0 匝 2 0 1 81 7 5 41 3 84 5 8 5 85 0 2 2 89 5 3 2 2 华北电力人学硕十学位论文 2 5 小结 本章主要完成了对单相双绕组变压器的多导体传输模型的详细电容参数计算 和求解，并通过实验验证了该模型的正确性。通过本章计算和分析，可得到如下结 论： ( 1 ) 在进行变压器的高频模型计算时，组合导线可以等效为一根普通的导线。 ( 2 ) 在求模型的单位电容参数时，线匝的对地电容和对铁心的电容对计算结果 的影响是很明显的，越靠近铁心和地则电容越小，所以必须考虑铁心和地 的影响。 2 3 华北电力人学硕+ 学位论文 第三章局部放电信号在单相双绕组变压器中的传播规律 变压器局部放电信号的提取是成功进行变压器绝缘状态诊断的基础【32 1 。目前， 已有众多的变压器局部放电在线监测系统投入运行，但监测效果都不太令人们满 意。其中的原因之一，就是对变压器内部的局部放电信号的传播特性认识较为粗略， 现普遍将局放信号的传输路径看作是一纯的容性网络，对绕组及其变压器所连外联 设备的影响没有作深入的研究【3 3 3 4 1 。这样做一方面仅仅只能在一定的误差范围内测 到局部放电的视在放电量，忽略了其中所包含的更丰富的信息；另一方面，由于绕 组对局放原始信号的畸变作用，某些监测