基于超宽带技术的变压器局部放电定位方法

基于超宽带技术的变压器局部放电定位方法

0超宽带射频定位技术错误定位是能源压力厂局部放电研究领域的重要内容之一。正确的局部放电缺陷定位可以为局部放电的破坏做出重要的辅助作用，科学指导并用于监测压力厂的状态。目前，国内外对其进行了大量研究[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16]。超宽带射频定位技术方法结合局部放电射频信号超宽带检测与天线阵列技术并以最短光程原理为基础,用4阵元传感器阵列检测局部放电源激发的电磁辐射波,获取3个相对时延值并设定辐射波传播速度作为计算参量,利用电磁波传播的最短光程原理实现对局部放电源空间几何位置的定位计算,具有较高的检测灵敏度及定位精度。文献提出了变压器局部放电超宽带射频定位技术的理论框架及基本实施方法,文献通过实验证明该定位技术能够解决多点故障源定位的难题。随着研究的深入,更为合理、有效的定位传感器以及算法成为研究的重点。另外,在真实电力变压器上开展局部放电源的定位研究,验证超宽带射频定位技术在实际中的有效性,也是亟需开展的研究课题。本文就超宽带射频定位技术中存在的重点问题进行了探索研究。研制出性能更加优化的定位测量传感器,通过合理优化传感器设计结构,在保证检测灵敏的基础上明显提高时域信号的保真度,从而减小射频信号时延测量误差。提出基于最短光程原理的空间网格搜索算法,避免传统的解析算法容易由于时延测量值及波速参量的微小误差而导致定位结果发散或误差偏大的缺点。在此基础上对一台真实220kV三相变压器进行局部放电定位研究,建立起一套能够应用于真实变压器的局部放电超宽带射频定位系统,针对实际变压器进行了油中波速的初步探索,给出结论当波速设定为19.8cm/ns或19.9cm/ns时平均三相局部放电源的平均定位误差最小,约为30cm。1传感器的设计1.1天线的一般特性超宽带射频定位系统中以时域脉冲天线作为定位测量用传感器。局部放电辐射电磁波信号可以看作是一种脉冲信号。对脉冲信号进行检测,要求测量系统对信号的保真度要高,也就是不能让信号波形失真严重。从天线的角度来讲,要应用于脉冲信号检测,首先要求天线对脉冲信号的响应失真小,同时脉冲宽度越窄,要求天线的带宽越宽,因此天线应具有足够宽的频带,其次具有较好的幅度响应特性。要求天线对脉冲信号的响应失真小就要求天线具有时域工作的特性。应用于脉冲检测的天线称为超宽带(UWB)时域天线,它不同于传统的频域天线,在天线的工作原理上有更特殊的要求。简单来说,超宽带时域天线要求天线的相位中心不随频率及信号到达点的变化而变化,同时还要求天线整体对不同频率的信号响应具有同时性。平面等角螺旋天线是一种完全由角度确定形状的天线,是一种近似度较高的非频变天线。它的有效辐射区为顶点到一个波长的远处的区域,在此区域后,电流就已经衰减了近20dB,所以它一方面具有良好的宽带特性,另一方面具有很好的时域响应,理论上讲该天线适用于定位所需的接收检测系统。1.2等角螺旋天线平面等角螺旋天线接收面的示意图如图1所示,天线的两条对称曲线方程为{R1=R0eaφ；R2=R0ea(φ−π)。(1){R1=R0eaφ；R2=R0ea(φ-π)。(1)式中,R0为起始半径;a为螺旋角,其倒数为螺旋的增长率;φ为螺旋的角度。具有自互补结构的等角螺旋天线的理论输入阻抗为188.5Ω。实际测得的阻抗值稍低一些约160Ω。由于这种天线为平衡结构,所以当需要通过同轴系统进行馈电的时候,必须附加不平衡到平衡的变换器,同时兼顾阻抗变换的作用,将同轴系统的不平衡50Ω传输线变换到160Ω的平衡双线系统。等角螺旋天线除了具有宽频带的阻抗特性以外,还具有宽频带的方向图。天线方向图的最大值在螺旋面的法线方向。在它的一边辐射右旋圆极化波,另一边辐射左旋圆极化波。在与螺旋扩展的方向没有辐射。为了获得单向辐射,安装一个反射腔。由于反射腔具有强烈的谐振特性,为了保持天线的宽带性能,还必须在腔内填充吸收材料。根据前期试验和对局部放电射频电磁波信号频谱的观测,发现频率越高的信号时延读取精度越高,越适用于定位测量,另一方面,频率升高,各种损耗增加,接收灵敏度下降,降低了信号幅值的分辨率,故在定位传感器频带设计时需要综合考虑定位测量精度和检测灵敏度两个因素。大量实测结果表明,对2～6GHz频率范围的局部放电信号进行处理,能获得较高的定位测量精度。为了使传感器的频率特性能留有一定余量,将其设计频率定为2～8GHz,研制出的定位传感器照片如图2所示。1.3信号模型、信号信号和测量方法以油中气泡放电源作为射频信号辐射源,用3类传感器:探针传感器、阿基米德螺旋天线传感器以及本文研制的新型等角螺旋天线传感器进行放电射频信号的检测,通过高采样率数字示波器进行数据采样。完成采样后,测量各类传感器耦合输出波形单次脉冲振荡时间,以此作为时延测量误差,通过对比时延测量误差进而比较各类传感器对放电脉冲信号的测量精度。在屏蔽室内对油中气泡放电源加压直至出现局部放电射频信号。将3类传感器分别置于放电源等距离处,信号输出端分别同时接至采样频率20GHz,带宽6GHz的数字示波器的3个检测检测通道进行采样并记录典型信号波形。示波器3个检测通道的时间长度均设置为15ns,便于在相同时基下对比3路信号波形。检测到的典型信号波形如图3所示,图3中同时标示出各波形的时延读取误差范围,用td表示。从图3中的对比测试结果可以看出,阿基米德螺旋天线和单极探针天线检测波形首波部分与背景噪声差别不显著,无法准确判断信号的起始时刻,波形起始时刻在较宽时间段内均有被读取的可能,造成时延误差较大。本文设计的平面等角螺旋天线首波部分与背景噪声差别明显,上升延时间及单次脉冲振荡时间非常短,从而能够在很短的时间段内准确读取信号起始时刻,提高时延测量精度,同时该天线传感器具有较高的幅值响应。对各类天线的多组实测波形统计时延测量误差,表1中定量给出各类天线实测信号波形测量时延的平均误差。通过表1中统计的时延测量误差,可清楚的看出本文设计的平面等角螺旋天线传感器能够明显提高信号波形的时延测量精度,适用于超宽带射频定位测量。2网格网格搜索法求解时延值本文提出空间网格搜索算法仍然以电磁波传播的最短光程原理为基础,以3个相对时延值及波速作为参量。首先建立三维定位空间(x,y,z3个维度),以一定边长的小型正方体为基准划分定位空间,即通过将x,y,z的3坐标轴分别离散成一定长度的线段实现对整体空间的网格剖分,剖分网格的大小可灵活掌握,一般为5cm×5cm×5cm或10cm×10cm×10cm边长。在已知传感器位置坐标的基础上,假定空间中每个网格作为信号发射源,根据最短光程原理求取各网格对应的理论相对时延值,其中与实测时延值最为接近的理论时延值对应的网格即为真实信号辐射源所在位置。假定将定位空间划分为{N1,N2,N3,…,Nn}共计n个立体网格,根据最短光程原理分别求取其对应的理论时延值,分别为:{t1L12,t1L13,t1L14},{t2L12,t2L13,t3L14},…,{tnL12,tnL13,tnL14},设实测时延值为{ts12,ts13,ts14},将每个网格对应的理论时延值与实测时延值进行比较,求取:{(|t1L12-ts12|+|t1L13-ts13|+|t1L14-ts14|),(|t2L12-ts12|+|t2L13-ts13|+|t2L14-ts14|),…,|tnL12-ts12|+|tnL13-ts13|+|tnL14-ts14|}区间中的最小值,假设求取的最小值为(|tiL12-ts12|+|tiL13-ts13|+|tiL14-ts14|),则说明实际放电源距离第i个立体网格最为接近,可将第i个网格近似看做放电源的所在位置,求取第i个网格对应的(x,y,z)坐标作为定位结果输出。与传统的时间差解析定位算法比较,空间网格搜索算法由于需要对空间进行网格离散,因此不可避免地引入离散误差,在精确获取时延参量的情况下定位精度略低于时间差解析算法,但是其与时间差解析算法相比最大的优点在于对时延值及波速参量的误差要求不是十分苛刻,允许各参量存在一定的误差,目前的研究结果表明时延参量误差限定在1ns范围内,均能达到较高的定位精度,同时通过网格大小的合理选取,算法带来的离散误差也可限定在较小的区域内。与空气中的模拟定位试验不同,真实变压器内部结构复杂,局放波形的时延测量及波速选取均不可避免的叠加有误差,从定位计算有效性考虑,本文所提空间网格搜索算法更适用。空间网格搜索算法是一种“区域”定位而非“点”定位,由于算法本身已将空间离散,因此计算结果实际是空间网格的编号,依据该编号还原网格位置后,体现的是单个网格所在的区域,并以该区域作为最接近局部放电源位置的一个小空间,在根据计算结果检查放电源时,应对计算结果所在空间进行搜寻,搜寻空间大小理论上取决于网格剖分大小,与网格尺寸成正比。3变压器交流接口系统局放源定位试验用试品为西安变压器厂1994年生产的SFP7-120000/220型变压器。变压器绝缘水平LI950AC395-LI400AC200/LI200AC85;额定电压220/37kV,额定容量120MVA;绕组连接标号YN,d11;三相3柱式铁心结构;低压绕组端部出线,高压绕组中部出线。变压器实物照片如图4所示。3.1天线的特殊处理定位测量传感器使用第1章中提出的平面等角螺旋天线传感器。平面等角螺旋天线安装在变压器油箱外壁上的指定位置处,同时天线接收面必须进入油箱内部一段距离接收内部故障源的放电射频信号,因此必须对天线本身结构进行特殊处理,一是设计合理的固定结构使之能够安装在箱壁上,二是由于天线本身不具备密封功能,必须通过设计合理的天线罩结构在不影响天线接收性能的前提下对天线进行密封,最终形成能够用于真实变压器上的定位传感器。天线利用环氧树脂对整体封装,同时加工能够与天线配套并能够与安装法兰连接的机械固定结构。这样,通过合理设计传感器形式,使其可以固定在油箱外表面的安装法兰上,同时可以使天线接收面进入油箱内部,加工的定位测量传感器如图5所示。3.2陶瓷管模型的建立在真实变压器内部的典型位置处人为设置气泡、针尖两类故障源作为定位研究对象。对于气泡模型,从模型真实性角度考虑选用变压器中原本存在的绝缘纸或纸板为原料进行设计最为合理,但在真实变压器内部的真空环境中,绝缘纸和纸板很容易被变压器油完全浸渍,模型放电的可靠性不高。因此选取圆柱形空心陶瓷管作为设计原料,陶瓷管外壁为电瓷,中间空心,两端用聚四氟密封塞密封,接触面涂以专用耐高温密封胶,确保密封,这样在陶瓷管内封住一段气体,将其置于油中强电场环境中可形成陶瓷管中的气泡放电,以此作为故障源进行定位研究,设计的模型照片见图6(a)。针尖模型选用直径2mm的裸铜线制成,将裸铜线的两端磨成尖状,长度可以根据实际情况灵活选取,同时根据不同的安装位置可以对裸铜线进行弯折,裸铜线本身具有一定的刚度,形状固定后不会轻易变形,确保安装后试验的安全性。针尖放电源照片如图6(b)所示。3.3220kV变压器定位试验系统的搭建3.3.1传感器及局放源安装在变压器吊罩后对油箱进行改造,在传感器安装位置处开孔并拆去内部磁屏蔽,在开孔处外边缘焊接安装法兰,传感器通过密封圈、螺栓固定在安装法兰上。根据超宽带射频定位技术的双传感器阵列理论,在变压器高、低压出线套管所在的油箱侧壁分别安装一组4阵元传感器阵列,分别用于检测所在铁心侧的故障源辐射电磁波信号(简称高压侧传感器阵列与低压侧传感器阵列,分别用SH1～SH4和SL1～SL4表示),每个传感器阵元的布置位置根据油箱具体结构而定,4个传感器阵元成4边形分布即可。传感器安装情况如图7所示。试品变压器每相设置一处放电源,A相设置针尖放电源,放电源设置在A相高压绕组引线夹持件部位,针尖一端插入引线中并与引线金属部分接触,另一尖端指向箱壁;B相设置气泡放电源,用绝缘细线系于B相线圈中部;C相设置针尖放电源,针尖一端插入C相高压绕组出线端并与金属部分接触,另一尖端指向箱壁。为确保试品加压安全,A、C相设置的尖端距离油箱壁>20cm,各相放电源的布置位置如图8所示。传感器及局放源安装完成后,以变压器器身所处空间作为定位空间,建立三维直角坐标系如图9所示。在定位空间中测量各传感器的安装位置坐标如表2、表3所示。传感器及放电源安装工作完成后,依照相关国家标准对变压器进行恢复、注油、静置等作业,电检各项指标通过后进行局放源定位研究。3.3.2超宽带射频定位测量系统考虑到真实变压器体积庞大,内部结构复杂,放电信号传播过程中衰减较为严重,在传感器检测回路中加入放大器以提高检测灵敏度。整套超宽带射频定位测量系统包括传感器、放大器、数字示波器、计算机(预装定位软件)等部分组成。放大器设计带宽为1～6GHz,最大增益为35.9dB,最小增益为34.4dB,增益平坦度0.9dB,噪声系数约为2.9dB。数字示波器模拟带宽6GHz,采样频率20GHz,4路检测通道。3.3.3局部加压时测数据采用单相感应耐压方法对变压器逐相加压。加压时缓慢升高电压,通过被试相套管末屏接入局放仪实时监测视在放电量,同时将被试相放电源所在侧的4路传感器经放大器进行信号调理后接入示波器的4路检测通道(针对此次试验,A、C相加压时,将高压侧传感器接入示波器,B相加压时,将低压侧传感器接入示波器)实时监测局部放电射频信号,当示波器四通道同步检测到局部放电信号后,停止加压,将示波器触发模式调为“NORMAL”模式,设置合理的触发电平,示波器自动连续触发采集并保存录200组波形数据。典型实测波形如图10所示。为消除定位测量系统自身的离散误差,采用通道注入法对系统误差进行标定,将标定的时延误差作为补偿量对实测时延进行修正,将修正后的时延值作为最终的定位参量。定位试验中,在被试相高压套管末屏接入局部放电测试仪同步测量放电源的视在放电量并进行记录,与最终的定位结果进行比较,衡量超宽带射频定位系统对预置放电源的检测灵敏度。3.3.4波速取值区间的设定研究表明油中射频信号波速值约为20cm/ns,但真变压器中放电信号传播路径复杂,受到铁心、绕组等金属件以及油、纸等绝缘介质的综合作用,因此传播机理复杂,目前尚无法给出准确的单一波速值,本文根据油中电磁波传播的物理机理,设定可能的波速取值区间,利用统计方法寻找适用于此次试验环境的最优波速值。波速取值区间设定为19～21cm/ns并以0.1cm/ns步长递进取值,分别求取各波速值对应的通道时延误差,在后续定位计算过程中,利用各波速值对应的时延补偿量对实测时延值进行修正,将修正后的时延值和对应的波速带入空间网格搜索算法进行定位计算。3.3.5间坐标系原点搜索空间将各相实测时延进行误差补偿后连同对应波速值带入空间网格搜索算法分别进行计算,搜索网格大小设定为5cm,起始搜索位置设定为定位空间坐标系原点,搜索空间为整个定位空间。计算完成后,分别统计每相局放源定位结果的误差值,在波速取值区间内找到三相局放源平均定位误差最小时的波速值,以此波速作为本文提出的定位系统的最优波速,误差统计结果如表4所示。从表4的定位误差统计情况来看,当波速取值为19.8或19.9cm/ns时,空间网格搜索算法的平均定位精度最高,给出在此波速下各相放电源4路同步信号的时延值及定位结果如表