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變壓器局部放電超高頻檢測的影響因素分析
摘要： 在變壓器局部放電超高頻檢測中， 超高頻天線傳感器的安裝環(huán)境與天線參數(shù)的測試環(huán)境往往差別較大，嚴(yán)重制約了超高頻天線傳感器，無暈試驗(yàn)變壓器 的實(shí)際應(yīng)用。為了弄清安裝環(huán)境的影響程度，作者利用仿真分析與試驗(yàn)研究相 結(jié)合的方法，探索性地開展了安裝位置、變壓器油和放油閥對超高頻天線傳感器駐波特性和檢測能力的影響 研究。初步分析表明，不同安裝位置天線的諧振頻率會(huì)有一定差異，但對檢測到的信號(hào)幅值影響不大；變壓 器油使得天線的諧振頻率有所降低，改變了天線的駐波特性，但不影響天線的檢測能力；放油閥會(huì)嚴(yán)重影響 單極子類天線的駐波特性，導(dǎo)致天線接收信號(hào)的能力下降，需采取措施進(jìn)一步解決。
關(guān)鍵詞：變壓器；局部放電；超高頻；諧振頻率；駐波特性 質(zhì)的不同，
影響因素主要有：
1 引言 1）安裝位置的不同。在超高頻檢測中， 天線安裝位置的不同使得電磁波從局放源 變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電（PD）時(shí)，能 到天線的傳播路徑各異，傳播路徑中的各種 產(chǎn)生陡度為 ns 級(jí)的電流脈沖， 激發(fā)的電磁波 介質(zhì)和金屬導(dǎo)體會(huì)影響超高頻信號(hào)的頻譜， 頻率可達(dá)到 300MHz～3GHz 左右，并由 PD 使得相同類型和性能參數(shù)的天線在不同的 源處向四周傳播，因此，可通過超高頻法[1-6] 安裝位置檢測到的信號(hào)頻譜發(fā)生變化。 對發(fā)生于變壓器內(nèi)部的局部放電電磁波信號(hào)
2） 變壓器油的影響。 由于變壓器油和空 進(jìn)行檢測。 氣的相對介電常數(shù)差別較大，油中電磁波的 在超高頻法檢測中，傳感器是關(guān)鍵，既 傳播速度變小，使得相同頻率的電磁波長變 要求檢測性能良好，還要求安裝方便。變壓 小，從而改變了天線的諧振頻率。 器外殼是一個(gè)封閉的金屬箱體，對超高頻電
3） 放油閥的影響。 放油閥可近似認(rèn)為是 磁波信號(hào)有屏蔽作用，不利于外置超高頻天 一個(gè)空心的金屬圓柱，具有一定的電磁屏蔽 線進(jìn)行檢測，為了取得更好的檢測效果，對 效果，對安裝于此的天線，會(huì)影響其接收性 于運(yùn)行中的變壓器，更多的做法是把超高頻 能。 天線深入變壓器內(nèi)部進(jìn)行檢測，通常箱體上 的法蘭盤[1]和放油閥[3]是比較合適的安裝位 3 PD 超高頻模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 置。 超高頻傳感器的設(shè)計(jì)和性能測試環(huán)境通 PD超高頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由3.1m×2.35m 常是在空氣中，且周圍沒有介質(zhì)的影響，這 ×2.05m變壓器箱體、人工缺陷模型、信號(hào) 與傳感器的安裝環(huán)境差別較大，所以設(shè)計(jì)的 測試系統(tǒng)和無暈工頻試驗(yàn)電源等組成。試驗(yàn) 天線在安裝后，其參數(shù)性能會(huì)發(fā)生變化，可 接線如圖1所示，圖中T1為電動(dòng)調(diào)壓器（型 能會(huì)影響電磁波信號(hào)的檢測，而目前國內(nèi)外 號(hào)為TEDGC-25） T2為無暈試驗(yàn)變壓器 ， （型 在這方面的研究很少。本文利用仿真和實(shí)測 號(hào)YDTW-25kVA/100kV），R為20k Ω 保護(hù) 研究，分析了天線安裝后，環(huán)境對天線駐波 電阻。圖中1、2、3和4是位于箱體外壁上的 的變化以及天線檢測能力的影響。 4個(gè)不同的天線安裝位置，在試驗(yàn)中位于3和 4處的超高頻天線檢測局部放電信號(hào)，并用 2 超高頻檢測的影響因素 高速數(shù)字示波器（Tektronix DPO7104數(shù)字示 波器，帶寬1GHz，zui大采樣率20GS/s）記錄 根據(jù)超高頻天線安裝環(huán)境以及所接觸介 波形。首先對位置 3 和 4 的套 筒單極子天線進(jìn)行頻譜校正，方法如下[7]： 1）在不接試驗(yàn)電源情況下，從圖 1 中 的缺陷模型的高壓端處注入模擬放電脈沖 信號(hào)，來獲取天線接收的比較信號(hào)。為了更 準(zhǔn)確地表征天線的頻譜特性，模擬的放電脈 沖要有盡量陡的上升沿和較強(qiáng)幅值，使天線 檢測到的信號(hào)幅值盡可能大。 2）同時(shí)采集兩天線所檢測到的放電信 號(hào)，分析其頻譜特性，可認(rèn)為是當(dāng)圖 1 中的 缺陷發(fā)生局部放電時(shí)，處于位置 3 和 4 處的 套筒單極子天線校正頻譜。 圖 1 試驗(yàn)接線圖 圖 2 套筒單極子天線的外觀 目前，用于變壓器局部放電超高頻檢測 的天線主要有線天線和平面天線，本文選用 線天線中的套筒單極子天線，其不僅具有單 極子天線結(jié)構(gòu)簡單、制作方便的特點(diǎn)，通過 參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)天線在頻段內(nèi) 具有良好的駐波特性、較高的增益及基本穩(wěn) 定的方向圖。圖 2 為本文設(shè)計(jì)制作的套筒單 極子天線，經(jīng)實(shí)測，駐波小于 2 的頻帶約為 350MHz~525MHz，如圖 3 所示。 圖 4 不同安裝位置套筒單極子天線的校正信號(hào)頻 譜 位置 3 和 4 的兩個(gè)套筒單極子天線尺寸 *相同，其實(shí)測駐波比曲線的差別較小。 圖 4 是安裝后位置 3 和 4 處套筒單極子天線 的 校 正 頻 譜 ， 位 置 3 的 天 線 在 350MHz-650MHz 之間，550MHz 左右具有 較好的檢測性能，位置 4 處的套筒單極子檢 測頻帶約 300MHz-500MHz，在 400MHz 左 右具有*的檢測性能。 圖3 套筒單極子天線實(shí)測駐波比曲線 4 影響因素分析 4.1 安裝位置不同的影響 通常天線的駐波特性與所檢測到的信 號(hào)頻譜密切相關(guān)，頻譜在一定程度上可反映 天線的駐波特性，由于實(shí)際安裝后的天線駐圖 5 不同安裝位置套筒單極子天線檢測到的放電 信號(hào) 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專委會(huì) 2007 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 所示，兩個(gè)信號(hào)的波形、幅值以及頻譜均比 較接近，說明空氣中兩天線的性能差別不 大。圖 8（b）中波形 1 和 2 分別是空氣中和 油中的套筒單極子天線檢測到的信號(hào)，對比 可知，置于油中天線所檢測到的信號(hào)波形產(chǎn) 生了變化，且振蕩持續(xù)的時(shí)間增長，原因是 盛油器和變壓器油的存在使信號(hào)產(chǎn)生了折 反射，使得信號(hào)振蕩的時(shí)間增長。對比圖 9 （b）中兩個(gè)信號(hào)的頻譜，放置在油中的天 線檢測到的信號(hào)低頻段的能量更多，原因是 變壓器油的相對介電常數(shù)大于空氣，使得電 磁波在油中的傳播速度變小，而套筒單極子 天線的尺寸與電磁波長密切相關(guān)，在天線尺 寸不變的條件下，降低了套筒單極子天線的 諧振頻率。分別仿真套筒單極子天線在空氣 和油中的駐波比曲線如圖 10 所示，可以看 到在油中天線駐波小于 2 的頻帶明顯向低頻 移動(dòng)。 1 圖 6 不同安裝位置套筒單極子天線檢測到放電信 號(hào)頻譜 圖 5 和圖 6 是試驗(yàn)電壓 6.3kV 下兩天線 檢測到的放電信號(hào)及其頻譜，圖中兩信號(hào)的 頻譜差異比較大，說明安裝位置對天線檢測 到的信號(hào)頻譜有一定的影響，但兩者的信號(hào) 幅值卻差別不大。 4.2 變壓器油的影響 天線的安裝可采用文獻(xiàn)[8]中的方式，用 環(huán)氧樹脂材料澆注封裝天線整體，避免了天 線與變壓器油直接接觸，但在許多情況下， 天線仍然可能會(huì)與變壓器油接觸。因此，需 要了解變壓器油對天線性能的影響程度。 為了測試套筒單極子天線在油中的性 能，同樣使用兩個(gè)尺寸*相同的套筒單極 子天線進(jìn)行對比檢測，分別取編號(hào) 1 和 2， 其中天線 2 倒轉(zhuǎn)放置在充滿變壓器油的容器 （尺寸 φ 25.3 cm×24.4cm，容器材料為有機(jī) 玻璃）中來模擬變壓器中天線被油包圍的情 況，天線 1 放置在空氣中進(jìn)行檢測對比，這 種對比不僅體現(xiàn)在空氣和油中接收性能，還 體現(xiàn)了在多層不同的介質(zhì)折反射對信號(hào)檢 測的影響。兩天線的位置等高，且均在* 接收角度上，另外，保持兩天線到局放源的 距離均為 1.2m， 以及天線到示波器的兩同軸 電纜長度也相等。 10mV/div 2 80ns/div （a） 兩天線在空氣中 （b） 兩天線分別在空氣和油中 圖 8 空氣和油中的天線檢測到的信號(hào) 圖 7 模擬局部放電脈沖 使用圖 7 所示的脈沖來模擬局部放電 源，并用天線激發(fā)出 UHF 信號(hào)[9-10]，該脈沖 信號(hào)上升沿小于 2ns，半峰處脈寬約 2ns。當(dāng) 兩個(gè)套筒單極子天線均在空氣中時(shí)，其檢測 到的信號(hào)及其頻譜分別如圖 8 （a） 和圖 9 （a） 由于變壓器油的相對介電常數(shù)約 2.2， 計(jì)算可得電磁波在油中的傳播速度約為 2.0226×108m/s，如果套筒單極子天線在空氣 中駐波曲線的頻帶低端為 350MHz，則可計(jì) 算在油中的低端頻率約為 236MHz，這與圖 10 仿真計(jì)算的油中駐波曲線的頻帶低端比 較接近。另外，對比可知空氣和油中單極子 天線的駐波曲線波形比較接近，zui小駐波值 也較為接近。 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專委會(huì) 2007 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 檢測能力，這與試驗(yàn)研究結(jié)果比較一致。因 此，在實(shí)際應(yīng)用中，要把天線稍微伸進(jìn)變壓 器箱體內(nèi)部一些，這在一定程度上能提高安 裝后天線的檢測性能， 還可加裝濾波放大器， 彌補(bǔ)因金屬體帶來的天線信噪比和靈敏度的 降低。 1 （a）兩天線在空氣中 5mV/div 2 100ns/div （a）未加放油閥 （b）兩天線分別在空氣和油中 圖 9 空氣和油中的天線檢測到的信號(hào)頻譜 （b）加放油閥 圖 11 放油閥對信號(hào)檢測的影響 圖 10 空氣和油中天線的仿真駐波曲線 4.3 放油閥對性能的影響 變壓器放油閥作為內(nèi)置天線傳感器的 一個(gè)安裝部位， 需要了解對天線性能的影響。 試驗(yàn)研究中把一真實(shí)的放油閥套裝在圖 1 中 位置 3 處的套筒單極子天線上，并與位置 4 處的套筒單極子天線進(jìn)行對比。 11 是未加 圖 放油閥和加放油閥兩種情況下的對比圖，其 中曲線 1 和 2 分別是位置 4 和 3 處的套筒單 極子天線所檢測到的信號(hào)，對比可知，放油 閥對信號(hào)幅值有較大影響。在理論仿真研究 中，用長 16cm，內(nèi)徑 5cm，厚 1cm 的金屬 空心圓柱筒替代放油閥，仿真駐波曲線如圖 12 所示， 可以看到此時(shí)天線的駐波曲線* 不符合天線的設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)重影響了信號(hào)的 圖 12 放油閥中套筒單極子天線的仿真駐波曲線 5 結(jié)論（1）不同安裝位置會(huì)影響的天線性能， 從而進(jìn)一步影響所檢測到的信號(hào)頻譜，但對 信號(hào)的幅值影響不大； （2）由于電磁波的傳播速度與空氣中的 速度不同，對于單極子類天線來說，變壓器 油會(huì)降低天線的諧振頻率，改變了天線的駐 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)高壓專委會(huì) 2007 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 波特性，但不影響天線的檢測能力； （3）變壓器放油閥對單極子類天線的駐 波特性有較大影響，嚴(yán)重影響天線對電磁波 信號(hào)的接收能力。