2007 变压器局部放电超高频信号的外部检测

变压器局部放电超高频信号的外部检测王 颂1,2,赵晓辉1,方晓明1,李延沐3,李彦明1(11西安交通大学电气工程学院,西安710049;21中国南方电网超高压输电公司广州局,广州510405;31西安建筑科技大学机电学院电气教研室,西安710055)

摘 要:电力变压器局部放电超高频检测法中一般将传感器安装于箱体内部,这对已投入运行的变压器来说是有潜在危害的。为此,先分析了变压器箱体对局部放电超高频电磁波传播的影响,探讨了接收天线外部检测超高频信号的可行性,再实验研究了局放超高频电磁波的外传播特性。结果表明,超高频电磁波可以透过变压器箱体夹缝衍射出来,外部检测到的超高频信号强度随着变压器箱体缝宽增大而增大;变压器套管附近安装接收天线也能检测到超高频信号。关键词:局部放电;超高频信号;外部检测;等角螺旋天线;电力变压器;传播特性中图分类号:TM835.4文献标志码:A文章编号:1003-6520(2007)08-0088-04

基金资助项目:国家自然科学基金(50377034)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50377034).

UHFSignalExternalDetectionofPartialDischargeinTransformersWANGSong1,2,ZHAOXiao-hui1,FANGXiao-ming1,LIYan-mu3,LIYan-ming1(1.SchoolofElectricalEngineering,Xi.anJiaotongUniversity,Xi.an710049,China;2.ExtraHighVoltageTransmissionCorporationofChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510405,China;3.SchoolofMechanicalandElectrical,Xi.anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi.an710055,China)

Abstract:Partialdischarge(PD)isasymptomoftheinsulationdeteriorationintransformers.DetectingPD,there-fore,isanimportantstrategytomonitortheconditionoftheinsulationsystemoftransformers.Severaltechniquesareappliedtothisfieldincludingacoustic,electricalandchemicalmethods.UltraHighFrequency(UHF)techniquewhichisdevelopedinrecentyearsisoneoftheelectricalmethods.ThroughdetectingUHFE-MwavesemittedfromPDsources,PDscouldbedetectedintransformers.UHFdetectiontechniquehassomeadvantagesthatthemeasur-ingfrequencyishigh,muchinterferencesuchascoronacanberejected,theSNR(signalnoiserate)ishighandthesensitivityandthereliabilityarebothgood.Usually,UHFsensorsareinstalledinthetransformertank.However,therewillbepotentialperilfortransformersinservice.TheeffectoftransformertankonUHFwavepropagationisanalyzedinthispaper.ThefeasibilityofusingexternalUHFsensorfordetectingpartialdischargeactivitiesisdis-cussed,andthenoutsidepropagationcharacteristicofUHFE-Mwaveisexperimentallystudied.TheresultsshowthatUHFsignalscouldleakoutsidethetransformerthroughthecracksaftermultiplerefractionandreflectioninthetransformertank.Anantennaoutsidethetankcouldreceivethesignals.Thesizeofthecrackwillinfluencethestrengthofthereceivedsignal,thebiggerthecrackis,thebiggerthestrengthwillbe.Meanwhile,theresearchre-sultsshowthatUHFsignalcanbereceivedaroundthebushing.Keywords:partialdischarge;UHFsignal;externaldetection;equiangularspiralantenna;powertransformers;propagatingcharacteristics

0 引 言局部放电的检测是电力变压器绝缘状态监测的重要手段。局部放电的超高频(UHF)检测方法是通过传感器接收变压器内部局部放电所激发的UHF电磁波信号,实现局部放电的检测。UHF法的测量频率高,可避开变压器外部电晕等多种干扰的影响,信号的信噪比高,检测灵敏度高,可靠性好[1-7]。用UHF法在线监测变压器局部放电时,接收

天线最理想的安装位置为变压器箱体内,变压器箱体屏蔽作用良好,利于提高测量系统的抗干扰能力[1]。因此,接收天线最适宜的安装方式有三:一是放油阀安装方式[8],通过放油阀将传感器深入变压器油中,它不会影响变压器的正常运行;二是人孔安装方式,传感器安装在变压器人孔端盖上,需在变压器大修或放油处理时实施;三是预制方式,变压器出厂前预制探头,但对已投入运行的变压器则很难实现。故对已投运的变压器来说,接收天线须放置在变压器箱体外,靠接收从金属导体之间的缝隙或接地引线辐射出来的UHF信号监测变压器的局部放电信号。本文在理论分析变压器箱体对局部放电UHF电磁波传播的影响的基础上,探讨了接收天

#88#第33卷第8期2007年 8月高 电 压 技 术

HighVoltageEngineeringVol.33No.8Aug. 2007 线外部检测UHF信号的可行性,并实验研究了局放UHF电磁波的外传播特性。1 变压器箱体对电磁波传播的影响1.1 电磁波在导体中的衰减特性局放电磁波在均匀导电介质中的传输特性可由包含3个电磁常数E、L、C的波动方程[9,10]决定:à2E-jXCLE+X2ELE=0,(1)其中E为介电常数,L为磁导率,C为电导率,E为电场强度,X=2Pf为角频率。对弱导体(C/XE[1),传输参数[10]可简化为AUC2LE1-C28X2E2,BUXLE1+C28X2E2,vpU1LE1-C28X2E2,ZULE1+jC2XE,(2)其中,A、B、vp、Z分别为衰减常数、相位常数、传播速度和波阻抗。此时电磁波的传播速度只比理想介质中的传播速度稍有下降。对良导体(C/XE\1),传输参数[10]可近似为AUXLC/2,BUXLC/2,vpU2X/LC,ZUXL/CNP/4。(3) 在良导体中A和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、磁场强度及电流密度等)都按e-Az的指数规律衰减,且随着C、L的增加、频率f的升高而衰减得越快。因此,良导体表面处的场量最大,愈深入内部,场量愈小。电磁波的电、磁场总是集中在导体表面,其趋肤深度[7]为D=1/A=1/B=2/XLC。(4) f=1GHz的电磁波,对变压器箱体的D约为01119Lm。故由理论推导可知,变压器金属箱体外壳对变压器UHF局部放电测量影响很大,需采取措施才能检测到电磁波,如将UHF传感器置于变压器内部等[9]。1.2 电磁波在夹缝处的衍射通常电力变压器绝缘结构中的局部放电可看成是由一点源发出的,当绝缘介质某处发生局部放电时,所产生的电磁扰动随时间变化产生电磁波,它们遵循麦克斯韦的电磁场基本方程[5]。在传播过程中,每处的电场强度和磁感应强度的方向总是相互垂直的,且都与该处的电磁波的传播方向垂直。所以说电磁波是一种横波,其能量沿电磁波的传播方向流动[9,11]。电磁波在传播过程中离开直线传播的路径绕到障碍物背后的现象叫衍射,电磁波在任何情况下都会发生衍射现象,但在障碍物或孔的尺寸与波的波长K差不多,或比K小时,才会发生明显的衍射现象[12]。众所周知,任何电磁波在真空中的传播速度都等于真空中的光速c=3@108m/s。且有c=Kf,局部放电时产生的电磁波是由在频域范围内分布很广的各种K不等的波所构成的。当波穿过变压器的夹缝向外传播时,由于夹缝的存在,电磁波会发生衍射现象,K与夹缝宽度b差不多或比b大的波会发生明显的衍射现象。如变压器的b=1cm,相对应的可发生明显衍射的波的频率界限是f<30GHz。研究表明,油中局部放电上升沿很陡,脉宽多为ns级,能激发\1GHz的电磁波[13,14]。因此,局部放电时所发射出的电磁波在通过箱体夹缝传播时,都可发生明显的衍射现象。衍射现象的存在使得利用UHF传感器在外部接收通过夹缝衍射出来的电磁波成为可能。

2 实验及结果分析2.1 实验准备实验系统接线原理图见图1。通过外置UHF传感器接收放电管G模拟的超宽带局部放电信号并显示在数字示波器上,记录局部放电信号的脉冲波形及其统计特性。UHF信号发生源:采用自行研制的高压亚ns脉冲发生器作为UHF信号发生源。该发生器产生的脉冲波形稳定,上升沿<500ps,脉宽<1ns,幅值>4kV,可在015~1GHz范围内激励出明显的电磁波信号[15]。UHF传感器:采用自制的等角螺旋天线(外观见图2)作为外置传感器,有效检测频带为014~115GHz。示波器:采用泰克公司的TDS-680B示波器作为UHF信号分析仪器,其采样频率最高5GHz,带宽1GHz,存储深度16kB。2.2 结果分析实验过程中,将亚ns脉冲源放置在实验用变压器箱体内一侧,对信号发生源施加工频电压使之放电,将等角螺旋天线置于变压器内部直接检测UHF信号;再将等角螺旋天线置于变压器外部,检测通过变压器箱盖上的套管所辐射出的UHF信号,来分别检测局部放电信号。调整变压器箱体盖板缝隙的大小及天线离套管的距离,将等角螺旋天线检测到的变压器中局部放电的UHF放电信号进行对比。1)变压器箱体内外接收信号的比较实验时先测量UHF传感器放置在箱体内部时接收到的UHF信号;再将变压器的盖子与箱体中