趙煦,孟永鵬,成永紅,鄒琳,劉通,李銳海

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.南方電網(wǎng)電力科學(xué)研究院,510080,廣州)

?

變壓器繞組對(duì)局部放電電磁波傳播特性的影響

趙煦1,孟永鵬1,成永紅1,鄒琳2,劉通2,李銳海2

(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.南方電網(wǎng)電力科學(xué)研究院,510080,廣州)

為了研究變壓器繞組對(duì)局部放電電磁波傳播特性的影響,根據(jù)一臺(tái)330 kV變壓器繞組的實(shí)際結(jié)構(gòu),建立了變壓器繞組仿真計(jì)算模型。采用時(shí)域有限差分法(FDTD)研究了局部放電發(fā)生在繞組內(nèi)部和外部時(shí),變壓器繞組對(duì)電磁波時(shí)域波形幅值的衰減規(guī)律,以及在相同的條件下繞組對(duì)局部放電電磁波頻譜分布的影響,并通過(guò)與無(wú)障礙空間中傳播時(shí)局部放電電磁波的頻率特性進(jìn)行對(duì)比,得到了局部放電電磁波不同頻率段的頻率幅值和,及其在總頻率幅值和中所占的比例。研究發(fā)現(xiàn):繞組對(duì)內(nèi)部放電和外部放電產(chǎn)生的局部放電電磁波傳播特性的影響不同,繞組對(duì)內(nèi)部放電產(chǎn)生的不同頻率段電磁波的幅值有增強(qiáng)的作用,而且對(duì)1 000～2 500 MHz高頻段的增強(qiáng)作用比其他頻率段強(qiáng);繞組對(duì)外部放電產(chǎn)生的電磁波幅值有較強(qiáng)衰減作用,穿過(guò)繞組后電磁波的幅值至少衰減為無(wú)障礙空間時(shí)幅值的70%。

變壓器;局部放電;電磁波;傳播特性

局部放電是引起電力變壓器絕緣損傷并引發(fā)故障的一個(gè)重要原因。在現(xiàn)有的局部放電檢測(cè)方法中,特高頻(UHF)檢測(cè)由于具有檢測(cè)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、信息量豐富、現(xiàn)場(chǎng)使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注[1-4]。相比其他電力設(shè)備,變壓器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,包含繞組、鐵芯、油紙板、導(dǎo)線、油箱等部件。不同組件的形狀和材料各異,使得局部放電激發(fā)的電磁波信號(hào)在變壓器內(nèi)傳播時(shí)受到多次衰減、反射和衍射,其傳播路徑和傳播特性與在無(wú)障礙空間傳播相比,發(fā)生了更為復(fù)雜的變化,最終影響局部放電檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此,研究UHF局部放電信號(hào)在變壓器內(nèi)的傳播特性以及各個(gè)變壓器組件對(duì)放電信號(hào)特征的影響規(guī)律是進(jìn)行局部放電檢測(cè)、識(shí)別和定位的重要基礎(chǔ)。為此,各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了長(zhǎng)期廣泛的研究工作,取得了許多重要成果[5-7]。然而,以往的文獻(xiàn)無(wú)論是針對(duì)局部放電電磁波傳播特性的理論計(jì)算還是實(shí)驗(yàn)?zāi)M,其研究?jī)H僅還停留在定性分析階段,缺少具體的量化指標(biāo)。目前還沒(méi)有針對(duì)變壓器組件(如繞組和鐵芯)建立起與真實(shí)結(jié)構(gòu)相近似的理論計(jì)算模型,從而系統(tǒng)研究不同組件形狀和尺寸下局部放電電磁波時(shí)域和頻域特征與傳播路徑之間的關(guān)系,同時(shí)也缺乏與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,使得現(xiàn)有的研究結(jié)果還很難用于指導(dǎo)真正的UHF局部放電檢測(cè)。本文采用時(shí)域有限差分法建立與真實(shí)變壓器繞組結(jié)構(gòu)相同的仿真模型,通過(guò)仿真計(jì)算得到變壓器內(nèi)典型放電類型激發(fā)的電磁波在傳播過(guò)程中受繞組影響后,在時(shí)域特征和頻域特征上的變化規(guī)律。

1 局部放電電磁波的計(jì)算方法

局部放電電磁波本質(zhì)上是一種寬頻帶暫態(tài)電磁波,其傳播空間中每一個(gè)點(diǎn)的電場(chǎng)值E和磁場(chǎng)值H都是空間(x,y,z)和時(shí)間t的函數(shù)。時(shí)域有限差分法(FDTD)是能夠在時(shí)域空間求解平面電磁波的有效方法之一,借助中心差分逼近算法,對(duì)偏微分形式的Maxwell方程在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散化[8]。由于該方法不受材料非線性特性的影響,因此可以用來(lái)計(jì)算局部放電激發(fā)的寬頻帶放電電磁波信號(hào),得到其時(shí)域波形,并進(jìn)一步分析變壓器組件對(duì)不同頻率帶局部放電電磁波傳播時(shí)頻域特征的影響。具體的計(jì)算方法表示為

(1)

(2)

式中:E和H分別表示電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度;n表示計(jì)算時(shí)間;k表示z軸方向的空間步長(zhǎng)。從式(1)、式(2)中可以看出:電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上是交替出現(xiàn)的,而且假設(shè)磁場(chǎng)在空間上位于相鄰的2個(gè)電場(chǎng)之間,通過(guò)在時(shí)間和空間上同時(shí)迭代計(jì)算;電場(chǎng)強(qiáng)度E通過(guò)n-1/2時(shí)間的E和n時(shí)刻與該E在空間上相鄰的2個(gè)磁場(chǎng)值計(jì)算得到。

由電磁場(chǎng)和電磁波分析的相關(guān)理論[9]可知:在電磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),電場(chǎng)Ex、Ey、Ez這3個(gè)方向的分量中Ex方向幅值最大。電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系為Ex=377Hy,相對(duì)于電場(chǎng)來(lái)說(shuō),磁場(chǎng)幅值很小,在分析中可以不予考慮,因此在本文所有計(jì)算中僅采用電場(chǎng)在x軸方向的分量來(lái)說(shuō)明變壓器繞組對(duì)電磁波信號(hào)傳播特性的影響。

繞組是變壓器內(nèi)的主要組件和絕緣結(jié)構(gòu),由銅導(dǎo)線和油紙構(gòu)成,每段繞組由油紙包繞銅導(dǎo)線形成多匝螺旋結(jié)構(gòu),段與段間為油隙。本文根據(jù)一臺(tái)330 kV變壓器的繞組結(jié)構(gòu)建立了局部方面信號(hào)在變壓器繞組中傳播的FDTD模型,其縱向剖面圖如圖1所示。圖中局部放電源的位置可根據(jù)需要設(shè)置為匝間放電、段間放電以及外部放電。局部放電的觀察點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn))放置在繞組右側(cè)。繞組匝數(shù)和段數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整。繞組中銅線規(guī)格為1.5 mm×7.5 mm;包繞銅導(dǎo)體的絕緣紙單邊厚度為1 mm;繞組段與段的間隙為(油隙厚度)為4 mm。仿真中局部放電源到繞組左邊緣的距離設(shè)為150 mm,在繞組右側(cè)的4個(gè)不同的觀測(cè)點(diǎn)(P1、P2、P3和P4)獲取局部放電信號(hào)進(jìn)行分析,如圖1中所示。

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[6,10]確定了局部放電電磁波傳播特性的仿真計(jì)算參數(shù),局部放電電磁波在無(wú)障礙空間傳播的介質(zhì)為變壓器油,傳播速度為2 m/s。變壓器油的相對(duì)介電常數(shù)為2.2,磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m,由于其良好的絕緣性能,計(jì)算中電導(dǎo)率近似取為0;油紙絕緣的相對(duì)介電常數(shù)為4.4,磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m,電導(dǎo)率為1×1011S/m;繞組中銅導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)為無(wú)窮大,電導(dǎo)率為5.96×107S/m,磁導(dǎo)率設(shè)為1。

W為銅導(dǎo)線寬度;H為銅導(dǎo)線高度;L絕緣紙厚度;P1～P4為觀察點(diǎn)圖1 變壓器繞組對(duì)電磁波傳播特性影響的FDTD模型

仿真中將局部放電源等效為一個(gè)電偶極子天線,其長(zhǎng)度為1 mm,激勵(lì)源為歸一化處理的局部放電脈沖電流波形。計(jì)算中注入的電流方向?yàn)閤軸負(fù)方向,FDTD計(jì)算的網(wǎng)格劃分尺度為1 mm×1 mm。本文為了研究真實(shí)局部放電電磁波在變壓器中的傳播特性,建立了4種典型的單一模式變壓器局部放電模型(金屬顆粒懸浮電位放電、電暈放電、油楔放電和油紙板內(nèi)部氣隙放電),并采用IEC60270規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)局部放電測(cè)量方法得到了不同放電模式下的局部放電電流波形,提取的放電電流時(shí)域基本特征參數(shù)如表1所示。

表1 局部放電脈沖電流特征參數(shù)

2 繞組對(duì)放電電磁波時(shí)域特征的影響

(a)t=20.3 ns

(b)t=21.7 ns

(c)t=27 ns

(d)t=43 ns圖2 繞組段間局部放電電磁波傳播的動(dòng)態(tài)過(guò)程

以發(fā)生在繞組段間的電暈放電為例,通過(guò)FDTD計(jì)算模擬得到了局部放電電磁波經(jīng)過(guò)繞組時(shí)的傳播動(dòng)態(tài)過(guò)程,如圖2所示?？梢钥吹?與無(wú)障礙空間電磁波的傳播過(guò)程不同,放電電磁波經(jīng)過(guò)繞組中銅線和油紙界面的多次反射、散射和繞射作用后,傳播到繞組外部,最終放電電磁波不再是以球面波均勻向四周輻射,且在繞組的段間與匝間多個(gè)位置產(chǎn)生局部振蕩,如圖2d所示,從而在與放電源相鄰兩側(cè)的繞組匝間形成了一些局部場(chǎng)強(qiáng)較高的區(qū)域。在圖1觀測(cè)位置P2獲得的局部放電電磁波的波形如圖3所示。

圖3 電暈放電電磁波的時(shí)域波形

將電暈放電發(fā)生在繞組內(nèi)部(段間放電)時(shí)2種不同繞組結(jié)構(gòu)(10匝10層和30匝20層)對(duì)電磁波時(shí)域波形幅值的影響,與無(wú)障礙空間的電磁波傳播的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示?？梢钥闯?對(duì)于10匝繞組和30匝繞組,當(dāng)電磁波穿過(guò)繞組后,其幅值與無(wú)障礙空間的幅值基本一致,也就是說(shuō),其影響基本可以忽略。

圖4 繞組內(nèi)部放電對(duì)電磁波幅值的影響

采用同樣的方法對(duì)發(fā)生在繞組外部的懸浮放電電磁波傳播過(guò)程進(jìn)行了仿真,得到了繞組結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波時(shí)域波形幅值的影響,如圖5所示?？梢钥吹?在這種情況下,電磁波要穿過(guò)整個(gè)繞組,在進(jìn)入繞組時(shí)一部分電磁波被繞組銅導(dǎo)線反射,使得電磁波幅值有一定程度衰減。當(dāng)電磁波穿過(guò)繞組時(shí),繞組對(duì)外部放電產(chǎn)生的電磁波幅值有很強(qiáng)的衰減作用,電磁波的幅值衰減為無(wú)障礙空間時(shí)幅值的70%,這部分衰減主要是由于電磁波傳播至繞組時(shí),由繞組銅導(dǎo)線反射引起的。

圖5 繞組外部放電對(duì)電磁波幅值的影響

3 繞組對(duì)放電電磁波頻域特征的影響

(a)測(cè)量點(diǎn)P1

(b)測(cè)量點(diǎn)P2

(c)測(cè)量點(diǎn)P3

(d)測(cè)量點(diǎn)P4圖6 繞組對(duì)局部放電電磁波頻率分布的影響

將計(jì)算得到的時(shí)域波形進(jìn)行FFT分析得到電磁波電場(chǎng)時(shí)域波形的頻譜分布。圖6為發(fā)生在繞組段間的電暈放電在繞組中傳播時(shí),在不同觀測(cè)點(diǎn)得到的繞組結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波頻譜的影響。從圖中可以看到:測(cè)量點(diǎn)P1(即繞組出口處)的波形頻譜不同于其他3個(gè)測(cè)量點(diǎn),含有更多的低頻分量,且各個(gè)頻率分量的幅值都比其他測(cè)量點(diǎn)的頻率分量幅值大;對(duì)比測(cè)量點(diǎn)P4,測(cè)量點(diǎn)P2、P3的頻譜中在25 MHz的頻率處出現(xiàn)一個(gè)波谷,在90 MHz附近出現(xiàn)一個(gè)波峰;測(cè)量點(diǎn)P4的頻譜與測(cè)量點(diǎn)P1的低頻部分相似,但強(qiáng)度要小得多,并且含有更多的高頻成分。這說(shuō)明在放電電磁波到達(dá)繞組外部時(shí),在相同位置具有相似的頻域特征,只是在頻譜幅度上存在一定程度的差異。

將得到的放電電磁波的頻譜分為6個(gè)相鄰的頻率段(0～100 MHz、100～200 MHz、200～300 MHz、300～500 MHz、500～1 000 MHz和1 000～2 500 MHz),各個(gè)頻段內(nèi)的頻率幅值和M由下式確定

(3)

式中:xi為各離散頻率點(diǎn)的幅值;n為頻率段內(nèi)的頻率點(diǎn)數(shù)。

通過(guò)比較不同頻段的頻率幅值和分析了繞組對(duì)局部放電電磁波特征頻率的影響。以放電發(fā)生在繞組段間為例,分析結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹?當(dāng)繞組內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí),在繞組外部電磁波不同頻率段的幅值和比無(wú)障礙空間時(shí)增大,但是繞組匝數(shù)對(duì)電磁波各頻率段幅值和的增強(qiáng)作用并不明顯。同時(shí),繞組對(duì)電磁波不同頻率段幅值和的增強(qiáng)程度不同,對(duì)高頻段尤其是1 000～2 500 MHz頻率段的增強(qiáng)作用比其他頻率段要大得多。

圖7 不同類型繞組下內(nèi)部放電的電磁波頻率幅值和

圖8為不同電磁波各頻率段的頻率幅值和占整個(gè)頻譜總幅值和的比例kM,用下式表示

(4)

式中:Mi為第i個(gè)頻率段內(nèi)的電場(chǎng)幅值和。

從圖8可以看到:高頻段(500～1 000 MHz和1 000～2 500 MHz)頻率幅值和的比例增大,而其他頻率段的比例有所下降。當(dāng)繞組匝數(shù)從10匝增加到30匝時(shí),高頻段的比例繼續(xù)上升而其他頻率段的比例繼續(xù)下降。相比無(wú)障礙空間下電磁波的傳播特性,高頻段(1 000～2 500 MHz)的比例增加最多,增加了約10%,而其他頻率段的比例變化幅度整體較小。

圖8 不同類型繞組下電磁波頻率幅值和的比例

圖9為外部放電時(shí)計(jì)算得到的各頻率段的幅值和?？梢钥吹?當(dāng)發(fā)生外部放電時(shí),繞組對(duì)電磁波各個(gè)頻率段的幅值和比例的影響較小,只使得高頻段(1 000～2 500 MHz)的比例所有增加,增加值為5%,而其他各個(gè)頻率段的比例基本沒(méi)有變化。

圖9 外部放電對(duì)電磁波各頻率段的幅值和比例的影響

圖10 不同放電類型受繞組影響的頻率幅值和比例

進(jìn)一步分析了在4種不同局部放電模式下,繞組對(duì)局部放電電磁波各個(gè)頻率段頻率幅值和的影響,圖10是當(dāng)放電發(fā)生在繞組內(nèi)部(段間)時(shí),不同放電類型對(duì)應(yīng)的頻率幅值和占整個(gè)頻率幅值和的比例。為了便于比較,同時(shí)給出了無(wú)障礙空間傳播時(shí),不同放電類型的頻率幅值和的比例,如圖11所示。比較圖10和圖11可以看到:對(duì)于懸浮放電而言,500～1 000 MHz范圍內(nèi)的比例基本保持不變;500 MHz以下的各頻率段都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),1 000～2 500 MHz的高頻段分量有顯著的增加;其余3種放電類型各個(gè)頻率段的變化趨勢(shì)基本與懸浮放電的變化趨勢(shì)一致,但由于不同放電類型各個(gè)頻率段的比例各不相同,使得受到繞組影響后4種放電類型的頻率幅值和的比例仍具有可分性。同時(shí),可以看到,懸浮放電類型和油楔放電類型的各個(gè)頻率段的比例分布相似,電暈放電類型的高頻成分比例最大,氣隙放電類型高頻段的比例較無(wú)障礙空間中的比例有顯著增加。

圖11 無(wú)障礙空間不同放電類型頻率幅值和的比例

4 結(jié) 論

采用FDTD建立了變壓器繞組對(duì)局部放電電磁波傳播特性影響的仿真模型,得到如下結(jié)論。

(1)繞組對(duì)局部放電電磁波時(shí)域特征的影響主要表現(xiàn)在:當(dāng)局部放電發(fā)生在繞組內(nèi)部(匝間放電和段間放電)以及繞組端部時(shí),繞組對(duì)電磁波幅值有增強(qiáng)作用,當(dāng)電磁波穿過(guò)繞組后其幅值基本與無(wú)障礙空間中類似。當(dāng)局部放電發(fā)生在繞組外部時(shí),繞組對(duì)外部放電產(chǎn)生的電磁波幅值有較強(qiáng)的衰減作用,穿過(guò)繞組后電磁波的幅值至少衰減為無(wú)障礙空間時(shí)幅值的70%。

(2)繞組對(duì)局部放電電磁波頻域特征的影響主要表現(xiàn)在:當(dāng)放電發(fā)生在繞組內(nèi)部時(shí),繞組對(duì)電磁波不同頻率段的幅值有增強(qiáng)的作用,而且對(duì)1 000～2 500 MHz高頻段的增強(qiáng)作用比其他頻率段強(qiáng),而繞組匝數(shù)的變化對(duì)頻率幅值的影響不大;對(duì)于外部放電,繞組僅使1 000～2 500 MHz高頻段的比例略微增加,增加值為5%,而對(duì)于其他各個(gè)頻率段的比例基本沒(méi)有影響。

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(編輯 劉楊 杜秀杰)

Simulation Analysis of Effects of Transformer Windings on Propagation Characteristics of Partial Discharge Electromagnetic Waves

ZHAO Xu1,MENG Yongpeng1,CHENG Yonghong1,ZOU Lin2,LIU Tong2,LI Ruihai2

(1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2.Electric Power Research Institute of China, Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China)

A simulation model for transformer windings is proposed to study the effect of the transformer windings on the propagation of electromagnetic (EM) wave induced by partial discharge (PD).The study is based on the size of windings in a 330 kV power transformer.A finite difference time domain (FDTD) method is used to analyze the propagation of PD EM wave in both internal and external windings.The effect of transformer windings on the propagation characteristics of PD electromagnetic waves is studied by applying PD pulse current signals in different places.This model is also used to study the effect of winding structures on the frequency spectrum of PD electromagnetic waves.The sum of the peak amplitudes in different bands and their proportions in the total sum are calculated through dividing the frequency spectrum into different bands.The calculation results are compared with those obtained in the places with and without obstacles (windings).It is found that the effects of transformer windings on the propagation characteristics of typical partial discharge electromagnetic waves are different in different places, and that the propagation characteristics depend on the location of PD according to windings.Windings increase the amplitude of EM waves from internal PD, especially in the frequency band 1 000 MHz-2 500 MHz; and make a strong attenuation of 30% on the amplitude of EM waves from external PD.

transformer; partial discharge; electromagnetic wave; propagation characteristic

2014-10-23。 作者簡(jiǎn)介:趙煦(1982—),男,博士生;成永紅(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新群體資助項(xiàng)目(51221005);南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目。

時(shí)間:2015-03-03

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150303.1010.002.html

10.7652/xjtuxb201504002

TM85

A

0253-987X(2015)04-0006-06