摘要：為了定位110KV變壓器中的局部放電源，研究了局部放電脈沖沿變壓器方向的傳播原理以及局部放電脈沖在變換器外檢測(cè)項(xiàng)處的響應(yīng)。通過(guò)數(shù)值模型進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)變壓器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)局部放電源位置的不同，其性質(zhì)也存在差異，因此局部放電位置之間的關(guān)系可以為局部放電定位提供相應(yīng)信息。在對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行數(shù)值處理的基礎(chǔ)上，提出了局部放電定位的實(shí)驗(yàn)方法。測(cè)量信號(hào)的能量用于定位局部放電源。研制了變壓器繞組局部放電脈沖模擬裝置。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量了不同位置的局部放電脈沖產(chǎn)生的終端信號(hào)，結(jié)果表明，所提出的實(shí)驗(yàn)方法定位精度滿(mǎn)足工程實(shí)際使用要求。

關(guān)鍵詞：局部放電;傳播原理;動(dòng)態(tài)響應(yīng);數(shù)值模型;仿真實(shí)驗(yàn)

1引言

局部放電導(dǎo)致的變壓器故障造成的經(jīng)濟(jì)損失通常十分巨大。如果能夠在早期檢測(cè)到局部放電引起的絕緣劣化，并采取預(yù)防性維護(hù)措施。局部放電源的檢測(cè)和定位對(duì)于監(jiān)測(cè)變壓器的狀態(tài)具有重要意義。由于變壓器內(nèi)繞組的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，精確定位非常困難。局部放電產(chǎn)生的脈沖在從其起始位置傳輸?shù)綔y(cè)量終端時(shí)會(huì)發(fā)生畸變和衰減。在端子處測(cè)得的信號(hào)是原始局部放電脈沖的高度失真表示，但包含有關(guān)放電位置和性質(zhì)的信息。如果可以提取該信息，則可以定位到局部放電的位置，并確定局部放電對(duì)變壓器工作壽命可能產(chǎn)生的影響[1]。局部放電通過(guò)逐漸侵蝕破壞變壓器絕緣層，是導(dǎo)致絕緣失效的主要因素。所以如何定位局部放電源對(duì)于變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[2]。局部放電的定位方法主要分為基于聲信號(hào)的定位方法和基于電信號(hào)的定位方法。聲定位法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，抗噪性好，但靈敏度差，高壓變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法很好地檢測(cè)局部放電引起的超聲波信號(hào)[3]。基于電信號(hào)的定位方法具有更好的靈敏度，因?yàn)樗蕾?lài)于在變壓器端子處測(cè)量的脈沖電流信號(hào)。但是依舊缺乏一種簡(jiǎn)單實(shí)用的局部放電定位方法。由于局部放電源的位置不同，其信號(hào)的波形和幅度也不同。這些信息對(duì)于局部電流定位非常有用[4]。本文通過(guò)數(shù)值模型和模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)變壓器繞組進(jìn)行了仿真分析，并給出了仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)所提出的定位方法進(jìn)行仿真分析，建立了局部放電定位規(guī)則，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2仿真模型

將對(duì)110KV變壓器進(jìn)行仿真分析，在一個(gè)相位中有三個(gè)繞組：高壓，中壓和低壓。變壓器的高壓和中壓繞組由連續(xù)盤(pán)和交錯(cuò)盤(pán)組成，盤(pán)數(shù)分別為96和94。低壓繞組為螺旋式線(xiàn)圈。在仿真模擬中，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)和接地點(diǎn)連接模擬局部放電電流源，模擬繞組中不同位置的局部電流。仿真模型是一個(gè)等效的R-L-C電路網(wǎng)絡(luò)模型，該模型應(yīng)具有與變壓器繞組相同的外部電路行為。變壓器繞組劃分為物理單元，每個(gè)單元在等效網(wǎng)絡(luò)中表示為集總元件電路單元。電路單元由電容支路和電感支路組成。電容分支表示圓盤(pán)導(dǎo)體的電阻和自感。電容分支表示匝間和盤(pán)間電容。然后根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算模型中的電氣參數(shù)。

所有單元構(gòu)成電路網(wǎng)絡(luò)，相鄰兩個(gè)單元的連接稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)用于表示局部放電源位置。繞組與外殼或鐵芯之間的電容在節(jié)點(diǎn)處等效連接。為了得到傳播路徑的傳遞函數(shù)，計(jì)算變壓器繞組外測(cè)試端子的響應(yīng)。三個(gè)端子包括高壓和中壓繞組套管接地線(xiàn)，選擇變壓器中性點(diǎn)接地線(xiàn)。

3模擬實(shí)驗(yàn)

在激勵(lì)實(shí)驗(yàn)中，將局部放電脈沖的激勵(lì)電流輸入繞組的不同位置，檢測(cè)測(cè)量端的響應(yīng)，從而研究脈沖傳播路徑對(duì)局部放電信號(hào)的影響。通常情況下采用3電容模型來(lái)分析出現(xiàn)在外電極上的局部放電脈沖電流。Cg是放電區(qū)域的電容。Cb是串聯(lián)區(qū)域的電容，Ca是電介質(zhì)中剩余區(qū)域的電容。當(dāng)Cg中發(fā)生放電時(shí)，電流Id通過(guò)電容Ca和Cb的耦合作用于外部端子。

根據(jù)該模型，開(kāi)發(fā)了局部放電脈沖激勵(lì)電路。E是電容器的直接充電電源。其電壓在0至400kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。電荷區(qū)的電容Cg為150pF。Ca和Cb分別為960pf和100pf。開(kāi)關(guān)k可在1ns內(nèi)閉合，Cg從其周期性開(kāi)/關(guān)開(kāi)始放電和充電，以便產(chǎn)生放電電流。電阻R為50Ω，作為輸出激勵(lì)電流的測(cè)量電阻。該電路產(chǎn)生的脈沖波形其主脈沖寬度約為15ns，上升沿約為5ns。這些時(shí)間參數(shù)與局部放電波形的測(cè)試結(jié)果相似。

分析了變壓器繞組與接地之間的放電情況，指出了變壓器繞組與接地之間的放電是現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的放電狀態(tài)。因此，模擬局部放電源在等效電路中連接到節(jié)點(diǎn)和接地。模擬局部放電信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。當(dāng)在繞組不同位置輸入局部放電源時(shí)，通過(guò)計(jì)算獲得繞組端的響應(yīng)信號(hào)。由于發(fā)現(xiàn)信號(hào)能量對(duì)局部放電傳播路徑的長(zhǎng)度具有更好的靈敏度，因此將其作為特征來(lái)尋找局部放電位置與局部放電信號(hào)之間的關(guān)系。在半高壓繞組中逐個(gè)選擇節(jié)點(diǎn)作為局部放電源的輸入端。隨著移動(dòng)長(zhǎng)度的增加，局部放電信號(hào)的振幅衰減將增強(qiáng)。因此，如果定義了局部放電信號(hào)和局部放電源位置之間的關(guān)系，則可以表示局部放電定位的測(cè)量方法。

4結(jié)果分析

在局部放電測(cè)試中放電強(qiáng)度未知，無(wú)法直接使用信號(hào)的絕對(duì)振幅，因?yàn)樗鼪Q定了放電電流的傳播方向和強(qiáng)度。因此使用不同端子處信號(hào)的相對(duì)比率。在局部放電定位算法中，需要至少兩個(gè)終端的信號(hào)。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，可以測(cè)試的局部放電節(jié)點(diǎn)很少。所以將比率關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化。該線(xiàn)路僅由兩個(gè)局部放電節(jié)點(diǎn)定義，因此其測(cè)試過(guò)程將很容易實(shí)現(xiàn)。整個(gè)繞組中有48個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此通過(guò)線(xiàn)性關(guān)系定位的最大誤差為：4/48*100% =8%。

用每個(gè)局部放電節(jié)點(diǎn)計(jì)算“h”和“g”（分別命名為Eh和Eg）處響應(yīng)信號(hào)的能量，Eh和Eg的比率呈向下的直線(xiàn)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，Eh和Eg的比值逐漸減小。將模擬的局部放電脈沖注入變壓器繞組盤(pán)中。測(cè)量了“h”和“g”處的響應(yīng)信號(hào)。在測(cè)試了所有可能的局部放電節(jié)點(diǎn)后，測(cè)量出了能量比和節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。以同樣的方式，關(guān)系被簡(jiǎn)化為一條線(xiàn)。

5結(jié)論

為了確定高壓變壓器中局部放電源的位置，研究了放電脈沖沿變壓器方向傳播的原理。首先通過(guò)仿真分析其傳播特性，找出信號(hào)參數(shù)與局部放電源位置之間的一些相對(duì)規(guī)律。局部放電信號(hào)的能量被視為信號(hào)特征，因此局部放電源可以進(jìn)行定位。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了定位算法的正確性。

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作者簡(jiǎn)介

李焱，男，漢族，1983年8月4日，工程師，江蘇張家港，江蘇省電力有限公司張家港供電分公司，215600，研究方向：變電站設(shè)維護(hù)與狀態(tài)分析。