变压器局部放电超高频检测及能量标定的研究

论文摘要

局部放电(Partial Discharge,简称PD)是造成变压器绝缘老化或劣化甚至破坏的主要原因之一,对变压器PD检测和诊断的研究具有深远的理论意义和广泛的实用价值。本文根据超高频(Ultra High Frequency,简称UHF)法的检测特点,结合微波与天线理论、电气测量技术和电磁场分析理论,开展了变压器PD超高频检测技术的研究和分析。主要研究工作如下:设计了一种用于电力变压器PD超高频检测的圆形加载单极子天线,结合经验和仿真计算确定了天线的性能参数,通过改变天线的底部锥角和天线高度,优化了圆形加载单极子天线的参数,获得了宽频带特性。经计算驻波比小于2的带宽约为425MHz到1.6GHz以上,绝对带宽大于1GHz,在整个工作频带内的增益较高,其增益平均大于3dB,同时在θ= 30 0 ~ 900和θ= 270 0 ~ 3300时具有较好的方向性系数;天线的实际测量表明,其天线的实际带宽为430MHz到1GHz以上,能满足对超高频局部放电的检测需要,天线的结构特点适合于安装在变压器上。研制了用于模拟PD信号试验的放电源,设计了储能电容为10p和20p的两种脉冲电路,详细讨论了放电源中主要器件雪崩三极管的雪崩效应理论,推导出三极管雪崩过程的简化模型,设计了基于射频三极管的脉冲发射器,用电路仿真软件Pspice仿真分析该电路中储能电容和电源电压对脉冲波形的影响,得出了影响规律。阐明了实际制作过程中的注意事项和元器件的选择方法,实测储能电容为10pF和20pF的PD源脉宽分别为980ps和1180ps,幅值分别为8.9V和11.6V。从理论上对变压器局部放电所激发电磁波的机理进行了研究,分析计算了电磁波在变压器内部各种不同介质、不同导体界面的折、反射以及绕射情况。通过对建立的变压器物理模型中PD信号的仿真研究和实验室研究表明:由于铁芯与绕组的存在,电磁波遇到铁芯和绕组后发生了绕射现象,使传感器接收到的能量发生了改变;当原始脉冲宽度一定时,UHF信号能量与原始脉冲的幅值平方成正比;原始脉冲宽度是影响UHF信号能量的主要因素,对UHF信号能量起到决定性的作用。根据变压器中PD信号特征,设计了油中金属微粒和电晕放电两种典型放电缺陷物理模型,在实验室里利用无感电阻和圆形加载天线传感器,通过高速PD采集系统获得了这2种绝缘缺陷产生PD的大量样本,构建出了它们的超高频信号的累计能量与放电量之间的关系,研究了在不同条件下它们之间关系变化的规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究电力变压器局部放电在线监测的意义
• 1.2 电力变压器局部放电在线监测的研究现状
• 1.2.1 脉冲电流法
• 1.2.2 超高频法
• 1.3 超高频法的研究现状
• 1.3.1 超高频传感器的研究现状
• 1.3.2 局部放电超高频检测仿真和电磁波理论分析的研究现状
• 1.3.3 电力变压器局部放电超高频检测的定量检测
• 1.3.4 局部放电超高频检测标定用脉冲源
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 圆形加载单极子天线的设计
• 2.1 引言
• 2.2 天线接受原理及超高频天线的设计要求
• 2.2.1 天线接受原理
• 2.2.2 超高频天线的设计要求
• 2.3 圆形加载单极子天线的设计与优化
• 2.3.1 圆形加载单极子天线的分析原理
• 2.3.2 圆形加载单极子天线的参数计算
• 2.4 圆形加载单极子天线的性能分析与测试
• 2.4.1 驻波比和带宽
• 2.4.2 方向图
• 2.4.3 增益
• 2.5 圆形加载单极子天线的实测研究
• 2.5.1 检测系统与缺陷模型
• 2.5.2 对油中局部放电的测试
• 2.6 本章小结
• 3 纳秒级脉冲源的研制
• 3.1 引言
• 3.2 雪崩效应理论
• 3.2.1 雪崩三极管的一般特性
• 3.2.2 雪崩三极管的二次击穿
• 3.2.3 雪崩三极管的动态过程
• 3.3 雪崩三极管型脉冲发生器的设计与仿真研究
• 3.3.1 雪崩三极管型脉冲发生器的设计
• 3.3.2 脉冲发生器的等效电路
• 3.3.3 脉冲发生器的仿真
• 3.3.4 讨论
• 3.4 脉冲发生器原件参数选取与制作
• 3.4.1 参数选取
• 3.4.2 电路的制作
• 3.5 电路测试
• 3.6 本章小结
• 4 有限时域差分法对电力变压器局部放电传播的分析
• 4.1 引言
• 4.2 局部放电电磁波传播的理论分析
• 4.2.1 油纸等绝缘介质的影响
• 4.2.2 金属导体的影响
• 4.2.3 绕组散射对信号检测的影响
• 4.3 时域有限差分法
• 4.3.1 时域有限差分法原理
• 4.3.2 时域有限差分法的特点
• 4.3.3 标量Maxwell 方程
• 4.3.4 时域有限差分法迭代方程
• 4.3.5 数值稳定性和时间步长
• 4.4 FDTD 仿真计算模型分析
• 4.4.1 变压器仿真模型的建立
• 4.4.2 激励源的设置
• 4.4.3 网格划分和边界条件
• 4.5 影响检测能量的因素
• 4.5.1 放电源位置与超高频信号累积能量的关系
• 4.5.2 放电脉冲幅值与超高频信号累积能量的关系
• 4.5.3 放电脉冲宽度对超高频信号累积能量的影响
• 4.6 本章小结
• 5 油中金属微粒和电晕放电UHF 信号与放电量关系的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验研究
• 5.2.1 放电模型的构造
• 5.2.2 试验研究系统
• 5.3 实验方法及数据处理
• 5.4 试验结果及分析
• 5.4.1 金属微粒电流脉冲波形与超高频天线波形
• 5.4.2 电晕放电电流脉冲波形与超高频天线波形
• 5.5 累计能量与放电量关系的建立
• 5.5.1 金属微粒缺陷
• 5.5.2 电晕放电
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士期间发表的论文
• B. 作者在攻读硕士期间参与的科研项目