電力變壓器絕緣在線檢測(cè)電脈沖傳感器設(shè)計(jì)

趙曉艷+孫瑞娟

摘 要：變壓器內(nèi)部發(fā)生放電時(shí)會(huì)形成電現(xiàn)象、光現(xiàn)象及其他各種現(xiàn)象，而且導(dǎo)致局部過(guò)熱。本文基于洛氏線圈型電流傳感器，建立了脈沖電流傳感器的等效數(shù)學(xué)模型，用Matlab仿真軟件研究了傳感器的線圈匝數(shù)多少、負(fù)載電阻的變化、結(jié)構(gòu)尺寸大小和雜散電容大小對(duì)頻率特性和靈敏度的影響。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；在線檢測(cè)；傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.154

1 前言

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，我國(guó)的很多工業(yè)發(fā)展較快，而這些都離不開電，這也導(dǎo)致了電氣裝置的種類逐漸增多，但是，這些裝置的故障也增加了電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。

變壓器是電力系統(tǒng)中非常重要的組成部分。[1]據(jù)統(tǒng)計(jì)，110kV及以上的變壓器發(fā)生的事故有80%是由絕緣所引起的。由此可以看出，絕緣檢測(cè)是變壓器乃至電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保障。因此變壓器的絕緣檢測(cè)是很重要的。絕緣在線檢測(cè)技術(shù)是使用靈敏性能較好的傳感器來(lái)獲取可以表示運(yùn)行中裝置的絕緣信息，再通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)得到裝置的絕緣情況。傳感器是絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中重要元器件，其所處位置、原理、性能和形式等對(duì)系統(tǒng)可以收集的放電信息量是否準(zhǔn)確、精確有一定的影響，需要對(duì)其進(jìn)一步分析。

2 電力變壓器在線檢測(cè)方案的選用

局部放電是在變壓器內(nèi)部絕緣局部位置發(fā)生的放電。[2]造成局部放電的原因非常多，總結(jié)起來(lái)局部放電的產(chǎn)生的最重要原因如下：（1）強(qiáng)電場(chǎng)中導(dǎo)體、固體絕緣的尖端；（2）變壓器油中少量氣體與固體中的空氣間隙；（3）絕緣件外部的灰塵及強(qiáng)電場(chǎng)中的漂浮電位；（4）在強(qiáng)電場(chǎng)下產(chǎn)生漂浮電位的金屬物。

2.1 電力變壓器絕緣在線檢測(cè)的手段選擇

局部放電的檢測(cè)技術(shù)有多種不同的方法：

（1）脈沖電流法，這種方法在變壓器內(nèi)部發(fā)生放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高電壓，對(duì)保護(hù)裝置造成很大的破壞，所以該方法一直被用來(lái)檢測(cè)變壓器的內(nèi)部放電，以此來(lái)判斷變壓器的絕緣情況。[3]（2）高頻（射頻）電流法，這種方法大多數(shù)在帶電操作時(shí)使用。（3）超聲波法，這種方法不僅能夠?qū)收习l(fā)生的位置進(jìn)行定位，還能夠測(cè)量放電量的變化。（4）超高頻法，通過(guò)利用UHF元件來(lái)收集故障點(diǎn)產(chǎn)生的超高頻電磁波并進(jìn)行分析，然后來(lái)判斷變壓器的絕緣情況。（5）無(wú)線電干擾檢測(cè)法，該方法不僅能對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，而且還能根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)變壓器絕緣情況做初步的預(yù)測(cè)。（6）光檢測(cè)法，這種方法在使用時(shí)很容易受到其他信號(hào)的干擾。（7）色譜分析檢測(cè)法，目前這種方法也沒有準(zhǔn)確的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，只能用做一些預(yù)測(cè)。 通過(guò)對(duì)這些檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行使用特點(diǎn)對(duì)比分析，選擇了目前使用范圍最普遍的脈沖電流法

2.2 抗干擾設(shè)計(jì)

受到變壓器運(yùn)行方式的影響，即使找到干擾源或者它的干擾路徑，也不能很好的處理干擾因素，因?yàn)樵谔幚砀蓴_的同時(shí)也會(huì)對(duì)其他裝置造成影響，從而發(fā)生更大的事故，所以，一般會(huì)選擇對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工，這樣就不會(huì)對(duì)其他裝置造成影響。首先要懂得區(qū)分被測(cè)信號(hào)和干擾信號(hào)。根據(jù)頻帶寬度的不同，一般會(huì)分為窄頻帶和寬頻帶兩種信號(hào)。窄頻帶信號(hào)由于只能通過(guò)低于范圍的頻帶，很多的寬頻帶信號(hào)是通不過(guò)的，如果用它來(lái)檢測(cè)寬頻帶信號(hào)時(shí)，會(huì)造成信號(hào)失真，導(dǎo)致信號(hào)的加工失敗。由于變壓器內(nèi)部放電時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)大部分是寬頻帶信號(hào)，所以寬頻帶信號(hào)中不僅有被測(cè)信號(hào)還有大量的干擾信號(hào)，從而使它收集被測(cè)信號(hào)的難度加大。面對(duì)這些干擾的解決辦法一般是：首先，解決連續(xù)周期信號(hào)的影響；然后，處理白噪聲的影響；再次，解決周期性脈沖信號(hào)的影響；最后，解決隨機(jī)性脈沖信號(hào)的影響。隨著時(shí)代的進(jìn)步，相關(guān)技術(shù)在局放中的使用也越來(lái)越頻繁，最重要的是這些技術(shù)還能得到很好的成果。

3 傳感器的設(shè)計(jì)

3.1 傳感器的結(jié)構(gòu)

脈沖電流傳感器的一次側(cè)為一匝，二次側(cè)為多匝。磁芯材料選擇鐵氧體，如，它使用范圍是5kHz-13MHz，相對(duì)磁導(dǎo)率。等效電路圖如圖1。

在圖1中，M為線圈的互感；k為副邊線圈的自感； C2為線圈的等效雜散電容：RL為線圈的等效電阻；R2為線圈的負(fù)載電阻；Ut為由于互感產(chǎn)生的電勢(shì)；U0（t）為線圈負(fù)載電阻上的電壓。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)頻率特性的影響

在一個(gè)鐵氧體做的環(huán)形鐵芯上緊密均勻的繞著線圈，傳感器的鐵心截面多數(shù)是矩形或者是圓形。

設(shè)環(huán)形鐵心的平均直徑為D（m），I被測(cè)脈沖電流為I（A），線圈匝數(shù)為N，鐵心圓形截面直徑為d（m），線圈的內(nèi)阻為 。

下限頻率：

上限頻率：

現(xiàn)在以鐵芯平均直徑，，，pF例，使用Matlab軟件，進(jìn)行仿真計(jì)算，作出鐵心橫截面直徑在、、三種情況下的幅頻和相頻曲線，觀察曲線的變化規(guī)律。如圖2所示。

3.3 線圈匝數(shù)N頻率特性

選取，，，，選取線圈匝數(shù)四種不同狀態(tài)N=30、50、70、100下的頻率特性曲線，如圖3所示。

3.4 負(fù)載電阻R2頻率特性

選取，，，，改變負(fù)載電阻的值，選擇負(fù)載電阻五種不同狀態(tài)、、、、下的頻率特性曲線，如圖4所示。

3.5 電容C2頻率特性

取，，，，選取雜散電容、、、四種狀態(tài)下的幅頻和相頻曲線，觀察曲線的變化規(guī)律。

如圖5所示，僅有傳感器的高頻特性隨著雜散電容的變化而變化。隨著增大，上限截止頦率越來(lái)越小，通頻帶寬越來(lái)越窄，顯然靈敏度也會(huì)越來(lái)越低，相位頻率特性曲線的線性度越來(lái)越差。生活中是傳感器的本質(zhì)特征，由傳感器本身來(lái)決定，所以在生產(chǎn)時(shí)盡量降低。

通過(guò)分析了傳感器結(jié)構(gòu)中的鐵芯橫截面直徑d、線圈匝數(shù)N、負(fù)載電阻R2及雜散電容C2與傳感器幅頻和相頻特性的關(guān)系，進(jìn)一步確定傳感器的優(yōu)化參數(shù)，并分析了它們自身對(duì)傳感器的影響，其中雜散電容C2是傳感器固有的特性，是由材料和制作過(guò)程決定的，所以在制作時(shí)應(yīng)注意材料的選擇和制作的工序要精心，最大程度的減少C2。

4 傳感器參數(shù)的確定

4.1 鐵心橫截面直徑的確定

從圖2能得到，隨著d逐漸變大，下限截止頻率越來(lái)越小，通頻帶寬越來(lái)越寬，傳感器的靈敏度逐漸下降；反之，下限截止頻率越來(lái)越大，通頻帶寬越來(lái)越窄，靈敏度逐漸升高。在生產(chǎn)時(shí)，d過(guò)小，鐵心的橫截面積就小，傳感器骨架硬度下降，使制作過(guò)程更加困難。d過(guò)大，不但會(huì)使靈敏性能大幅度減小，而且頻率過(guò)小，傳感器就會(huì)測(cè)量到其他不相干的干擾信號(hào)，給傳感器獲得需要的放電信號(hào)的獲取難度增大。根據(jù)仿真結(jié)果取合適。

4.2 匝數(shù)的確定

線圈匝數(shù)N與頻率特性的關(guān)系，也可以看成是自感L2和互感M與相頻、幅頻特性關(guān)系。如圖3所示，越大，則自感和互感越大，傳感器的通頻帶寬就越寬，相位變化幅度越大，靈敏度就越??；反之則靈敏度和增益越大，相位變化越平穩(wěn)。當(dāng)～70時(shí)，傳感器的各項(xiàng)參數(shù)都滿足要求，相位也沒有發(fā)生太大的變化，所以，取N=50。

4.3 負(fù)載電阻R2的確定

由圖4可看出，負(fù)載電阻越小，增益和靈敏度越小，相位變化也越平穩(wěn)。反之越大，通頻帶寬變窄，增益和靈敏度變大，不管負(fù)載電阻怎么樣變化其中心頻率是不變的，相位幅度改變?cè)酱螅辉谌　珪r(shí)，這個(gè)范圍內(nèi)的曲線相對(duì)合適。所以，取。通過(guò)對(duì)鐵芯橫截面直徑、負(fù)載電阻、雜散電容和線圈匝數(shù)與傳感器的幅頻和相頻變化的關(guān)系分析，總結(jié)了它們各自與傳感器的幅頻和相頻之間的變化規(guī)律，依據(jù)前面對(duì)局部放電脈沖電流傳感器的各項(xiàng)參數(shù)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得了本課題的最終參數(shù)：，PF仿真得N=50，，。由此獲取了優(yōu)化后的頻率特性曲線，如圖6所示。

5 結(jié)論

若要變壓器在線檢測(cè)電脈沖傳感器滿足頻帶寬、靈敏度高和誤差低等條件，必須考慮負(fù)載電阻的影響，并且考慮電路中除了自感的互感的影響。若鐵芯的平均直徑和相對(duì)磁導(dǎo)率是確定的，可以通過(guò)改變鐵芯橫截面直徑、負(fù)載電阻和線圈匝數(shù)，能得到適合的傳感器的通頻帶寬和靈敏度要求。最大程度的降低電容，以減弱電容對(duì)通頻帶寬的影響。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：趙曉艷（1982-），女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，助教，研究方向：電氣工程。