羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)仿真試驗(yàn)研究

江天炎，陳 曦，畢茂強(qiáng)

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

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羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)仿真試驗(yàn)研究

江天炎，陳 曦，畢茂強(qiáng)

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054)

勵(lì)磁變壓器的安全運(yùn)行是發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，其低壓繞組由于運(yùn)行工況惡劣，繞組絕緣極易發(fā)生局部缺陷。局部放電在線監(jiān)測(cè)是檢測(cè)其絕緣缺陷的有效方法，但極易受到外部脈沖信號(hào)干擾。對(duì)羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)研究，首先分析了勵(lì)磁變壓器低壓繞組承受的電壓波形，闡述了其絕緣發(fā)生劣化的過程，并提出了勵(lì)磁變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。針對(duì)勵(lì)磁變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝位置，采用EMTP軟件建立了羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中干擾脈沖信號(hào)的仿真模型，分析了其采集的外部干擾脈沖信號(hào)的波形特征，最后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)外部干擾信號(hào)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：提出的仿真模型與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基本吻合，為勵(lì)磁變壓器局部放電信號(hào)的去噪及故障診斷奠定了一定的基礎(chǔ)。

勵(lì)磁變壓器；局部放電；脈沖干擾信號(hào)；羅氏線圈；故障診斷

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電廠的重要環(huán)節(jié)，勵(lì)磁變壓器是為大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)提供三相交流勵(lì)磁電源的裝置，其安全運(yùn)行是發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提[1-2]。勵(lì)磁變壓器低壓繞組絕緣承受著交流電壓、高次諧波和直流電壓分量的共同作用，其電場(chǎng)分布極其復(fù)雜，其內(nèi)部絕緣在這種電場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行極易發(fā)生局部放電現(xiàn)象[3]，因此對(duì)其進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于勵(lì)磁變壓器及整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重要意義[4-5]。

高壓電氣設(shè)備局部放電監(jiān)測(cè)始于1940年初期[6]，采用羅氏線圈對(duì)電氣設(shè)備局部放電脈沖電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是使用最廣泛的一種方法。該方法通過羅氏線圈檢測(cè)電氣設(shè)備引出線或者接地線上由于局部放電引起的脈沖電流，得到局部放電的放電量等特征量的評(píng)估分析結(jié)果[7-11]。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)專門為這種方法制定了IEC60270檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[12]。20世紀(jì)80年代有學(xué)者將羅氏線圈電流傳感器用于監(jiān)測(cè)電機(jī)定子繞組的局部放電[13]，隨后其被廣泛應(yīng)用于電力電纜[14]、架空配電網(wǎng)絡(luò)[15]、勵(lì)磁變壓器[16]的局部放電監(jiān)測(cè)。

研究表明：羅氏線圈電流傳感器在監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備局部放電信號(hào)時(shí)易受窄帶周期干擾、白噪聲及隨機(jī)脈沖信號(hào)的干擾[16]。窄帶周期干擾可以用一定帶寬的濾波器濾除，白噪聲可以采用小波等有效手段去除，隨機(jī)脈沖信號(hào)干擾可用聚類等方法分類[17]。發(fā)電機(jī)槽部、端部和內(nèi)部等處極易產(chǎn)生幅值較大的局部放電信號(hào)，該信號(hào)傳播到勵(lì)磁變壓器繞組中，會(huì)被局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到，相當(dāng)于有幅值較大的隨機(jī)脈沖信號(hào)影響羅氏線圈電流傳感器的檢測(cè)精度，干擾局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的診斷結(jié)果。

本文針對(duì)羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，首先分析了勵(lì)磁變壓器低壓繞組承受的電壓波形，闡述了其絕緣發(fā)生劣化的過程，并提出了勵(lì)磁變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法；采用EMTP軟件對(duì)外部脈沖干擾信號(hào)在勵(lì)磁變壓器內(nèi)部的傳播特性進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)羅氏線圈采集的信號(hào)進(jìn)行分析；最后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)外部干擾信號(hào)進(jìn)行了采集試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：可以通過脈沖信號(hào)的波形特征辨別勵(lì)磁變壓器中的局部放電信號(hào)與外部脈沖干擾信號(hào)。

1 低壓繞組絕緣局部放電分析

1.1 低壓側(cè)繞組電壓分析

勵(lì)磁變壓器是發(fā)電廠的重要電氣設(shè)備之一，近年來(lái)新建電廠發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)交流勵(lì)磁方式向靜止自勵(lì)勵(lì)磁方式轉(zhuǎn)變，發(fā)電機(jī)靜止自勵(lì)方式勵(lì)磁系統(tǒng)的基本原理如圖1所示[1]。這種方式采用勵(lì)磁變壓器并聯(lián)在發(fā)電機(jī)出線上，通過降壓和整流裝置將交流電整流成直流電，再輸入電機(jī)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生發(fā)電機(jī)所需的磁場(chǎng)。

勵(lì)磁變壓器通過可控硅整流后為發(fā)電機(jī)提供直流勵(lì)磁電流，其低壓側(cè)繞組除了承受交流電壓外，還含有高次諧波和直流電壓分量。此外，可控硅整流器在控制通斷時(shí)，會(huì)有脈沖電壓施加于低壓繞組上，其承受的實(shí)際電壓波形可參考文獻(xiàn)[2]。勵(lì)磁變壓器低壓繞組在交流、直流、諧波和脈沖電壓的共同作用下，其絕緣極易發(fā)生損壞進(jìn)而發(fā)生局部放電，在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)。

G.發(fā)電機(jī)； T.勵(lì)磁變壓器

1.2 勵(lì)磁變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法

勵(lì)磁變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)方法是在其每相的低壓母排上安裝一個(gè)電流傳感器。該電流傳感器由羅氏線圈構(gòu)成，其中心諧振頻率為500 kHz左右，3 dB帶寬約100 kHz。電流傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)給予高度的重視，因?yàn)檫@不僅關(guān)系到傳感器的運(yùn)行安全性和可靠性，也關(guān)系到傳感器的檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力。其在某發(fā)電廠#1勵(lì)磁變壓器現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖2所示。

圖2 電流傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

首先，在勵(lì)磁變壓器低壓母線排上套上10 kV絕緣熱縮套管以保障脈沖電流傳感器屏蔽殼與勵(lì)磁變壓器低壓母線的絕緣，傳感器屏蔽殼與傳感器線圈及輸出電纜間的絕緣可耐受交流電壓4 kV；然后，將脈沖電流傳感器安裝于低壓母線排上；最后，用同軸電纜將電磁傳感器信號(hào)接入局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制箱內(nèi)。

2 脈沖干擾信號(hào)仿真分析

2.1 勵(lì)磁變壓器脈沖干擾信號(hào)來(lái)源

勵(lì)磁變壓器局部放電監(jiān)測(cè)中外部脈沖干擾的主要來(lái)源如圖3所示。

一方面，可控硅整流器在整流時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期脈沖信號(hào)(圖中電流i2(t))，該信號(hào)幅值很大且具有一定的周期性，在局部放電信號(hào)處理的過程中需對(duì)其進(jìn)行硬開窗處理，因此本文對(duì)其傳播特性不做研究。

圖3 勵(lì)磁變壓器局部放電監(jiān)測(cè)脈沖干擾來(lái)源

另一方面，大型發(fā)電機(jī)槽部、端部和內(nèi)部等處極易發(fā)生大的局部放電，如圖3中脈沖電流i1(t)沿高壓母線傳播，通過勵(lì)磁變壓器高低壓側(cè)繞組間的耦合電容傳遞到羅氏線圈處。該信號(hào)幅值很大，但是由于母線很長(zhǎng)，且母線和勵(lì)磁變壓器具有很大的電容，因此到達(dá)電流傳感器時(shí)此信號(hào)幅值會(huì)發(fā)生很大的衰減，其波形也會(huì)發(fā)生畸變。此類脈沖信號(hào)沒有周期性，隨機(jī)出現(xiàn)在局部放電信號(hào)中，該信號(hào)波形與勵(lì)磁變壓器內(nèi)部局部放電在幅值上相差不大。因此，這給判斷勵(lì)磁變壓器內(nèi)部是否發(fā)生局部放電造成了很大的困難。

2.2 EMTP仿真模型及結(jié)果分析

本文基于某發(fā)電廠#1發(fā)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)，采用EMTP軟件對(duì)脈沖信號(hào)在勵(lì)磁系統(tǒng)中的傳播特性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)研究。發(fā)電機(jī)高壓出線端到電力系統(tǒng)如圖4所示，發(fā)電機(jī)到廠用升壓變壓器的距離約為100 m，到勵(lì)磁變壓器的距離約為30 m，整個(gè)勵(lì)磁變壓器和電力系統(tǒng)都可以看成是一個(gè)電容。

圖4 發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖5為研究羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)的EMTP仿真電路(根據(jù)圖3與4建立)，仿真過程中母線及勵(lì)磁變壓器都處于理想狀態(tài)。U為一脈沖電壓源，模擬發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的局部放電信號(hào)，其上升沿時(shí)間常數(shù)為10 ns，下降沿時(shí)間常數(shù)為20 ns，幅值為1 V(如圖6所示)；母線為單導(dǎo)線的等值集中參數(shù)電路，其對(duì)地電阻由于非常小，故忽略不計(jì)，簡(jiǎn)化模型如圖5所示。r0為母線的單位電阻，其值約為0.072 32 Ω/m，L0為母線的單位電感，其值約為0.921 03 μH/m，C0為母線的單位對(duì)地電容，其值約為12.064 pF/m。母線長(zhǎng)約100 m，其中點(diǎn)1、2之間的距離為30 m，點(diǎn)2到發(fā)電廠升壓變壓器之間的距離約為70 m。點(diǎn)2與勵(lì)磁變壓器的高壓繞組相連接，當(dāng)高頻信號(hào)流過勵(lì)磁變壓器時(shí)，勵(lì)磁變壓器可等效為理想式分布電容電路，高壓繞組與低壓繞組之間采用耦合電容進(jìn)行連接。CT為發(fā)電廠其他部分的等效電容(約為0.5 μF)，檢測(cè)阻抗采用RLC等效電路代替，其中電阻、電感、電容值分別為50 Ω、0.005 mH、0.003 μF。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3分別為發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁變壓器高壓繞組及檢測(cè)阻抗(即理想寬頻帶羅氏線圈)的安裝位置，經(jīng)高壓母線傳播的外部脈沖干擾信號(hào)經(jīng)過高、低壓繞組間的耦合電容傳播到勵(lì)磁變壓器低壓繞組側(cè)，進(jìn)而被局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集。

圖5 發(fā)電機(jī)局部放電信號(hào)傳播特性EMTP電路

采用EMTP軟件對(duì)該電路模型進(jìn)行計(jì)算分析，點(diǎn)3的電壓波形(即電流傳感器采集的干擾信號(hào))如圖7所示?？梢姲l(fā)電機(jī)的局部放電信號(hào)(即外部干擾脈沖信號(hào))經(jīng)過母線及勵(lì)磁變壓器的振蕩后，變?yōu)橐环迪仍龃蠛笾饾u衰減的振蕩波。而文獻(xiàn)[18]指出：變壓器內(nèi)部局部放電信號(hào)為一幅值逐漸衰減的振蕩波，羅氏線圈傳感器采集的外部脈沖干擾信號(hào)的波形特征與局部放電信號(hào)的波形特征具有明顯的區(qū)別。

圖6 脈沖電壓源信號(hào)

圖7 電流傳感器檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)局部放電信號(hào)

3 脈沖干擾信號(hào)的實(shí)測(cè)信號(hào)分析

為了驗(yàn)證本文提出的仿真模型，在某電廠#1勵(lì)磁變壓器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)在發(fā)電系統(tǒng)投運(yùn)前進(jìn)行。分別在發(fā)電機(jī)處及勵(lì)磁變壓器內(nèi)部注入一放電脈沖(如圖8所示)，其方波發(fā)生器輸出電壓為10 V，上升沿為30 ns，方波發(fā)生器端接入50 pF的電容，即注入500 pC的電荷(q0=u0C0[18])，采用安裝于低壓母線上的羅氏線圈對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，勵(lì)磁變壓器A相采集的時(shí)域信號(hào)波形及歸一化功率圖譜分別如圖9和10所示。結(jié)果表明：若勵(lì)磁變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電，羅氏線圈采集的局部放電信號(hào)為一幅值逐漸減小的衰減振蕩波，而羅氏線圈采集的外部脈沖干擾信號(hào)為幅值先增大后逐漸減小的振蕩波，其與局部放電信號(hào)有很大的差別；局部放電信號(hào)及外部脈沖干擾信號(hào)的頻譜都集中于400 kHz左右，與羅氏線圈的中心頻率相吻合，局部放電信號(hào)的頻譜較為規(guī)則，而外部脈沖干擾信號(hào)的頻譜經(jīng)過勵(lì)磁變壓器繞組傳播后，在650 kHz附近也有能量分布，與局部放電信號(hào)的頻譜也有著明顯的區(qū)別，這些為局部放電脈沖信號(hào)的有效識(shí)別提供了必要條件。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集示意圖

圖9 局部放電信號(hào)及歸一化頻譜圖

圖10 外部放電脈沖干擾信號(hào)及歸一化頻譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種研究羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)仿真試驗(yàn)方法。首先分析了勵(lì)磁變壓器低壓繞組絕緣承受的電壓，提出了勵(lì)磁變壓器的局部放電在線監(jiān)測(cè)方法。然后采用EMTP軟件建立研究外部脈沖干擾信號(hào)在勵(lì)磁變壓器內(nèi)部傳播特性的仿真電路模型，分析了羅氏線圈采集的外部脈沖干擾信號(hào)的波形特征。最后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了局部放電測(cè)試試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的仿真模型可以有效模擬外部干擾脈沖信號(hào)在勵(lì)磁變壓器中的傳播特性，對(duì)分析勵(lì)磁變壓器局部放電信號(hào)具有一定的指導(dǎo)意義，為勵(lì)磁變壓器局部放電信號(hào)的去噪與故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

由于篇幅有限，本文僅對(duì)勵(lì)磁變壓器局部放電及外部隨機(jī)脈沖干擾的信號(hào)特征進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，后續(xù)工作將針對(duì)勵(lì)磁變壓器局部放電信號(hào)與外部脈沖隨機(jī)干擾信號(hào)進(jìn)行聚類去噪研究。

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(責(zé)任編輯 陳 艷)

Simulation and Experiment of Pulse Interference Signals in Excitation Transformer Detected by Rogowski Coil

JIANG Tian-yan, CHEN Xi, BI Mao-qiang

(College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The safe operation of excitation transformer is the premise of stable operation of power system. However, the working conditions of low-voltage winding are bad, and the partial discharge defects are extremely easy to occur in the winding insulation. Partial discharge online monitoring is an effective approach but easily affected by external pulse signal interference. This paper presented the simulation experiment of pulse interference signal in excitation transformer detected by the Rogowski coil sensor. Firstly, voltage over the low voltage winding of the excitation transformer was displayed. The degradation process of the insulation and the partial discharge (PD) online monitoring method were described. Electrical circuit was established by the EMTP software, which was simulated pulse interference signal propagation in the excitation transformer. Waveform characteristics of the pulse interference signal detected by the Rogowski coil was given. Results show that simulation model was right and benefited to fault diagnosis of PD signals in the excitation transformer.

excitation transformer; partial discharge; pulse interference signal; Rogowski coil; fault diagnosis

2017-02-063

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51507017); 重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心專項(xiàng)

江天炎(1987—),男,江蘇鹽城人,博士,講師, 主要從事高電壓與絕緣技術(shù)研究，E-mail:jiangtianyan1987@163.com。

江天炎，陳曦，畢茂強(qiáng).羅氏線圈檢測(cè)勵(lì)磁變壓器中脈沖干擾信號(hào)仿真試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(6):154-159.

format：JIANG Tian-yan, CHEN Xi, BI Mao-qiang.Simulation and Experiment of Pulse Interference Signals in Excitation Transformer Detected by Rogowski Coil[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):154-159.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.023

TM412

A

1674-8425(2017)06-0154-06