脈沖注入法的傳感器信號發(fā)生裝置*

谷紅霞， 于 虹， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500;2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 652001)

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脈沖注入法的傳感器信號發(fā)生裝置*

谷紅霞1， 于 虹2， 趙振剛1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500;2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 652001)

脈沖注入法可較為靈敏地反映出各類變壓器繞組故障，原理為在線注入脈沖方波，通過測量響應信號判斷繞組工況。便攜式帶電檢測儀可較好地實現上述功能，電容傳感器信號裝置是其重要組成部件，該部件直接安裝在電力變壓器絕緣套管上，為保證注入信號對在線運行變壓器無影響，要求該部件不影響套管電場分布，同時不影響絕緣套管的絕緣特性。針對不同電壓等級的電力變壓器，設計了相應的電容式耦合傳感信號發(fā)生裝置，通過仿真驗證了相應裝置的電場分布，證明了其對電力變壓器運行無影響，同時對該裝置進行雷電沖擊試驗，檢驗了該裝置的絕緣性能。裝置為脈沖在線注入法的成功應用奠定了基礎。

繞組故障； 脈沖波形注入法； 電場分布； 絕緣性； 傳感器信號裝置

0 引 言

變壓器繞組故障在線檢測一直是專家學者們研究的重點與難點，對電力變壓器的繞組故障離線檢測需要停機待檢，影響電網正常生產運行。電力變壓器繞組故障具有累積效應，微小的變壓器繞組故障會加劇繞組的絕緣老化，若不能及時發(fā)現繞組變形故障，將造成電力變壓器毀壞，嚴重影響電力系統(tǒng)安全運行[1～3]。

脈沖在線注入法對于電力變壓器繞組故障的檢測是一種相對先進的方法，具有全頻段的響應特性，對繞組短路以及繞組變形等故障均可以較為靈敏地進行檢測。李紅民、董曉在大型工件電的圓度誤差測量系統(tǒng)中運用容傳感器，評定測量系統(tǒng)的可靠性與精度[5]。劉澤良、溫銀堂在基于ANSYS的平面電容傳感器陣列三維仿真研究中研究了材料與電極間距和材料厚度對電容值的影響[6]。曹河、董恩生在同面多電極電容傳感器結構仿真研究中為同面多電極電容傳感器的結構設計提供了依據[7]。在線注入脈沖方波，通過傳函判斷變壓器繞組工況，脈沖方波注入在線運行變壓器，此時會有強烈的電磁信號，如何保證信號完好地注入變壓器，同時防止脈沖方波耦合的相電壓工頻信號及部分過電壓信號對電力變壓器及檢測設備可能造成的損害，對脈沖在線注入法成功應用具有重要意義[8～10]。

1 脈沖在線注入法原理

便攜式帶電檢測儀產生的激勵信號經超高頻同軸電纜傳輸至信號注入保護電路，激勵信號經高壓端套管電容傳感器的耦合作用注入至變壓器的繞組首端；經過繞組中傳播，在繞組末端通過中性點套管電容傳感器構成的電容分壓器實現測量，并經超高頻同軸電纜傳輸至便攜式帶電檢測儀，以實現信號的處理和分析，給出診斷結果[12]。檢測原理圖如圖1所示。

圖1 脈沖在線注入法檢測原理

在頻率大于1 kHz的條件下，電力變壓器可以看成由電容器、電阻器、電感器組成的二端口網絡，當變壓器繞組發(fā)生變化時分布參數隨之變化，此時若在一端施加激勵信號，通過測量另外一端額定輸出信號，即可得到此二端口網絡的傳遞函數

(1)

式中 Vi(f)為在線注入的激勵信號頻域分布；Ro(f)為在線測量經過繞組傳播后的響應信號頻域分布。 構成繞組等值模型的分布電感、分布電容和分布電阻參數依據繞組的幾何尺寸和材質而定。當繞組的某一部分發(fā)生變形或者損壞的時候，將導致TF的改變，因此，通過比較被測繞組的TF和參考TF，可以判斷繞組發(fā)生變形或損壞故障[11]。

2 耦合電容式信號發(fā)生裝置

基于耦合電容原理的套管電容耦合傳感器是一種非侵入式的傳感器，此傳感器利用變壓器的高壓套管結構，可實現信號的非接觸注入與測量。傳感器關鍵部件是纏繞在高壓套管靠近接地部位外絕緣層上的金屬薄帶，如圖2所示。

圖2 套管電容耦合傳感器示意

由于篇幅有限，僅對110 kV及以上電壓等級進行研究，套管內絕緣采用電容性套管。電容式套管的電容耦合傳感器是由金屬薄帶和套管導桿、套管內部電容芯子共同構成復合電容結構，實現信號的注入與測量。電容式套管如圖3所示。

圖3 電容式套管傳感器原理

套管電容耦合傳感器樣機如圖4所示，其關鍵部分金屬薄帶由不銹鋼304材質組成，實際使用中，金屬帶完全由絕緣熱縮管包裹，以防止直接暴露在大氣環(huán)境下，一定程度上起到防風沙、雨雪、日照等惡劣的氣候環(huán)境。采用套管電容耦合傳感器在線注入與測量信號，具有不改變系統(tǒng)接線、非接觸式、安全、無損且對系統(tǒng)無影響的優(yōu)點。

圖4 套管電容耦合傳感器

3 電容耦合傳感器對套管外絕緣影響仿真分析

由于加裝了套管電容耦合傳感器，其金屬部分勢必會減小套管爬電距離，改變套管本來的電場分布情況，可能對套管外絕緣造成影響。基于有限元法仿真，對真實套管及電容耦合傳感器建立模型，分析后者對套管外絕緣的影響。對110 kV電容式套管開展建模，探討電容耦合傳感器安裝前后對正常情況以及存在部分閃絡套管電場分布的影響。

3.1 仿真模型建立

對110 kV電容式套管在COMSOL有限元軟件中以變壓器高壓套管為軸對稱結構建立仿真模型，對套管施加110 kV工頻電壓，選擇2D軸對稱模塊對AC/DC模塊進行2D軸對稱仿真。在高壓套管安裝位置附近定義了長度為6 cm的測量線，仿真分析測量線上電場強度大小。對套管正常運行以及發(fā)生閃絡時電場強度進行了仿真研究。由于施加電壓為工頻電壓，因此，可認為套管內電場強度在電壓處于峰值時最大。選擇仿真時間在5 ms時的結果進行分析。

3.2 電場強度仿真分析

3.2.1 正常情況下電場強度仿真分析

對高壓套管未加裝電容耦合傳感器進行了電場強度分布仿真，仿真條件如前所述，仿真結果如圖5所示，在工頻電壓下，場強主要集中在了導桿與第一層電極之間和每層電容芯子頂端，套管電場強度最大點出現在電容末屏頂端，為53.7 kV/cm。仿真結果與參考文獻較為一致，驗證了仿真模型正確性。

圖5 未加裝傳感器電場強度仿真結果

高壓套管加裝電容耦合傳感器后進行仿真研究，得到此時電場強度最大值，與套管未加裝電容耦合傳感器結果比較后可知，電容耦合傳感器對電場強度影響的大小。仿真設置電容耦合傳感器厚度為0.1 cm，寬度為2 cm，與實際情況保持一致。仿真設置條件與套管未安裝電容耦合傳感器一致，仿真結果如圖6所示。

圖6 電場強度仿真結果

加裝電容耦合傳感器后套管內部電場強度分布趨勢未發(fā)生較大改變，套管內電場強度仍集中分布在導桿與第一層電容芯子和每層電容芯子頂端，此時最大場強仍位于末屏頂端，為48.1 kV/cm，場強值較未加裝時改變10.3 %。從圖中可以看出，正常套管未加裝電容耦合傳感器時，電場強度隨著遠離套管絕緣瓷套，場強均勻減?。惶坠芗友b電容耦合傳感器，在電容耦合傳感器表面與空氣接觸處，電場強度發(fā)生了畸變，瞬間增大到1.63 kV/cm。但是，畸變過后的場強值仍遠遠小于空氣的擊穿場強30 kV/cm，不會對套管安全運行造成影響。隨著遠離套管絕緣層及電容耦合傳感器表面，電場強度迅速減小，并且與正常套管時電場強度分布保持一致。

3.2.2 閃絡現象時電場強度仿真

套管在運行過程中，可能發(fā)生閃絡現象。為探討套管發(fā)生部分閃絡現象時，加裝電容耦合傳感器是否造成套管發(fā)生更嚴重的故障，仿真了套管未加裝電容耦合傳感器和加裝電容耦合傳感器時套管發(fā)生沿面閃絡時的電場強度分布如圖5～圖7。此時將套管第2和第3傘裙短接，其余仿真條件如前所述，仿真結果如圖7所示。

圖7 套管發(fā)生部分閃絡現象時電場強度仿真結果

由圖7可知，閃絡現象不會造成套管內部電場分布發(fā)生較大改變，且使得內部電場強度最大值減小。同樣，仿真了測量線上發(fā)生閃絡現象時電場強度，如圖8所示。由圖8可知，電場強度的分布與正常運行條件下的分布趨勢一致。加裝傳感器套管電場強度在傳感器表面發(fā)生畸變，最大值為1.3 kV/cm，隨后迅速減小，并與正常套管發(fā)生閃絡時電場強度值一致。

圖8 套管發(fā)生部分閃絡現象時測量線上電場強度對比

仿真結果表明：加裝套管電容傳感器不會改變套管內部電場強度的分布；傳感器只會造成其表面附近的電場強度發(fā)生畸變，但是畸變程度不會超過空氣的擊穿場強，導致嚴重故障的發(fā)生。因此，套管電容傳感器的安裝不會對設備的正常運行造成影響。

3.3 傳感器對套管外絕緣影響耐壓測試

為真實反映雷電沖擊試驗絕緣性能，對加裝了該傳感器后的套管雷電沖擊干耐壓試驗。套管電容耦合傳感器安裝于110 kV套管外部絕緣層上，最后一片絕緣子處，靠近接地法蘭的位置。

施加正極性雷電沖擊電壓和負極性雷電沖擊電壓各15次，在任意極性下，如內絕緣未發(fā)生擊穿或外絕緣閃絡次數不超過2次，則認為該套管通過本試驗。試驗中，將電壓提高至550 kV，非規(guī)程值的85 %，通過條件為內絕緣未發(fā)生擊穿或外絕緣無閃絡。在高壓套管經歷的30次沖擊過程中，套管外絕緣層未出現閃絡及異?，F象，根據試驗要求，加裝了套管電容傳感器的套管通過了雷電沖擊干耐壓試驗。圖9為試驗時測到的典型波形。

圖9 雷電沖擊試驗結果

4 結 論

電容耦合信號發(fā)生裝置作為便攜式帶電檢測儀的重要組成部件，部件直接安裝在電力變壓器高壓絕緣套管，要求其不影響電力變壓器正常運行，以及電容耦合傳感裝置安裝后不影響電力變壓器絕緣套管額絕緣特性。針對上述問題，首先，建立了仿真模型，通過仿真驗證了裝置設計的正確性，同時，證明了電場分布特性并未發(fā)生明顯變化；其次，對該裝置進行雷電沖擊試驗，驗證了該裝置的安裝并未影響電力變壓器套管絕緣特性，裝置的成功研發(fā)，為使用脈沖在線注入法對電力變壓器繞組故障進行在線檢測奠定了基礎。

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[4] 李紅民,董 曉,康巖輝,等.基于電容傳感器的大型工件圓度誤差測量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013，32(7):89-92，96.

[5] 劉澤良,溫銀堂,梁 希,等.基于ANSYS的平面電容傳感器陣列三維仿真研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(4):45-48.

[6] 曹 河,董恩生,范作憲,等.同面多電極電容傳感器結構仿真研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(12):31-33，37.

[7] 何文林，陳金法，應高亮，等．頻響分析法測試變壓器繞組變形的研究[J].中國電力,2000,33(12):39-42．

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[9] 張慧芬,潘貞存.無線通信與注入信號法相結合的配電網單相接地自動定位[J].繼電器，2008(7)：15-18.

[10] 趙正軍,姜新宇.信號注入法在配電網電容電流測量中的研究[J].廣東電力，2004(6)：25-28.

Sensor signal generator based on pulse injection method*

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.Fauclty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 652017,China；2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd,Kunming 652017,China)

Pulse injection method can more sensitively reflect faults of various types of transformer winding,the principle of this method is that inject pulse square wave on-line and judge the winding conditions by measuring the response signal.Portable charging detector can achieve the above functions better,the capacitive sensor signal device is an important component part, the part is directly mounted on the power transformer bushings,in order to ensure the injected signal has no effect on the online operation transformer,it requires this part does not affect the electric field distribution of the casing,without affecting the insulating characteristics of the insulating sleeve.For different voltage levels of power transformers,corresponding capacitive coupling sensor signal generating means is designed,the electric field distribution of corresponding device is verified by simulation and it is proved that it has no effect on the operation of power transformers,while the lightning impulse test,the insulation performance of the device is test.Research and development of the device laid the foundations for the successful application of pulse line injection method.

winding faults; pulse waveform injection method; electric field distribution;insulation; sensor signal device

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0089—04

2016—07—21

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303004);云南省應用基礎研究計劃項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

TP 216

A

1000—9787(2017)07—0089—04

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器、測試計量等。