干式變壓器局部放電在線監(jiān)測脈沖電流傳感器的開發(fā)

田富

摘?要：傳統(tǒng)的功率變換器電路包括兩種類型的電流傳感器，一種用于電流控制，另一種用于過流保護。最近，人們對電流傳感器進(jìn)行了研究，這些傳感器將集成在電源模塊中。這些傳感器應(yīng)該能夠保護電源設(shè)備不受過電流的影響。此外，電源轉(zhuǎn)換電路必須實現(xiàn)交流側(cè)電流傳感器的控制。通常，這些電流傳感器是獨立使用的;因此，需要兩種類型的傳感器。但是，如果用于保護的傳感器也可以進(jìn)行電流控制，那么用于電流控制的傳感器就可以消除。功率器件的電流波形是脈沖波形。因此，需要一種考慮傳感器位置和同步采樣的采樣技術(shù)。本文提出了一種利用集成在功率模塊中的電流傳感器控制輸出電流的方法。單極調(diào)制單相逆變器的傳感器位置和采樣點之間的關(guān)系是顯而易見的。通過與功率器件串聯(lián)安裝的普通電流傳感器的實驗，驗證了該方法的有效性。此外，還考慮到實際電流具有頻率特性，進(jìn)行了包含傳感器特性的仿真。最后通過實驗驗證了電流控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：干式變壓器;局部放電;在線監(jiān)測;脈沖電流傳感器

引言

電氣設(shè)備的維修與技術(shù)開發(fā)可分為三個階段，即故障維修、定期維修、狀態(tài)維修。狀態(tài)維修是以可靠性為中心的維修，并逐步取代以往的定期預(yù)防性維修。它基于設(shè)備的狀態(tài)并執(zhí)行預(yù)防性操作。設(shè)備的狀態(tài)維護通過測量關(guān)鍵參數(shù)來識別現(xiàn)有或潛在的損壞跡象。對于工作設(shè)備，可以進(jìn)行狀態(tài)評估。這種策略不需要定期檢修設(shè)備，這提高了檢修的相關(guān)性和有效性。發(fā)現(xiàn)問題，及時發(fā)現(xiàn)，有效地延長了設(shè)備的使用壽命，合理地降低了設(shè)備的運行維護成本。目前，避雷器全電流和阻性電流檢測技術(shù)、電容器件介質(zhì)損耗和電容檢測技術(shù)、變壓器體內(nèi)油溶氣體、局部放電監(jiān)測技術(shù)和傳輸線紅外檢測技術(shù)都比較廣泛。隨著電纜在城市電網(wǎng)建設(shè)中的普遍應(yīng)用，改進(jìn)電纜檢測方法的要求越來越迫切，尤其是帶電檢測。

一、干式變壓器局部放電概述

（一）干式變壓器發(fā)展

干式變壓器以其低噪聲、低損耗、免維護、高可靠性、無污染、抗燃燒、抗燃燒等優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注和推廣。廣泛應(yīng)用于地鐵、機場和居民區(qū)。目前干式變壓器主要有兩種類型：一種是F類環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器（ORDT），另一種是H類真空壓力浸漬干式變壓器（OVDT）。自上世紀(jì)80年代末以來，中國從歐洲引進(jìn)了先進(jìn)的薄型絕緣ORDT技術(shù)，現(xiàn)已在全國廣泛應(yīng)用。近年來，由于浸漬干式變壓器采用真空壓力浸漬（VPI）技術(shù)，并采用美國杜邦公司的NOMEX紙作為絕緣材料，浸漬干式變壓器（作為NOMEX紙絕緣浸漬干式變壓器）在我國開始試運行。環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器整體機械強度和耐短路能力良好。短路時對軸向和徑向電功率均有較強的容錯能力。由于沒有墊塊這樣的強點，鋼絲不會繼承彎曲應(yīng)力。高機械強度可以認(rèn)為是環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器的最大優(yōu)點。但對于NOMEX紙絕緣清漆干式變壓器，NOMEX紙具有抗壓強度好、受壓變形小、可靠性好的特點，從真空壓力清漆和干燥固化過程來看，其表面不留釘痕。由于清漆干式變壓器使用的交叉線圈與油浸式變壓器基本相同，所以墊塊在扁平繞組之間起支撐作用，它由低壓線與鐵心之間的支撐物支撐。就變壓器的結(jié)構(gòu)而言，其整體機械強度和短路電阻容量均低于環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器。NOMEX紙絕緣漆干式變壓器的過載能力優(yōu)于環(huán)氧樹脂澆注式干式變壓器，這是由于采用了熱等級為H級（溫度等級為180℃）的NOMEX紙，而且變壓器的起動過載熱裕度較大。隨著干式變壓器技術(shù)的不斷改進(jìn)和NOMEX紙的進(jìn)一步國產(chǎn)化，h級干式變壓器的生產(chǎn)成本將進(jìn)一步下降。H級NOMEX紙絕緣漆干式變壓器以其環(huán)保優(yōu)勢在未來市場上將具有強大的競爭力。采用這種技術(shù)是我國變壓器行業(yè)的發(fā)展趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

（二）局部放電原理及檢測

局部放電（PD）測量是檢測電力設(shè)備絕緣缺陷的最重要的、無破壞性的方法。用于電力系統(tǒng)的質(zhì)量檢測，以及電纜、GIS、電力變壓器、旋轉(zhuǎn)機械及其部件的現(xiàn)場診斷檢測。變電站內(nèi)局部放電的傳播受到變電站網(wǎng)絡(luò)的很大影響。局部放電脈沖的真實波形無法在現(xiàn)場測量。經(jīng)典的局部放電校準(zhǔn)模型對于局部放電的在線監(jiān)測是不合理的，因為它用集總電容表示變壓器，用連接線和相鄰設(shè)備作為耦合電容。為了解決上述問題，需要建立一個實用的局部放電校準(zhǔn)模型。也就是說，需要為變電站內(nèi)部的變壓器及其外部耦合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造合理的等效電路。介紹了變電站網(wǎng)絡(luò)局部放電仿真的策略，以及在500kv 變電站進(jìn)行的局部放電仿真實驗。這些實驗涉及變壓器外部耦合網(wǎng)絡(luò)的五種不同的測試范圍，并注入多個頻率的正弦信號來模擬局部放電信號的不同頻率分量。通過比較相同試驗頻率下不同試驗范圍下的響應(yīng)，概述了外部耦合網(wǎng)絡(luò)對變壓器局部放電監(jiān)測的影響。

二、干式變壓器局部放電在線監(jiān)測脈沖電流傳感器的設(shè)計

2.1 研究背景

用于交流電流檢測的電流傳感器的原理是基于電流互感器或霍爾效應(yīng)等。有些論文將自己研制的電流傳感器應(yīng)用于功率變換器電路。此外，還提出了將電流傳感器集成在功率模塊中的建議。傳感器主要用于電力設(shè)備的過電流保護。如果這些電流傳感器集成在電源模塊可以適當(dāng)?shù)赜糜诳刂疲惭b在交流側(cè)的傳感器是可能的。實現(xiàn)了電路的小型化和高功率密度化。當(dāng)這些傳感器用于交流側(cè)電流控制時，需要討論輸出電流的檢測方法。然而，集成電流傳感器只能檢測脈沖形狀的電流波形。如果輸出電流可以恢復(fù)脈沖形電流，傳感器可以用于電流控制。正常情況下，電源轉(zhuǎn)換器電路必須連接到電流傳感器，如圖1所示，在電源模塊之外。如果電流控制可以實現(xiàn)使用集成電流傳感器，沒有電流傳感器需要連接。為了恢復(fù)正弦電流波形，必須采用數(shù)字控制。此外，采樣點和開關(guān)定時都應(yīng)該是同步的。逆變電路功率模塊中的電流波形取決于功率器件和傳感器位置之間的關(guān)系。

2.2 脈沖電流采樣和傳感器位置

本文提出利用這些電流傳感器可以控制輸出電流。在這里，表示流入電源設(shè)備的電流。電流波形為脈沖形電流波形。然后對脈沖電流進(jìn)行采樣，檢測瞬時電流。逆變電路的 PWM 信號是基于三角載波波形產(chǎn)生的。當(dāng)使用一個傳感器時，采樣點由傳感器種類決定。單相逆變器的波形證實了當(dāng)功率器件處于 ON 狀態(tài)時，輸出交流電流流入該器件。因此，在功率器件的 ON 狀態(tài)下，可以使用模塊電流傳感器對瞬時輸出電流進(jìn)行采樣。從這些波形，可以通過選擇合適的傳感器在 ON 狀態(tài)下獲得輸出電流。需要注意的是，同步采樣點和功率模塊電流傳感器具有選擇性。

三、小結(jié)

分析表明，由于傳感器的輸出延遲和頻率特性，使得傳感器出現(xiàn)了不可控區(qū)域，這些影響可以公式化。實驗驗證了該方法的有效性。由此可見，電流傳感器可以與電源裝置串聯(lián)控制輸出電流，而保護模塊式電流傳感器可以完成這一任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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