用于变压器局部放电检测的超高频_王国利

用于变压器局部放电检测的超高频 传感器的初步研究
王国利 1，郑 毅 2， 郝艳捧 1， 李彦明 1
（1．西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049; 2. 国家电力公司电力规划设计院，北京 100011）
STUDY ON THE ULTRA-HIGH-FREQUENCY SENSOR FOR PD DETECTION IN POWER TRANSFORMER
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线绕至 Q 点的长度相等，即 P、Q 两点在以
P′ P
本方程组转化为动态位方程
2 ∂ϕ ∂ 2Ａ Ａ = −µδ C + ∇ (µε Ａ ) + µε 2 ∇ + ∇ ∇ ⋅ ) ( ∂t ∂t Ａ ∇ ρ 2 ∇ ϕ + ∇ ⋅ =− ∇t ε
r AO Q B
∆r
(2)
Fig.1
图 1 双臂阿基米德平面螺旋天线 Two-wire Archimedian planar spiral antenna
但两 坐标原点 O 为圆心、r = OP 为半径的圆周上， 点上的电流是反向的。 P′点到 B 点的螺线长度与 P 点到 A 点的长度相比较， 当螺旋增长率α 较小时二 者相差的弧长为 QP′≈πr，于是 P 、P′两点的电流 相位差为 π + k 0 πr ≈ π + πr × 2π / λ 。若 r = λ / 2π ，则 P 、 P′两点上的电流相位差近似为 2π ， 也就是说， 当螺线半径近似为 λ / 2π 时，天线两臂上相邻点的 电流几乎是同相位的。因此，周长约为一个波长的 那些环带就形成了螺旋天线的有效接收区。工作频 率改变时，有效接收区沿螺线移动，但方向图基本 不变，具有宽频带特性。天线最大接收方向在螺旋 线平面的法线方向上，且是双向的，主瓣宽度约为 60°～80°。 严格说来，阿基米德平面螺旋天线并不是一个 真正的非频变天线，因为它的几何结构并不满足自 相似条件。但只要参数 r0 、 a 0 及天线的总长度取得 适当，并在其最外层螺旋线末端接以吸收电阻或吸 收材料，则可使这种天线具有很高的工作频带。 阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、尺寸 小、效率高以及可以嵌装等优点。螺旋天线是对称 天线且有固定的输入阻抗， 当采用 50 Ω同轴线馈电 时，就需要进行平衡转换和阻抗变换[8]。采用双孔 磁芯阻抗变换器（又称传输线变压器）来实现平衡 转换和阻抗变换，可以避免方向图倾斜并允许用同 轴线馈电。
2 超高频传感器的设计与分析
2.1 设计依据 要实现对 变压器局部放电的超高频检测，一个 重要的途径就是对局部放电产生的以 TEM 波形式 传播的电磁波进行耦合，并且要求这种耦合器具备 以下基本特性： （1） 结构尺寸灵巧， 在不改变变压器运行和变 压器结构的前提下实现在线监测； （2） 能实现带宽为 500~1500 MHz 的局部放电 信号检测，具有良好的频率响应特性； （3） 具有较高的抗干扰能力及干扰信号区分能 力； （4）具有较高的信号检测灵敏度； （ 5）能将局放特征明显的频段加以区分和提 取。 根据变压器局部放电的特性及变压器的实际结 构，本文设计了一种小型宽带超高频传感器。传感 器的设计从以下方面着手： （1）用于 GIS、电机、电缆的超高频法，检测 频带较窄（通常为几十 MHz），从而丢失了大量的 放电信息，因而检测灵敏度受到一定的限制。研究 表明[7]， 局部放电脉冲能量几乎与频带宽度成正比， 当只考虑检测仪元件（如放大器等）的热噪声对灵 敏度的影响时，用宽频带检测有更高的灵敏度，例 如对在半峰值处有 1.5 ns 宽度的局部放电脉冲，在 1 MHz 带宽的局放灵敏度为 0.1 pC， 在 350 MHz 带 宽灵敏度达 0.01 pC。 因而检测电力变压器局部放电
WANG Guo-li1, ZHENG Yi2, HAO Yan-peng1, LI Yan-ming1 （1.Department of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China; 2. Electric Power Planing and Engineering Institute, Beijing 100011, China ）
ABSTRACT ： The traditional PD detection methods could not meet the requirement of PD detection for power transformer (especially for on-line monitoring), because of their narrow measuring band, poor anti-interference performance and less information. The ultra-high-frequency (UHF) PD detection method has been newly put forward. According to the detection experience in GIS and the discharge characteristics in power transformer, authors design and develop a kind of UHF sensor, namely, two-wire Archimedian planar spiral antenna. The effective wide band of the sensor is 500~1500 MHz. Then the characteristics of this sensor are analyzed by the antenna theory and measured in laboratory, and it is shown that the sensor has superior performance characteristics. In this paper, the sensor is also applied to measure PD signals in transformer oil, results show that it can be used to detect the UHF PD signals in effective frequency band, which is very useful for laying foundations on setting UHF PD detection in power transformer. KEY WORDS ： power transformer ； partial discharge； ultra-high-frequency (UHF) detection； two-wire Archimedian planar spiral antenna 摘要：传统的局部放电检测方法，由于测量频带窄、抗干扰 能力差、信息量少，已经不能满足变压器局部放电检测（特 别是在线检测）的需要，因此，近年来提出的超高频检测技 术得到了较快的发展。根据 GIS 中超高频检测的经验，并结 合变压器的结构和放电特性， 该文研制了一种宽带超高频传 感器，其有效带宽为 500~1500 MHz。用天线理论对该传感 器的特性加以分析并在实验室中进行了性能实测， 结果表明 该传感器具有良好的使用特性。 该文用该传感器研究局部放 电信号， 在其有效频率范围内可以精确地提取放电发射的电 磁信号， 从而为进一步研究超高频局部放电检测技术在变压 器中的应用奠定了基础。 关键词：电力变压器；局部放电；超高频检测；双臂阿基米 德平面螺旋天线 中图分类号：TM855 文献标识码：A
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前言
局部放电检测是电力变压器绝缘监测的重要 内容。传统的局部放电检测方法[1]，其测量信号的 频率一般不超过 1 MHz。近年来，随着电子技术的 发展，数字信号处理和计算机辅助系统等新技术的 应用，使传统的局部放电测量得到了较快地发展， 但它们是以传统的检测理论为基础的，因此仍受到 传统局部放电检测技术的限制。 对于电力变压器绝缘系统中的局部放电特性， 荷兰 KEMA 实 验 室 的 Rutgers 等人 [2~4] 和 英 国 Strathclyde 大学的 Judd 等人[5]的研究表明：油中放 电上升沿很陡，脉冲宽度多为纳秒级，能激励起 1GHz 以上的超高频电磁信号。因此，在超高频范 围内（ 300~3000 MHz）提取局部放电产生的电磁波 信号，外界干扰信号几乎不存在，因而检测系统受 外界干扰影响小，可以极大地提高变压器局部放电 检测（特别是在线检测）的可靠性和灵敏度。 超高频局部放电检测技术近年来得到了较快 的发展，在一些电力设备（GIS 、电机、电缆）的 检测中已经得到应用[3]。由于 GIS 的结构为超高频 检测提供了极为有利的条件，电磁波在其中以波导 的方式传播，有利于局部放电信号的检测，因而该
DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2002.04.031
第 22 卷第 4 期 2002 年 4 月 文章编号：0258-8013（2002）04-0154-07
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Vol.22 No.4 Apr.2002 © 2002 Chin. Soc. for Elec.Eng.
用的超高频传感器选用宽频带是有利的。 （2） 在检测现场， 干扰源多且干扰信号幅值大， 这极大地增加了局部放电信号提取的难度。大量研 究表明，在变压器使用现场，变电站背景噪声的频 率通常小于 200 MHz，而空气中电晕干扰的频率通 常小于 400 MHz。因此，选择天线的下限截止频率 为 500 MHz，这样可以较好地抑制噪声干扰（电台 和移动通信干扰有固定的频率，可以通过软件加以 去除）。对于变压器内部的局部放电，到达接收天 线的电磁信号经多次折、 反射和衰减后已发生畸变， 高频分量不易精确提取，因此选择天线的上限截止 频率为 1500 MHz。这样既能有效地抑制大部分外 部干扰，又能获取尽可能多的局部放电信息。 2.2 超高频传感器（天线）的选取与分析 从上述分析着手，本文研制了一种超高频传感 器——双臂阿基米德平面螺旋天线。 由天线理论可知，如果天线以任意比例变换后 仍等于它原来的结构，那么它的电性能将与频率无 关，即为非频变天线。如果天线的结构满足“角度 条件”，即完全由角度决定，当角度变化时可得到 连续的缩比天线[8]。若将天线的终端部分截尾，对 天线的电性能没有显著的影响，则有限尺寸的天线 就可以在相当宽的频带范围内具有非频变天线的电 特性。螺旋天线是根据无限长天线设计出的一种仅 由角度表征其特征的天线，并且天线电流在离开馈 电点时逐渐减小，因此在电流足够小处把天线截断 将不会影响它的宽带特性。它既满足“角度条件” 又具有截尾后“终端效应”小的特性，因此可以将 其频带做到很宽，而尺寸可以做得很小。 阿基米德平面螺旋线的方程为 r = r0 + a(ϕ − ϕ 0 ) (1) 式中 r 为曲线上任意一点到极坐标原点的距离；ϕ 为方位角；ϕ 0 为起始角；r0 为螺旋线起始点到原点 的距离；a 为常数，称为螺旋增长率。工程中常用 的螺旋天线[7]是由两个反向馈电的阿基米德螺旋对 称放置， 得到两条起始点分别为 A 和 B 的对称螺线， 如图 1 所示。以这样的两条阿基米德螺线为两臂， 在 A、B 两点对称馈电，就构成了阿基米德平面螺 旋天线。通常用印刷技术制造这种天线，并使金属 螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以形成自补结 构，有利于实现宽频带阻抗匹配。 如果从 A、 B 两点对天线进行平衡馈电， 则从 A 点沿一条螺线绕至 P 点的长度与从 B 点沿另一条螺
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王国利等：用于变压器局部放电检测的超高频传感器的初步研究
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方法在 GIS 局部放电在线检测中占有极为重要的地 位， 其灵敏度可达到 1 pC 。 超高频检测法在电机、 电缆中也有较成功的应用，有的已形成产品[3]。对 电力变压器而言，局部放电发生在变压器内的油 隔板绝缘中，由于绝缘结构的复杂性，电磁波传播 时会发生多次折反射及衰减；同时，变压器箱壁也 会对电磁波的传播带来不利影响，这就增加了超高 频电磁波检测的难度，因此，变压器超高频局放检 测技术仍处于起步阶段。 变压器超高频局放检测中的关键技术是传感 器，即超高频天线。传感器性能的好坏直接影响到 信号的提取，进而影响到放电的识别。本文用天线 理论分析了所研制的超高频传感器的特性，并进行 了实测，为变压器超高频局部放电检测技术的进一 步研究奠定了基础。