影響變壓器uhf信號的因素分析

影響變壓器uhf信號的因素分析

當(dāng)畸變源發(fā)生局部放電（pd）時，陡峭的那秒電流脈沖可以達(dá)到0.3.3ghz。輸出的高頻傳感器可以擴展到超過高性能的頻帶中來檢測pd信號，但由于變壓器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同程度上影響傳感器檢測到的信號波形和能量。通常電磁波在變壓器內(nèi)傳播時要經(jīng)過多種不同的組合介質(zhì),在組合介質(zhì)交界面處電磁波會發(fā)生折反射,如果兩種組合介質(zhì)的μ和ε相近時,入射波會幾乎無反射地進(jìn)入下一層介質(zhì)。在變壓器內(nèi)部,為了使在變壓器組合介質(zhì)上的電場接近,常選用相對介電常數(shù)比較接近介質(zhì)組合(如油和紙絕緣),UHF信號在這種組合絕緣介質(zhì)中的衰減很小。導(dǎo)體對電磁波的影響很大,文獻(xiàn)引入光程的概念,說明了金屬障礙物對電磁波傳播的影響。入射電磁波在沿曲面?zhèn)鞑r不斷沿切線向發(fā)出繞射射線,故其能量迅速衰減,對局部放電UHF信號的檢測很不利。所以,為了更好地檢測信號,通常把UHF傳感器通過放油閥或?qū)ｉT的法蘭窗口伸進(jìn)變壓器內(nèi)部。利用電磁場仿真技術(shù)研究局部放電是一種重要的研究手段,目前國內(nèi)外用于局部放電傳播特性研究的電磁場計算方法主要有:時域有限差分法(FDTD)和矩量法(MoM),但研究主要集中于氣體絕緣組合電器(GIS),對變壓器研究得很少。筆者采用時域有限差分法,針對變壓器內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu),在構(gòu)建的變壓器仿真模型上,結(jié)合實驗室模擬實測結(jié)果,深入研究了UHF電磁波在變壓器內(nèi)部的傳播特性及影響因素。1放電激勵源及市場配置通常局部放電電磁波信號可看作是由一點源發(fā)出的球面波,它遵循麥克斯韋電磁場基本方程。引入動態(tài)向量位和動態(tài)標(biāo)量位,該方程可轉(zhuǎn)化為動態(tài)位方程2A=?μδC+(με?φ?t)+(?A)+με?2A?t2,2φ+??A?t=?ρε????(1)2A=-μδC+(με?φ?t)+(?A)+με?2A?t2,2φ+??A?t=-ρε?}(1)式中:ρ為放電激勵源;ε為介電常數(shù);μ為空間磁導(dǎo)率;δc為電流密度。則其解為:φ(x,y,z,t)=14πε∫Vρ(x′,y′,z′,t?rv)rdV?A(x,y,z,t)=μ4π∫VδC(x′,y′,z′,t?rv)rdV。???????????(2)φ(x,y,z,t)=14πε∫Vρ(x′,y′,z′,t-rv)rdV?A(x,y,z,t)=μ4π∫VδC(x′,y′,z′,t-rv)rdV。}(2)式(2)說明局部放電產(chǎn)生的電磁波以速度v沿著r方向傳播,是時間和位置的函數(shù),電磁波能量沿傳播方向流動。式中r是(x,y,z)與點(x′,y′,z′)的距離。2fdtd模擬計算模型分析2.1變所需模型尺寸圖1是筆者建立的三維仿真物理模型,圖2為其切面圖。由于不同生產(chǎn)商以及不同型號和類型的變壓器尺寸差別較大,且也沒有一個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),所以建立的模型尺寸,主要根據(jù)計算機的運算速度來選取,只要改變所需模型尺寸就能滿足實際要求。筆者選擇的箱體尺寸為1.5m×1.2m×1m,壁厚為0.02m,設(shè)定電導(dǎo)率γ為1×107S/m,箱體內(nèi)部變壓器油的介電常數(shù)ε為2.2。鐵心和繞組位于箱體中心,鐵心直徑為0.5m,高為1.1m,鐵心相對磁導(dǎo)率近似為2000;繞組厚度為0.1m,高為1m。另外,法蘭盤孔為0.3m。由于變壓油和紙絕緣的相對介電常數(shù)比較接近,UHF信號在油-紙組合絕緣中的衰減較小,為了便于計算,筆者對繞組做了一定近似,把油和紙絕緣相間的結(jié)構(gòu)(如圖3)全部用紙絕緣來代替,參考文獻(xiàn)中各材料的參數(shù),設(shè)定紙絕緣的相對介電常數(shù)為3.6。2.2變壓器脈沖放大信號i0用高斯電流脈沖來模擬局部放電的激勵源,其時域形式為:I(t)=I0exp(?4π(t?t0)2τ2)?(3)Ι(t)=Ι0exp(-4π(t-t0)2τ2)?(3)式中:τ為常數(shù),決定了高斯脈沖的寬度;I0為脈沖峰值;t0為脈沖峰值出現(xiàn)的時刻。筆者選擇的脈沖峰值為0.05A,脈沖寬度為1.54ns。激勵源設(shè)在圖1所示的變壓器箱體切平面上,離箱體內(nèi)壁0.25m,方向為X向。檢測點A、B、C(圖2)分別離激勵源距離為1.1、1.2、1.3m,其中C點因為離變壓器箱體內(nèi)壁最近,對內(nèi)部電場的影響最小,所以重點考慮各種情況對C點UHF信號的影響。對于模型中的激勵源來說,最可能被檢測到的是X方向的電磁波信號,所以設(shè)定檢測點的方向都為X方向。另外,由于UHF天線在有效檢測頻帶內(nèi)的駐波比通常都小于2,即對信號的接收功率超過89%,所以這里沒有考慮法蘭盤的反射影響,即在圖1模型中的通孔外邊沒有法蘭盤。2.3pml層的特點對上述變壓器物理模型采用均勻網(wǎng)格劃分,各個方向的空間計算步為1cm。對模型的邊界條件,采用完全匹配層PML。PML是一種特殊的介質(zhì)層,該層的波阻抗與相鄰介質(zhì)波阻抗完全匹配,因而入射波將無反射地穿過分界面進(jìn)入PML層。由于PML為有損耗介質(zhì),進(jìn)入PML層的透射波將迅速衰減,有限的幾層PML介質(zhì)就能對入射波起到很好的吸收效果。3影響信號檢測的因素3.1鐵心5組時檢測點c的信號仿真信號對比圖4中(a)(b)分別是在激勵源作用下,沒有鐵心繞組(空箱體)和有鐵心繞組時檢測點C的仿真信號。對比發(fā)現(xiàn)鐵心繞組的存在使得檢測點的UHF信號幅值減小,尤其是信號的波頭部分影響最大。原因主要是鐵心繞組的存在使得信號在傳播過程中出現(xiàn)了更復(fù)雜的折反射,電磁波在物體表面的繞射也加劇了波頭的衰減。3.2uhf信號的衰減圖5中曲線1、2、3分別是激勵源作用下,距局放源1.1、1.2、1.3m所檢測到的UHF信號。隨著檢測點遠(yuǎn)離局放源,信號的幅值逐漸減小。另外,不同檢測位置信號的波形變化較大,這是由于不同檢測點信號的折反射不同所引起的。為了獲得較高的靈敏度,傳感器應(yīng)盡可能的深入箱體內(nèi)部,但這樣對變壓器內(nèi)部電場的影響也將增大。所以在進(jìn)行傳感器的安裝時,應(yīng)找到最佳結(jié)合位置。圖6是40ns內(nèi)的UHF信號的能量W累積圖(天線等效高度1m,系統(tǒng)阻抗50Ω),其中曲線1、2、3分別對應(yīng)圖5中的1、2、3。對比曲線發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測點遠(yuǎn)離局放源時,接收到的信號能量逐漸減小,且減小的幅度是不一樣的。能量累積圖還說明由于信號的折反射不同,信號能量衰減的幅度與距離并不是成比例的關(guān)系,這就給UHF信號的定量造成了困難。為了驗證仿真的正確性,筆者在自建的模擬變壓器實驗平臺(尺寸為3m×2.5m×2m)上進(jìn)行了模擬實驗研究。實驗中采用油中針板模型作為局部放電源,距離變壓器箱壁0.5m。檢測天線的帶寬為340～440MHz,檢測點離局部放電源分別為0.5、1、1.5、2m。根據(jù)記錄的UHF信號幅值A(chǔ)做曲線圖(見圖7),隨著檢測點遠(yuǎn)離局放源,UHF信號幅值變小,這與仿真所得的結(jié)論一致。3.3檢測點c的uhf信號在變壓器內(nèi)部,為了防止發(fā)生電暈,金屬導(dǎo)體的尖端都被打磨得比較光滑,筆者用直徑為6cm的金屬圓球來模擬變壓器內(nèi)的金屬導(dǎo)體。在激勵源作用下,當(dāng)圓球分別在位置1、2和3(如圖8所示,其中1、3的球心與檢測點距離10cm,2的球心與檢測點距離5cm,位置1和2與檢測點C在一條直線上)時,檢測點C的UHF信號如圖9(a)(b)(c)所示,圖9(d)是沒有金屬導(dǎo)體影響時C點的UHF信號。圖9說明金屬導(dǎo)體的存在對UHF信號的檢測有一定影響,且不同位置的金屬導(dǎo)體對UHF信號檢測的影響是不同的,位置1和2對UHF信號檢測的影響要大于位置3,原因是由于鐵心繞組的阻擋,UHF信號繞射經(jīng)過鐵心繞組后,相對于位置3,位置1和2更接近電磁波的傳播路徑,所以位置1和2對信號檢測的影響較大。圖10是信號在40ns內(nèi)的能量累積圖,其中曲線1、2、3和4分別對應(yīng)圖9中信號(a)、(b)、(c)和(d)。對比圖10中各曲線,位置1和2與檢測點的距離雖然不同,但兩者的能量累積曲線比較接近;而位置1和3與檢測點的距離雖然相同,兩者的能量曲線卻差別較大。能量累積曲線進(jìn)一步表明了金屬導(dǎo)體對UHF信號的影響與金屬導(dǎo)體的位置有很大關(guān)系,相對于金屬導(dǎo)體與檢測點間的距離,位置的影響更大一些。所以進(jìn)行傳感器安裝時,要考慮金屬導(dǎo)體的影響,安裝位置要盡量遠(yuǎn)離變壓器內(nèi)部的金屬導(dǎo)體。4檢測點間距的影響鐵心與繞組的存在使得檢測到的局部放電信號的波形發(fā)生變化,其中信號的波頭部分受到的影響最大;在