0 引言

电力变压器是电力系统的关键部件,在电网运行中扮演着十分重要的角色。随着越来越多的变压器接近他们的预期寿命,检测其绝缘状态变得十分重要^{[1- 2]}。局部放电(partial discharge,PD)是导致绝缘故障的主要原因之一,局部放电的检测是评估电力变压器绝缘状况的一种灵敏有效的方法^{[ 3- 4]}。作为局部放电的检测方法之一,超高频(ultra-high frequency, UHF)法是通过接收局部放电激发出的超高频(0.3~3 GHz)电磁波信号来进行放电的检测和定位的,该方法具有抗干扰能力强、灵敏度高、易于实现在线监测和可定位等优点,已成为局部放电检测的重要方法^{[ 5- 8]}。然而,由于变压器内部结构复杂,不同的传播路径对超高频信号有显著影响,因此,当超高频法应用于电力变压器局部放电检测时,需要了解电磁波在真实变压器中的传播特性,这对于天线频带的选择、优化天线安装的位置和数量、提高检测灵敏度以及局部放电类型的识别和绝缘状态的评估至关重要^{[ 9]}。

在之前的研究中,气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)电磁波的传播特性受到了较多的关注^{[ 10- 12]},而关于变压器中电磁波传播特性的研究相对较少。虽然研究者对变压器超高频信号传播特性已经开展了一些研究^{[ 13- 14]},但这些研究工作大多基于简易的试验平台或停留在仿真和理论分析阶段,而对于真型电力变压器中超高频信号传播特性的研究则较少。已有研究对电磁波在实际变压器中的传播仍然了解得不够充分,缺少对真型变压器中超高频信号传播特性的分析、研究和验证,从而限制了超高频局部放电检测技术在变压器上的应用。此外,大多研究工作只关注了电磁波幅值的变化规律,而忽略了电磁波的累积能量、频率以及传播时间的变化情况。

综上所述,本文基于一台110/35/10 kV三相三绕组油浸式电力变压器,研究了变压器中局部放电超高频信号的传播特性,分析了多个检测点处超高频信号的幅值、累积能量、频率和传播时间的变化规律。研究成果能够为超高频天线频带的选择,天线安装的位置和数量的确定,及检测灵敏度的提高提供参考和帮助。

1 110 kV真型变压器试验平台

为了研究变压器中局部放电电磁波的传播特性,本文首先搭建了真型变压器局部放电超高频检测平台,如图1所示。试验采用的是一台110/35/10 kV的油纸绝缘电力变压器(尺寸为370 cm×168 cm×253 cm),其内部结构完整,包括铁芯、高压(HV)绕组、中压(MV)绕组、低压(LV)绕组、分接开关、引线、套管等。高压绕组的直径为110 cm,由67个盘状线圈组成,每个盘状线圈的高度为10 mm,油隙距离为5 mm。为了在多个检测点接收超高频信号,对变压器箱体上19个位置进行开孔,并在孔内安装局部放电源和介质窗天线,孔的位置如图2所示。在箱体顶部,有3个位置分别为H1—H3;箱体的中等高度有8个开孔位置,分别为M1—M8;对应于箱体低处孔的位置,分别为L1—L8;局部放电源固定在位置M1处,超高频天线安装在其他位置,以接收电磁波信号。

局部放电源如图3所示,它可以安装在带有密封环的法兰上,以保证良好的密封性。由于油中电晕放电激发的超高频信号频率范围较宽,有助于研究频率的变化特性,因此选择针-板电极产生油中电晕放电来激发超高频信号。电极的针尖与绝缘纸板之间的距离为5 mm,绝缘纸板厚度为0.5 mm,针尖半径为200 μm,放电源可以插入到变压器中靠近绕组的位置,当变压器充满油后,加压就可以产生油中电晕放电。放电模型的另一端与加压电路相连,如图4所示,高电压由无电晕试验变压器(额定容量为60 kVA,额定电压为60 kV)产生,5.3 kΩ的保护电阻连接在试验变压器和放电源之间,1 000 pF的电容分压器与高压引线相连以测量电压。当施加电压高于局部放电的起始电压时,将在针-板处产生油中电晕放电,从而激发电磁波。

图1 110 kV变压器及其内部结构 Fig.1 110 kV power transformer and its structure

图2 变压器开孔位置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the locations for openings in the transformer

阿基米德螺旋天线^{[ 15]}具有良好的频率响应和较高的灵敏度,故常被用于局部放电超高频检测^{[ 16- 17]},如图5所示,天线贴在介质窗上来检测电磁波,金属挡板安装在法兰上,以防止变压器内部电磁波泄漏和外界的电磁干扰。通过吉赫兹横电磁波(gigahertz transverse electromagnetic wave,GTEM)小室对天线灵敏度进行标定,得到天线频率响应曲线如图6所示。天线通过电阻为50 Ω的电缆与放大器(工作频率范围0.3~3 GHz,增益为20 dB)相连,随后通过数字示波器(LeCroy,Wave Runner 640Zi,4 GHz,20 GHz)对信号进行采集和存储。每次试验均对4个不同位置处的天线接收到的超高频信号同时进行检测;由于试验中局部放电激发的电磁波强度会发生变化,因此将位置M2处的天线作为参考天线,其他3个天线轮流放置在不同的检测位置;通过将其他位置的超高频信号与参考天线接受的信号进行比对来评估电磁波的传播特性。

2 试验结果及其讨论

2.1 电力变压器中的超高频信号

当电压增加到18 kV时,在位置M1处产生了油中电晕放电。图7(a)是位于位置M2和M4处的天线同时检测到的超高频信号时域波形。可以看出,变压器中超高频信号的持续时间约为100 ns,对比检测位置M2和M4的超高频信号发现,由于电磁波的传播距离增加了212 cm,因此传播时间大约增加了11 ns(油中电磁波的传播速度约为20 cm/ns),而信号的幅值则从86.5 mV衰减到30.6 mV。通过快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)计算,检测得到位置M2和M4处的超高频信号频谱分布如图7(b)所示。可以看出,油中电晕放电激发的电磁波信号的频率主要分布在300 MHz~1.8 GHz之间,随着传播距离的增加,M4处信号的高频分量衰减十分严重,信号的主要频率分布在300~900 MHz之间。

2.2 超高频信号幅值和累积能量的传播特征

为了研究超高频信号幅值和能量的传播特性,将位于M2处的天线作为参考天线,然后将其他天线分别放置在位置H1—H3、M3—M8、L1—L8处,以接收超高频信号。由于信号的幅值和能量有波动性,因此将位置M2处的超高频信号作为参考,对其他检测位置的结果进行标准化处理。超高频信号的标准化幅值、累积能量和标准化能量可以分别通过式(1)—式(3)计算得到：

图3 局部放电源结构及其安装方式 Fig.3 Structure of the PD source and its installation method

图4 局部放电超高频信号检测示意图 Fig.4 Schematic circuit diagram for the measurement of PD UHF signal

图5 变压器箱体上的超高频天线 Fig.5 UHF antenna on the tank

图6 阿基米德螺旋天线的频率响应 Fig.6 Sensitivity of the Archimedean spiral antenna

\(N(A)=\frac{A}{\mathop{A}_{\text{M2}}}\) \(\)(1)

\(E=\sum\limits_{n=0}^{N-1}{\frac{u{{(n)}^{2}}}{R}}\Delta T\) (2)

\(N(E)=\frac{E}{{{E}_{\text{M}2}}}\) (3)

式中：N(A)为超高频信号的标准化幅值;A为超高频信号幅值;A_M2是检测位置M2处的超高频信号幅值;E为超高频信号的累积能量;u(n)是UHF信号的采样电压;R是检测电路的阻抗,其值为50 Ω;示波器采样频率为20 GHz,因此采样间隔ΔT为0.05 ns;N为采样次数;N(E)为超高频信号的标准化能量;E_M2是检测位置M2处超高频信号的累积能量。

图8展示了超高频信号的幅值随着放电源与接收天线距离增加的变化规律,将图中M2处的信号幅值作为参考,对其他位置处的信号进行标准化处理,每个检测点取20组试验数据进行分析,计算其平均值和误差区间。从图8中可以看出,L1是信号幅值最大的检测位置,其幅值是参考信号幅值的1.16倍;L5是信号幅值最小的检测位置,其检测幅值衰减到了参考信号幅值的23%,虽然L5不是距离放电源最远的位置,但与其他检测点相比,位置L5受到了绕组和铁芯严重的阻碍,因此其信号幅值衰减严重。总体来看,超高频信号的幅值随着传播距离的增加而非线性地减小,当传播距离较近时,信号幅值迅速衰减,随着传播距离的增加,衰减速率减慢并逐渐趋于稳定。此外,检测位置M3—M7处信号的幅值总是高于其附近H1—H3和L2—L8处信号的幅值,因此与放电源(M1)处于相同高度的检测位置M3—M7更有利于接收超高频信号。此外,当电磁波经过绕组和铁芯传播到检测位置M7时,信号的幅值大约衰减到了参考信号的60%。

如图9所示是超高频信号能量随着传播距离增加而衰减的变化规律。将M2处的信号能量作为参考,对其他位置处的信号进行归一化处理,从图9中可以看出,超高频信号的能量随着传播距离的增加而非线性地减小。与图8对比可以看出,超高频信号的能量具有与幅值相似的变化规律。检测位置L1和L5处的信号同样对应能量的最大值和最小值。然而,与幅值的变化规律相比,信号的能量具有更宽的变化范围,检测位置中能量的最大值高于最小值约7倍,最小能量大约是参考信号能量的17%。

考虑到超高频信号幅值和能量的衰减特性,应尽量将天线布置在靠近重点监测区域或潜在放电区域。天线与放电源位于箱体同侧或相近高度的位置更有利于局部放电的检测。

图7 变压器中超高频信号 Fig.7 UHF signals in the power transformer

图8 超高频信号幅值的衰减特性 Fig.8 Attenuation characteristics of the amplitude for the UHF signals

2.3 超高频信号频率的传播特性

为分析不同位置处电磁波频带能量的变化情况,将电磁波的频率分为4个频段,分别为0.3~0.6 GHz、0.6~0.9 GHz、0.9~1.2 GHz和1.2~1.5 GHz,通过分析每个频带内能量所占的比重来研究频率的变化特性。基于帕塞瓦尔定理,频段能量可根据式(4)计算,每个频段所占的比重通过式(5)计算：

\({{E}_{[{{f}_{\text{L}}},{{f}_{\text{H}}}]}}=\sum\limits_{n={{f}_{\text{L}}}}^{{{f}_{\text{H}}}}{\frac{{{F}_{n}}^{2}}{R}}\Delta f\) (4)

\({{P}_{[{{f}_{\text{L}}},{{f}_{\text{H}}}]}}=\frac{{{E}_{[{{f}_{\text{L}}},{{f}_{\text{H}}}]}}}{{{E}_{[0.3,1.5]}}}\) (5)

式中：F_n是FFT分析后的第n个频率分量;Δf是FFT后离散频点间隔;R=50 Ω;f_L, f_H是频段内最低和最高的频率;\({{E}_{[{{f}_{\text{L}}},{{f}_{\text{H}}}]}}\)是频段[f_L, f_H]内的信号能量;E_[0.3,1.5]是0.3~1.5 GHz频带内的总能量。

图10是在位置M2,M3和M4处检测到的电磁波频带能量比重分布。将电磁波频率划分为了4个频段,可以看出电磁波的主要能量集中在频率相对较低的频段。而且,随着电磁波传播距离的增加(位置M2、M3、M4到放电源的距离依次增加),0.3~0.6 GHz频带能量的比例明显增加,而频段0.6~0.9 GHz、0.9~1.2 GHz和1.2~1.5 GHz的能量比重明显减少,这说明电磁波在传播过程中,较高的频带会出现较大的衰减,从而导致其能量占比较小,使得信号能量更多地集中在300~600 MHz频带内。

为进一步分析电磁波频率的衰减特性,对位置M2处的电磁波信号进行了小波时频分析,得到结果如图11所示。可以看出,较高的频率(600 MHz以上)衰减十分迅速,持续时间大约只有20 ns,而600 MHz以下较低频率可以在变压器中持续60 ns或80 ns,甚至更长的时间。上述结果验证了图10中较高的频带会遭受较大的衰减,从而使得能量主要集中在较低的频带内(300~600 MHz)。

电磁波的反射损耗和绕射特性可用于解释更高频率遭受更大衰减的原因。导电材料界面处电磁波的反射损耗P可以表示为^{[ 18]}

\(P=168+10\lg \frac{\sigma }{{{\mu }_{\text{r}}}f}\) (6)

式中：f是电磁波的频率;μ_r和σ分别是导体的相对磁导率和电导率。式(6)表明,反射损耗P随着电磁波频率的增加而减小,导体的电导率越低、磁导率越高,反射损耗就越小,就会导致越多的能量入射到导体中转化为焦耳热。因此具有较高频率的电磁波在变压器中多次反射情况下会迅速衰减,电导率越低、磁导率越高的导体(如铁芯)会导致电磁波的衰减更加严重。另一方面,在放电源和天线之间总会存在一些金属障碍物(如绕组、铁芯等),它们会

图9 超高频信号能量的衰减特性 Fig.9 Attenuation characteristics of the energy for the UHF signals

图10 不同位置处频带能量分布 Fig.10 Proportion of frequency band energy in different measurement positions

图11 检测位置M2处超高频信号的时频特性 Fig.11 Time-frequency characteristics of the UHF signal at measuring position M2

阻挡电磁波的传播路径;且频率越高的电磁波,其波长越短,绕射能力越弱,因此越难以绕过金属障碍物到达天线。上述2个方面就是超高频信号在变压器中传播能量更趋向于集中在低频段的原因。

由于超高频信号传播过程中高频衰减严重,信号主要能量集中在300~600 MHz,因此用于变压器超高频检测的天线应在300~600 MHz频带内具有较好的响应和等效高度,以提高对局部放电信号的检测灵敏度。

2.4 超高频信号的传播时间

为了研究超高频信号传播时间的变化特性,首先建立了电磁波绕射路径计算模型^{[ 19]},将铁芯作为圆柱形障碍物,图12展示了围绕圆柱体的传播路径及其二维投影的几何模型。在二维投影中,假设电磁波源和超高频天线的坐标为(x_m, y_m)和(x_s, y_s),图12中所示的θ₁,θ₂,θ₃和θ₄可分别表示为：

\({{\theta }_{1}}={{\tan }^{-1}}({{y}_{\text{m}}}/{{x}_{\text{m}}})\) (7)

\({{\theta }_{2}}={{\tan }^{-1}}(\sqrt{{{x}_{\text{m}}}^{2}+{{y}_{\text{m}}}^{2}-{{r}^{2}}}/r)\) (8)

\({{\theta }_{3}}={{\tan }^{-1}}(\sqrt{{{x}_{\text{s}}}^{2}+{{y}_{\text{s}}}^{2}-{{r}^{2}}}/r)\) (9)

\({{\theta }_{4}}={{\tan }^{-1}}({{y}_{\text{s}}}/{{x}_{\text{s}}})\) (10)

电磁波源与天线的理论绕射距离可以表示为

\(\begin{align} {{L}_{\text{AD}}}={{\left( ({{x}_{\text{m}}}^{2}+{{y}_{\text{m}}}^{2}-{{r}^{2}}) \right.}^{1/2}}+r(\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-{{\theta }_{1}}-{{\theta }_{2}}-{{\theta }_{3}}-{{\theta }_{4}}) \\ \quad \quad \quad +{{({{x}_{\text{s}}}^{2}+{{y}_{\text{s}}}^{2}-{{r}^{2}})}^{1/2}}+{{\left. {{\left( {{z}_{\text{m}}}-{{z}_{\text{s}}} \right)}^{2}} \right)}^{1/2}} \\\end{align}\) (11)

式中：z_m和z_s分别表示电磁波源和天线的z坐标。障碍物的理论传播时间可以通过L_AD/v计算,其中v是油中电磁波的传播速度,为20 cm/ns。

通过上述计算可以得出电磁波传播过程中发生绕射情况下的理论传播时间,图13展示了电磁波的理论和实测传播时间与直线传播距离之间的关系,同时绘制了电磁波直线传播时间作为对比,该时间由电磁波源与接收天线的直线距离除以波速计算得到。由于局部放电产生的时间是未知的,因此将天线M2接收到超高频信号的时间作为参考时间,然后将其他天线接收到的信号时间与M2相减得到相对传播时间。从图13中可以看出,直线传播时间与直线距离呈线性关系,直线斜率为电磁波在变压器油中的传播速度。当天线与放电源在变压器同侧时,电磁波可以按直线传播至天线,此时理论传播时间与直线传播时间一致;当放电源与天线之间有金属障碍物时,由于电磁波的绕射,其实际传播距离将大于直线传播距离,从而导致理论传播时间大于直线传播时间。实测信号的传播时间变化趋势与理论传播时间基本一致,但实测传播时间总是大于或等于理论传播时间,特别是对于某些检测位置,如L5、L7,其实测传播时间与理论传播时间之

图12 电磁波绕射路径 Fig.12 Propagation path of the EM waves

图13 电磁波的传播时间与距离之间的关系 Fig.13 Relationship between electromagnetic wave propagation time and distance

间出现了较大的差异,这是因为放电源与天线之间的传播路径被绕组和铁芯严重阻挡,导致理论最短传播路径较为复杂,信号波头衰减严重,从而导致实测信号的首波到达时刻读取滞后。而时间的滞后又可能会导致产生较大的定位误差,进而影响超高频检测定位的准确性。

3 结论

1）变压器中超高频信号的幅值随着传播距离的增加而非线性地减小,衰减速率减慢;信号的累积能量与幅值的衰减规律相似,但衰减范围更大。

2）电磁波在变压器中传播,频率越高,衰减越严重,绕射能力越弱,导致超高频信号的主要能量集中在300~600 MHz频带内。因此用于变压器超高频检测的天线应在300~600 MHz频带内具有较好的频率响应,以提高对局部放电信号的检测灵敏度。

3）由于铁芯和绕组的阻挡,电磁波理论最短传播路径较为复杂,信号波头衰减严重,实测信号的首波到达时刻读取滞后,可能会导致较大的定位误差,从而降低超高频检测定位的准确性。

参考文献

[1] SIEGEL M, BELTLE M, TENBOHLEN S, et al. Application of UHF sensors for PD measurement at power transformers[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(1): 331-339.

[2] JUDD M D, YANG L, HUNTER I B B. Partial discharge monitoring of power transformers using UHF sensors. part I: sensors and signal interpretation[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2005, 21(2): 5-14.

[3] 张晓星,张戬,肖淞. 大型变压器外置式特高频局部放电传感器设计[J]. 高电压技术,2019,45(2):499-504. ZHANG Xiaoxing, ZHANG Jian, XIAO Song.Design of external ultra-high frequency partial discharge sensor for large transformer[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(2): 499-504.

[4] 崔鲁,陈伟根,杜劲超,等. 植物油-纸绝缘气隙放电形态及发展特征[J]. 电工技术学报,2018,33(3):618-626. CUI Lu, CHEN Weigen, DU Jinchao, et al.Investigation on air-gap discharge patterns and development characteristics of vegetable oil-paper insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(3): 618-626.

[5] 张秦梫,宋辉,姜勇,等. 基于OS-ELM的变压器局部放电模式识别[J]. 高电压技术,2018,44(4):1122-1130. ZHANG Qinqin, SONG Hui, JIANG Yong, et al.Partial discharge pattern recognition of transformer based on OS-ELM[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(4): 1122-1130.

[6] 陈敬德,高兆丽,罗林根,等. 基于BP神经网络的特高频局部放电定位误差校正[J]. 高电压技术,2018,44(6):2040-2047. CHEN Jingde, GAO Zhaoli, LUO Lingen, et al.Error correction of UHF partial discharge location method based on BP network[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(6): 2040-2047.

[7] 李臻,罗林根,陈敬德,等. 基于RSSI指纹的特高频局部放电定位法[J]. 高电压技术,2018,44(6):2033-2039. LI Zhen, LUO Lingen, CHEN Jingde, et al.UHF partial discharge localization methodology based on RSSI fingerprinting[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(6): 2033-2039.

[8] ZHU M, LIU Q, XUE J, et al.Self-adaptive separation of multiple partial discharge sources based on optimized feature extraction of cumulative energy function[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(1): 246-258.

[9] HIKITA M, OHTSUKA S, MATSUMOTO S.Recent trend of the partial discharge measurement technique using the UHF electromagnetic wave detection method[J]. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2010, 2(5): 504-509.

[10] LI T, WANG X, ZHENG C, et al.Investigation on the placement effect of UHF sensor and propagation characteristics of PD-induced electromagnetic wave in GIS based on FDTD method[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(3): 1015-1025.

[11] GAO W, DING D, LIU W, et al.Investigation of the evaluation of the PD severity and verification of the sensitivity of partial-discharge detection using the UHF method in GIS[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, 29(1): 38-47.

[12] 王彦博,朱明晓,邵先军,等. 气体绝缘组合电器中局部放电特高频信号S参数特性仿真与实验研究[J]. 高电压技术,2018,44(1):234-240. WANG Yanbo, ZHU Mingxiao, SHAO Xianjun, et al.Simulation and experimental research on S parameter characteristics of partial discharge UHF signals in GIS[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(1): 234-240.

[13] 彭超,雷清泉. 局部放电超高频信号时频特性与传播距离的关系[J]. 高电压技术,2013,39(2):348-353. PENG Chao, LEI Qingquan.Relationship between characteristic in time and frequency domain of partial discharge ultra-high frequency signals and the radiation distance[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(2): 348-353.

[14] 李鹏飞,周文俊,杨帅,等. 特高频传感器对局放信号失真的影响因素分析[J]. 高电压技术,2018,44(5):1580-1588. LI Pengfei, ZHOU Wenjun, YANG Shuai, et al.Analysis on partial discharge signal distortion phenomenon caused by UHF sensors[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(5): 1580-1588.

[15] WANG Y, WU J, CHEN W, et al.Design of a UHF antenna for partial discharge detection of power equipment[J]. Journal of Sensors, 2014, 4: 1-8.

[16] AKBARI A, WERLE P, AKBARI M, et al.Challenges in calibration of the measurement of partial discharges at ultrahigh frequencies in power transformers[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2016, 32(2): 27-34.

[17] SIEGEL M, TENBOHLEN S, COENEN S, et al.Practical sensitivity of online UHF PD monitoring on large power transformers[C]∥Cigre Study Committee A2 Meeting and Colloquium. Shanghai, China: CIGRE, 2015: 1-13.

[18] RATHI V, PANWAR V.Electromagnetic Interference shielding analysis of conducting composites in near-and far-field region[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2018, 60(6): 1795-1801.

[19] YANG L, JUDD M D.Propagation characteristics of UHF signals in transformers for locating partial discharge sources[C]∥The 13th International Symposium on High Voltage Engineering. Delft, Netherland: [s.n.], 2003: 25-29.