变压器元件对测量局部放电兼容性的影响

sukiyaki

文章导读 |变压器元件对测量局部放电兼容性的影响：IEC60270和RF方法的比较

内容整理自《High Voltage》2019年第4卷第1期，由Keyvan Firuzi，Mehdi Vakilian 等人撰写的《Transformer components impact on compatibility of measured PDs: comparison of IEC60270 and RF methods》

局部放电（PD）测量是常用的电力系统设备在线状态监测技术之一，它能够可靠地检测初始故障，防止电力变压器发生重大的意外损坏。目前PD检测主要用两种方法：根据国际IEC60270标准进行局部放电测试和射频局部放电测试方法。

IEC方法可以对电噪声进行校准，从而确定检测到的局部放电信号的严重性（量级），但是检测信号容易受到测量环境的影响；而射频法具有较强的抗外部干扰能力，测量局部放电信号时可实现在线监测，但是在两种方法之间缺乏明确的校准关系。

本文在实验室对不同的变压器局部放电源模型进行了同步测量，以研究影响这两种方法结果关系的主要参数。

将影响因素分为三类：

(1)局部放电源的类型;(2)变压器绕组作为局部放电信号发送器;(3)变压器的内部结构。

主要工作有三部分：

(1)针对几种简单的局部放电源，研究了两种方法之间的关系;(2)将绕组结构模型添加到作为局部放电源的空隙中，研究了其对各种测量方法的影响及其相互关系;(3)通过一个公式来补偿内部结构对两种方法之间关系的影响，作为射频局部放电测量装置的校准方法。

01PD信号源影响

为了研究局部放电源对电荷振幅Q-射频信号电压峰值Vp关系（Q-Vp）的影响，在封闭金属罐（法拉第笼）内进行局部放电测量的实验室试验，实验装置如图1所示。使用该装置可以对六个局部放电源同时测量局部放电电流脉冲和射频信号。六种放电源模型的电极结构如图2所示。将各个放电源模型放置在充满变压器油的试验电池内，施加交流电压进行局部放电测量。

（a）油中的电晕和钯（b）空隙（c）空气和油中的表面放电（d）油中的自由粒子

测量结果如图3所示。

图3：不同PD源的Q−Vp关系

可以发现，电晕、油中自由粒子和空隙放电的Q-Vp之间存在很强的相关性，但是，空气中的表面放电、油中的表面放电和油中的放电的相关性很弱。这表明，PD源的类型对Q-Vp的关系有很大的影响，这种关系高度依赖于潜在的局部放电脉冲形状。

02绕组影响

变压器绕组对测量电流和射频信号都有影响。为了研究这些影响，实验将线圈绕组与空心PD源模型串联，使用标准PD校准器进行校准，如图4所示。

图4：调查绕组对测量的影响（a）绕组（b）实验装置（c）校准程序装置

测得的电流脉冲功率谱（带/不带绕组）、校准器设置和PD源设置如图5a、b所示。可以看出，在实验装置中添加一个绕组会产生一个新的共振频率，校准不能预测绕组效应。这表明，线圈的存在会改变辐射天线的特性并影响接收到的射频信号。

图5:带和不带绕组的测量电流脉冲和射频波功率谱

（a）校准器信号（b）PD信号（c）射频波

图5c显示了900 pC内部放电天线在添加/不添加绕组时测得的射频波功率谱。由图可得，绕组会对Vp产生影响，而Q取决于测量频率。图6显示了添加绕组时Q-Vp的关系。如果在低于共振频率（300 kHz）的频率下进行电荷测量，电荷不受绕组影响，但在共振频率下测量时计算出的电荷将远远大于实际电荷，因为校准不能消除绕组效应。

图6：添加绕组时的Q−Vp关系

03内部结构的影响

变压器绝缘、变压器箱以及PD源与接收天线之间的距离是影响Q-Vp关系的最重要因素。

a.变压器绝缘

变压器的绕组及其绝缘结构形成了一个复杂的电感-电容-电阻网络，该网络会产生许多共振频率。实验发现，高频下的测量会受绕组结构的影响，不能使用校准器来估计绕组和磁芯之间的绝缘效应。

变压器模型中空隙放电的Q-Vp关系如图7所示。可以发现相关系数较低，证明绝缘对Q-Vp关系影响较弱。

图7：小型变压器模型中空隙放电的Q-Vp关系

b.变压器箱

变压器箱充当电磁波的腔谐振器，有效谐振频率的数目取决于变压器箱的大小。测量的小/大型变压器箱中射频信号的频率特性如图8a所示。这证明变压器箱的尺寸越小，对测量的射频信号的影响就越大。

图8：变压器箱尺寸的影响

（a）射频波的频率特性（b）小容器内自由粒子的Q-Vp关系

图8b显示了小变压器箱中自由金属粒子的Q-Vp关系。可以发现相关系数较高，证明变压器箱的尺寸对Q-Vp的关系有很大影响。

c.距离

影响测量射频信号的另一个因素是PD源和信号接收器（天线）之间的距离。图9显示了四个不同距离处自由金属粒子源和空PD源的Q-Vp关系。随着PD和天线之间距离的增加，两种源射频信号的测量峰值减小。对于自由金属粒子源，Q-Vp关系在不同的距离上是线性的；对于空PD源，这种关系随着距离的增加而从二次变为线性。

图11：距离对Q-Vp关系的影响

（a）自由金属粒子PD源（b）对于空PD源

结果表明，由于高频电磁波的存在，Q−VP关系取决于PD源与天线之间的距离。

04结论与展望

本文利用实验室简单的局部放电源模型、简单的小型变压器模型和两个不同尺寸的变压器箱，对影响标准IEC60270型局放监测（Q）和具有相同局放活动天线的射频监测（Vp）关系（Q−VP）的参数进行了详细的研究。主要结论如下：

• 研究了六种脉冲放电模型中脉冲放电源的影响。油中的局部放电源比空气中的局部放电源的射频/IEC比值大。对于油中排放和地面油中排放，射频/IEC之间的相关性较弱。对于自由金属颗粒和pd空隙模型，射频/IEC之间的相关性很强。
• 研究了变压器绕组的存在对射频/IEC法结果的影响。绕组的存在导致了电流信号中产生新的谐振频率，且不能通过使用校准器来预测，消除这种影响的唯一方法是在低于谐振频率的频率下测量电荷。绕组会改变射频信号的频率特性，导致了Q−VP关系的变化。
• 研究了内部结构的影响。绝缘系统对IEC方法的影响很大，但可以用校准器测量来补偿。绝缘系统对射频法的测量结果的影响无法补偿。较小的变压器箱尺寸会导致捕获的射频信号量增加。
• 研究了放电源与天线之间距离对Q-VP关系的影响。当局部放电信号在变压器箱作为腔谐振器的频率范围内被捕获时，Q-VP关系是线性的，与浮动金属粒子和空隙局部放电源的距离无关。
  
  

这些结果为射频局部放电测量装置的校准提供了一种方法。某些变量（如局部放电源和射频探头之间的距离）会导致两种方法测量结果之间的差异。为了达到最终的目标，未来应开发出补偿这种复杂系统效应的方法。

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