电力设备局部放电在线监测用传感器的实验研究.pdf

第 3 9 卷笋 9斯 2 0 0 2 年 9甲 多 垂万 2 祀 工 钻 笋 O 忆币 乙 E R V O I . 3 9 S e p t e mb e rN o 92 0 0 2 电力设备局部放电 在线监测用 传感器的实验研究 刘少克1 s 陈乔夫2 ( 1 . 国防科技大学机电学院，湖南 长沙 4 3 0 0 7 4 ; 2 一 华中科技大学电力学院，湖北， 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 : 对电流互感器的局放脉冲电流传感方法进行了实验研究。实脸结果可供新型在线监测仅的研究者参考_ 关键词: 烧组;绝缘;局部放电;在线监测;传感器 中国分类号: T M9 3 0 . 1 1 4文献标识码: A文章编号: 1 0 0 1 - 8 4 2 5 ( 2 0 0 2 ) 0 9 - (X ) 2 6 - 0 3 I 引言 绕组绝缘性能的好坏 是决定变压器能否长期正 常运行的重要因素之一。 局部放电是导致绕组绝缘受 损的直接原因， 其大小又是衡量绝缘水平的一个重要 指标 绕组绝缘局部放电在线监测是保障电力设备正 常工作的一种重要手段， 许多学者为此做了大量的工 作 ， 由于局部放电通常表现为 一 种脉冲电流信号， 故 采用电流互感器作为传感器的信号获取方法， 已得到 人们的认可， 本文对电流互感器的局放脉冲电流传感 方法进行 了 实验研究， 有关研究成果己成功地应用于 电力 设备局部放电在线监测样机研制中。 4 5 m m， 外径 8 5 m m , 高 1 2 m m。在铁心磁环上先绕上 0 . 1 3 m m厚聚酷薄膜绝缘带， 然后分段绕 卜 不同匝数 的二次绕组。二次绕组绕制时， 采用匝与匝紧密相 靠的密绕方式，其绕组层数为 1 。导线线规采用 4 ) 0 . 1 9 m m( 带漆膜) 漆包线。 ( 2 ) 电流传感器II 铁心采用坡莫合金带卷绕成环状。铁心环内径 为(D3 2 .5 m m， 外径为0 4 8 .5 m m, 绕制方法同I。 ( 3 ) 电流传感器M 铁心采用坡莫合金带卷绕成环状 ， 坡莫合金带 绕在一钢制圆环上，铁心结构尺 寸如图 l 所示， 绕 制方法同1。 2 实验仪器及实验样品 在局部放电在线监测过程中， 采用特制的电流 互感器作为传感器这种电流传感器采用环状铁 心， 绕组中性接地线或高压端引出线直接穿过磁环 中心(一 次绕组) ， 其上流过的局部放电电流为待获 取传感信号; 在铁心磁环上绕制的多匝绕组( 二次 绕组) 感应电势作为输出。作者绕制了三个电流传 感器，采用 H e w l e t t P a c k a r d 3 5 7 0 A网络分析仪和 H e w l e t t P a c k a r d 3 3 2 0 B频率综合仪相结合， 对三个 电流传感器的不同二次绕组匝数进行了不同情况 的多组测试。3 5 7 0 A网络分析仪是一台窄频带跟踪 检测仪器， 它与3 3 2 0 B 频率综合仪配套工作， 综合 仪为其提供基准、跟踪及被测网络的激励信号， 分 析仪则测量网络的响应。该套仪器的最大特点是测 量精度高 能在 5 0 H z - 1 3 MH z 频率范围内， 对两端 n网络进行精确的分析 实验是针对以下三只电流传感器进行的， 以下 分别以 I , D, M 来区别。 ( 1 ) 电流传感器 I 铁心磁环采用高频铁氧体材料 ，磁环 内径 W0699 例 套 坡 莫合企 图1 电流传感器川铁心尺寸 3 实验 测试结果及其分析 利用3 5 7 0 A网络分析仪和 3 3 2 0 B频率综合仪， 对三只电流传感器进行了多组测试。由于传感器的 二次侧漏电感和分布电容都较小， 因此， 必须考虑 仪器的自 身参数。 3 5 7 0 A仪器的 输出电阻为5 0 f 2 , 输 出旁路电容为3 0 p F 。图2 a 、 图2 6 分别显示出了三 只传感器电压传递函数的幅频、 相频特性。传感器 二次绕组匝数为 1 0 0 ， 二次侧开路 从图2 a 、 图2 1 ) 中可以看出以 卜 几点; ( 1 ) 存在明显的谐振频率， 在谐振频率处， 传递 函数的幅值最大， 相移为零。 ( 2 ) 二次绕组开路时， 在谐振频率附近， 幅 值和 相位随频率都呈现较大的变化。这说明二次绕组开 万方数据 第 ，朋 又 U 少克、 陈乔夫: 电力设备局部放电在线监测用传感器的实验研究 一8落 一 二 ;: ; m 印40 。氦 n钊 ， 目七公恻理 1 0 1 0 0 频率 k H z 0 0 0 1 仪瓦 X 】 1 0 0 1 0 0 ( 频 率Al l . ( a ) 门U门 今 ，丈出滚深 一馋临 门 9 一 气律丘 t 2 7 0 频 率/ k H : ( b ) 图 2传 感 器 电压 传 递 函 数 的 幅 频 特 性 和 相翔 特 性 - 2 7 0 L t 圈 3 一泛。17c t o 1 0 0 1 0 0 0 Mo o 频率/ ! H z ( b ) 匝 数 对 幅 频 特 性 和 相 颇 特 性 的影 响 路在实际在线监测时一般是不可取的。 ( 3 ) 在谐振点附近， 传感器 I 传递函数值随频 率变化显著 II 次之， I Q 最小。 4 铁心材料、 匝数、 外并电容、 电 阻对信号传 输特性的影响 4 . 1 铁心材料影响 对 3只电流传感器的实验测试指出: ( )采用坡莫合金时， 其铁心材料导磁率远远 大于铁氧体铁心的导磁率， 对提高二次侧的输出信 号有利 ( 2 ) 高频下采用坡莫合金铁心的涡流损耗比采 用铁氧体铁心的涡流损耗要大 。 4 .2 匝数的影响 图3 a . 图3 b分别示出了不同匝数、 二次侧开路 情况 卜 ， 电流传感器 n电压传递函数幅频、 相频特 性对电流传感器 I , m的测试结果表明， 两者具有 与Q 类似的变化规律 由图3 a , 图3 b可以看出: ( ! ) 随着二次绕组匝数的增加， 电压传递函数 的幅值增大( 在同一频率下) 。这说明， 在同一信号 下， 二次绕组匝数愈多， 输出信号幅值愈大。 ( 2 )几 次绕组匝数愈多， 电压传递函数的幅值、 相位随频率变化愈显著， 从脉冲传输不失真出发， 这说明其工作频带变窄 ( 3 ) 匝数愈多， 谐振频率愈明显， 谐振频率处电 压传递函数的幅值增大愈显著， 但谐振频率随匝数 增多而降低 总之，对于铁心已经确定的电流传感器来说 可以通过适当增加二次绕组匝数来增大其二次侧 输出信号， 但二次绕组匝数的增加受设计所要求的 传感器工作频带的限制。 4 . 3 外并电容的影响 图4 a 、图4 b 分别显示出二次绕组外接不同电 容值的负载电容时，电流传感器II ( 二次绕组 t o o 匝， 开路) 电压传递函数幅频、 相频特性。 由图4 a 、 图4 b可以看出， 二次侧外接电容的引 人，改变了电流传感器的幅频传输特性谐振频率 外接电容值愈大， 谐振频率就愈低。外接电容的接 人， 也使谐振点处幅值改变。 4 . 4 外并电阻的影响 当电流传感器用于局放监测时， 其二次侧绕组 都接有一定阻值的负载电阻。二次绕组外接电阻， 同 样将给 传感器 传输特性带来很大的影响。图5 a , 图5 b分别示出了电流传感器 II二次绕组 1 0 0匝， 外接不同阻值电阻时电流传递函数幅频 、相频特 性 。 由图5 a 、 图5 b可以看出， 外并电阻的接人 降低 了传感器电流传递函数的最大幅值，外并电阻值愈 小， 最大幅值下降愈多。 但外并电阻的接人， 也使传感 万方数据 M B 啊即际 七出绍鉴 0 . 5 K S 2 目.口.一-一 0 . 2 K n 0 . 0 5 K n 1!习1写盛 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 频率 / k H z ( 往 、 0 0 0 0 频 / k H z ( u ) 。碑年 n 八， 一 锌-军 _ 1 7 0匕 一-一一一 一 一 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 额 率八H z (趁) J 图4 外接电容对幅频特性和相频特性的影响 器幅频、 相频特性在振频两边较没有外接电阻平坦得 多， 外并电阻值愈低， 其幅频、 相频特性愈平坦。 因此， 从尽量得到不失真的信号传输出发， 可以采用外并一 定阻值电阻的方法， 来改善传感器的信号传输特性 5 结束语 在绕组绝缘局部放电在线监测中传感器对整 个系统性能起着举足轻重的作用 通过对不同材料、 - 1 2 0 1 0 0 1 0 刀 频 率/ k H z ( b ) a 托 K 图5 外接电阻对幅频特性和相频特性的影响 绕组匝数、 负载形式( 容性、 阻性) 的传感器进行侧试 结果表明， 传感器存在明显的谐振频率。在振频处， 其传递函 数幅 值最大， 相移为 零;在 某一频段范围 内，要同时得到最大的幅值传递与同时得到最小的 信号 失真 幅值、 相位) 是矛盾的。此外， 研究同时指 出传感器的传输特性与铁心材料、 绕组匝数、 外并负 载电容、 电阻存在很大的关系。 E x p e r i m e n t a l R e s e a r c h o n S e n s o r f o r 即O n - L in e M o n it o r in g in P o w e r E q u ip m e n t L I U S h a o - k e , C H E N Q l a o f u 2 ( . N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3 , C h i n a 2 . H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Wu h a n 4 3 0 0 7 4 , C h i n a ) A b s t r a e t : T h e s e n s i n g me t h o d o f t h e p a r ti a l d i s c h a r g e p u l s e c u r r e n t i n c u r r e n t t r a n s f o r m e r s e a r c h e d e x p e r i m e n t a l l y . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u lt s a r e p r e s e n t e d mo n i t o r fo r r e f e r e n e e to t h e r e s e a r c h e r s o f n e w i s r e- o n - l i n e K e y w o r d s : W i n d i n g ; I n s u la t i o n ; P a r t i a l d is c h a r g e ; O n - l i n e m o n i t o r i n g ; S e n s o r 收稿 日期 : 2 0 0 1 - 0 3 - 0 5 作者简介: 刘少克( 1 9 6 3 - ) ， 男 湖南湘潭人. 国防科技大学副教授， 从事磁悬浮技术研究工作 万方数据