变压器局部放电特高频传感器的研究与应用.pdf

变压器局部放电特高频传感器的研究与应用王伟杰，雍明超，何星躲，郭旭，姜睿智，刘洋（许继集团有限公司，河南 许昌461000）摘要：针对目前变压器局放传感器灵敏度低、频带窄等问题，采用平面等角螺旋天线设计特高频传感器，采用直线代替指数渐变巴伦，仿真验证螺旋内径、巴伦宽度和高度对天线性能的影响，表明随着平面等角螺旋天线的螺旋内径r0的增加，回波损耗在低频段波动性逐渐变强，频带宽度降低；巴伦端宽度w1对天线回波损耗低频段的稳定性和频带宽度的影响也十分明显；巴伦高度h则主要会影响天线回波损耗高频段的性能，随着巴伦高度的增加，回波损耗呈现先增加后减小的趋势。基于天线仿真优化尺寸，研制了基于法兰安装的变压器局放特高频传感器，利用变压器局部放电模拟系统进行实测，回波损耗S11小于10 dB带宽为0.383 GHz，增益可达3.64 dB。结果表明传感器抗干扰能力强，天线性能良好，可用于变压器局部放电在线检测及故障诊断。关键词：局部放电；等角螺旋天线；微带巴伦；特高频传感器Research and Application of UHF Sensor for Partial Discharge Detection of TransformerWANG Weijie，YONG Mingchao，HE Xingduo，GUO Xu，JIANG Ruizhi，LIU Yang（Xu Ji Group Co.，Ltd.，Henan Xuchang 461000，China）Abstract:In view of such problems as low sensitivity and narrow frequency band of partial discharge sensor of thepresent transformer，the UHF sensor is designed with a planar equiangular helical antenna，and a straight line isused instead of an exponentially changing balun to simulate and verify the influence of helical inner diameter，balun width and height on the antenna performance，indicating that with the increase of the helical inner diameter r0ofthe planar equiangular helical antenna，the fluctuation of the return loss in the low frequency band becomes strongerand the frequency bandwidth decreases.The influence of the balun end width w1on the stability and frequencybandwidth of the antenna return loss in the low frequency band is also very obvious，and the balun height h mainlyaffects the performance of the antenna return loss in the high frequency band.With the increase of balun height，thereturn loss shows a trend of increasing first and then decreasing.Based on the optimized size of simulation of the antenna，a flangemounted transformer PD UHF sensor is developed.The PD simulation system of the transformer isused for actual measurement.The return loss S11is less than 10 dB，the bandwidth is 0.383 GHz，and the gain canreach 3.64 dB.The results show that the sensor has strong antiinterference ability.The antenna has good performance，and can be used for online detection and fault diagnosis of partial discharge of transformer.Key words:PD；isometric helical antenna；microstrip balun；UHF sensor0引言当前电网形态正在发生深刻变化，电网规模不断扩大，设备容量不断提升，变电设备故障会造成电网停电和重大经济损失，变压器作为变电站的核心所在，其稳定运行对整个变电站的安全稳定运行有着重要的影响。据电网实际运行动态分析发现，影响稳定运行的主要问题是绝缘性故障。智能传感与状态感知技术是电网数字化、物联网、大数据、智能化的基础，支撑着电网生产指挥决策体系，是第59卷第8期：008400902023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：00840090Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.010_收稿日期：20230325；修回日期：20230528基金项目：国家电网有限公司总部科技项目资助(5400202121151A0000)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(5400202121151A0000).电网可靠运行的重要保障1-4。局部放电(partialdischarge，PD)是反映高压设备绝缘性能的重要参数之一，是高压设备绝缘劣化的征兆和表现形式，也是绝缘性能进一步劣化的原因5-7。变压器局部放电发生时会产生一系列光、声、电流、电磁波等特征信号，利用传感器检测这些特征信号，为变压器运行状态的有效评估预警提供依据8-10。由于变压器铁制箱体对局部放电电磁波信号的屏蔽作用和集肤效应，国内外，特高频(ultra high frequency，UHF)传感器通过变压器底部的放油阀、变压器内壁开置法兰盘和标准化介质窗伸进变压器内部进行局部放电检测，有效避开300 MHz以下电晕干扰，具有检测灵敏度很高、高可靠性和抗干扰能力强等优点11-14。在局部放电检测中由于特高频检测法占有的比重越来越高，UHF传感器主要包括偶极子天线15、平面螺旋天线14-17、超宽带天线18、贴片天线19、喇叭天线20和分形天线21-22等因此对特高频天线性能提出了更高的要求。文23华北电力大学研究了标准双脊喇叭天线，在500 MHz5 GHz频带内，天线的增益呈现逐渐上升的趋势，在5GHz达到峰值19.3dB，具有非常高的测量灵敏度和方向特性，但该天线的尺寸太大，使用受尺寸影响很大。文24南京理工大学设计了1种新型螺旋曲线，兼具阿基米德螺旋曲线密绕和等角螺旋曲线低损耗的优点。文25根据高压电力设备局部放电信号检测的需要，对4种天线进行仿真和实验，结果表明微带天线与缝隙天线工作带宽和增益较低；偶极子天线与螺旋天线在工作频带内损耗低、增益高、阻抗匹配效果较好，检测局部放电信号的效果良好。文中采用平面等角螺旋天线设计特高频传感器，仿真及实测表明天线性能良好，可用于变压器局部放电在线检测及故障诊断。1特高频天线的设计仿真1.1天线设计平面等角螺旋天线结构简单、加工方便，具有检测频带宽、在整个频带内方向图、阻抗和极化基本不变的特点，因此采用平面等角螺旋天线进行特高频传感器的本体设计。如图1所示，平面等角螺旋天线一臂由两条平面等角螺旋边缘线构成，其中一条边缘线由另外一条旋转角而成，平面等角螺旋天线方程为：r=r0e(1)r=r0e(-)(2)式(1)、(2)中：r是天线臂上任一点到原点的距离；r0是螺旋线起始点到原点的距离，即内径；是螺旋增长率；是螺旋线旋转的角度。图1平面等角螺旋天线Fig.1Planar equiangular helical antenna一条天线臂绕定轴旋转半圈得到另一条天线臂，形成平面等角螺旋天线。由平面等角螺旋线构成的螺旋天线是自相似结构的天线，其两端都是可以无限延伸的，可满足宽频带天线的条件。所以在一定频率范围内可以近似认为它具有非频变天线的特性。平面等角螺旋天线常用自补式结构。采用一圈半螺旋，取典型的螺旋增长率值0.221，馈电区的最小半径r约为上限频率时波长的1/4，取/2。平面等角螺旋天线属于非频变天线，其内外径尺寸等基本参数直接决定了工作带宽。根据近似公式可知：Rmax4(3)r0min4(4)式(3)、(4)中：R为天线外径尺寸；r0为内径尺寸；max为带宽上限波长；min为带宽下限波长。结合实际内置传感器的尺寸要求，当设计带宽为500 MHz3 GHz的自互补臂结构平面等角螺旋天线，对应的内、外半径分别为2 mm和150 mm。1.2微带巴伦设计平面螺旋天线是对称结构，根据天线辐射理论，需要输入等幅反相平衡信号。常用同轴连接器为非平衡馈电，特征阻抗为50，而平面螺旋天线输入阻抗理论值为188.5，因此需要巴伦设计进行非平衡结构到平衡结构转换，进行阻抗变换及匹配。为满足宽频带特性，巴伦常采用指数渐变的微带线设计，见图2(a)。为简化加工过程，采用直线代替指数渐变，见图2(b)，一面导体线宽为w1，另一面宽度为w2，渐变同宽为w，长为L，厚度为h，通过仿真进行阻抗的匹配。变压器技术王伟杰，雍明超，何星躲，等.变压器局部放电特高频传感器的研究与应用852023年8月第59卷第8期图2微带巴伦结构图Fig.2Microstrip balun structure diagram1.3天线检测性能仿真分析首先研究了内径r0对天线性能的影响，设置r0在 22.5 mm 内变动，增幅为 0.1 mm，仿真结果见图3。随着内径增大，回波损耗在低频段的值变大，但是波动也随之变大，满足条件的频率范围减小。综合以上分析，取r0的值为2 mm。图3内径r0对天线性能影响Fig.3Influence of inner diameter r0onantenna performance随后分析了微带巴伦尺寸对平面等角螺旋天线性能的影响。设置微带巴伦初始值为w1=3.2 mm，w2=4 mm，w=1 mm，h=22 mm，l=60 mm。首先研究w1对天线性能的影响，设置w1的值在2.43.8 mm范围内变动，增幅为0.2 mm，仿真结果见图4。然后设置h的值在622 mm范围内变动，增幅为4 mm，研究巴伦高度对天线性能的影响，结果见图5。随着高度的增加，天线回波损耗逐渐增大，满足条件的频率范围也逐渐变宽。当h=22 mm时，仿真波形变化较大，在宽频带范围内都满足S11-10 dB。图4巴伦端w1对天线性能影响Fig.4Influence of balun end w1on antenna performance图5巴伦高度h对天线性能影响Fig.5The effect of balun height h onantenna performance根据上述仿真结果，特高频传感器的整体性能的好坏受平面等角螺旋天线尺寸与微带巴伦尺寸的影响非常大。随着平面等角螺旋天线的螺旋内径r0的增加，回波损耗在低频段波动性逐渐变强，频带宽度降低。巴伦端宽度w1对天线回波损耗低频段的稳定性和频带宽度的影响也十分明显，巴伦高度h则主要会影响天线回波损耗高频段的性能，随着巴伦高度的增加，回波损耗呈现先增加后减小的趋势。2特高频传感器性能验证根据以上对平面螺旋天线的优化分析，可知当天线内径为r0=0.2 mm，螺旋增长率a=0.221，巴伦侧宽度为 w1=3.2 mm，w2=4 mm，巴伦高度为 h=22 mm时，天线的回波损耗在0.383 GHz范围内满足变压器特高频传感器的要求。基于此，又利用HFSS仿真软件对天线的输入阻抗、电压驻波比等参数进行了仿真分析，见图6。天线的输入阻抗图见图7。其中re表示输入电阻，虚部成为输入电抗，以im表示。在0.383 GHz范围内，输入阻抗实部变化无规律，在基本稳定在3575 之间。虚部接近0，主要稳定在-300 之间。86图6天线的驻波比Fig.6The standing wave ratio of the antenna图7天线的输入阻抗图Fig.7Antenna input impedance diagram三维方向图见图8(a)，平面等角螺旋天线的增益在Theta=0时，为最大增益且大于0 dB，最大可达3.64 dB，说明增益性能非常好。图8(b)主要描述的螺旋天线在Phi=0和Phi=90的二维方向图，可以看出平面等角螺旋天线的方向性非常好，且主瓣宽度代表其能够接收信号的方向具有一定的角度，代表着对局部放电位置的感知存在较小的夹角盲区。图8最优天线的方向图Fig.8The pattern of the optimal antenna3变压器特高频传感器设计及性能验证3.1特高频传感器结构设计将天线按照尺寸加工成PCB板，巴伦根据尺寸加工成两个PCB板，与天线焊接，使得巴伦平衡且距离为h，采用环氧树脂浇注形成UHF局放传感器，见图9，传感器与法兰盘固定，采用丁腈橡胶O形圈密封，通过两个导电弹簧，将巴伦尾部信号输出到连接器，法兰盘与变压器预留的法兰对接，对变压器进行局部放电检测。利用矢量网络分析仪测量天线的带宽性能，在0.383 GHz频率范围的回波损耗S11均小于-10 dB与仿真结果吻合。图9局放传感器结构Fig.9Structure of UHF partial discharge sensor3.2特高频传感器测试利用图10变压器局部放电模拟设备对局放传感器进行测试，测试设备可模拟电力变压器局部放电、内部绕组故障、套管受潮、温升等各类故障，在油温75下模拟局部放电，用文中设计的UHF传感器和电脉冲局放仪同时采集模拟放电信号，电脉冲局放仪用于标定放电电荷量。图10变压器局部放电试验Fig.10Transformer PD experimentUHF传感器采集放电谱图见图11，实验中利用电脉冲局放仪和UHF局部放电检测系统同时监测放电情况，脉冲电流传感器在放电量为5pC时，UHF传感器检测能检测到局部放电信号。在0.53 GHz变压器技术王伟杰，雍明超，何星躲，等.变压器局部放电特高频传感器的研究与应用872023年8月第59卷第8期频带内对局部放电信号有良好响应并远离脉冲电流传感器工作频段，抗干扰能力强。图11传感器采集谱图Fig.11Sensor acquisition spectrum3.3特高频传感器工程应用工程中采用 UHF 和 HFCT 联合监测方法，某500 kV变电站配置3个UHF传感器和1个HFCT传感器，通过高频同轴电缆接入局放监测装置，系统方案见图12。图12局放监测系统方案Fig.12PD monitoring system scheme局放装置采用两级CPU处理技术，兼顾60 MHz的高采样速率和人工智能算法分析处理的要求见图13。传感器UHF/HFCT采集的信号经帯通滤波、低噪放大、包络检波等处理后先经过高速采集CPU进行AD转换、数字抗干扰、统计计算等前级处理；数据处理CPU通过分析计算得出局部放电最大值、放电次数、放电相位等参量及通过BP神经网络算法/SVM算法识别尖端放电、悬浮放电、气隙放电、固体绝缘体内部放电等常见的缺陷类型。4结语基于平面等角螺旋天线和巴伦设计进行UHF天线设计，仿真结果表明回波损耗(S11)小于10 dB带宽为0.383 GHz，最大可达3.64 dB。采用环氧树脂浇注形成天UHF局放传感器，利用矢量网络分析仪测量传感器回波损耗S11与仿真结果吻合，通过变压器局部放电模拟系统测试，传感器最小检测放电量5pC。与HFCT配合进行了工程应用，传感器有良好响应和抗干扰能力。图13局放监测原理框图Fig.13Block diagram of PD monitoring principle参考文献：1李鹏，毕建刚，于浩，等.变电设备智能传感与状态感知技术及应用J.高电压技术，2020，46(9)：30973113.LI Peng，BI Jiangang，YU Hao，et al.Technology andapplication of intelligent sensing and state sensing fortransformation equipmentJ.High Voltage Engineering，2020，46(9)：30973113.882包伟，李刚，白申义，等.新一代整合型变压器智能组件的研制J高压电器，2014，50(7)：9499BAO Wei，LI Gang，BAI Shenyi，et al.Development of anew generation of integrated transformer intelligent componentsJ.High Voltage Apparatus，2014，50(7)：9499.3袁培，王舶仲，毛文奇，等.基于多重生成对抗网络的智能开关设备状态感知与诊断研究J.电力系统保护与控制，2021，49(6)：6775.YUAN Pei，WANG Bozhong，MAO Wenqi，et 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