罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究

江天炎，陈 曦，毕茂强

(重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054)



罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究

江天炎，陈 曦，毕茂强

(重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054)

励磁变压器的安全运行是发电机组系统稳定运行的前提，其低压绕组由于运行工况恶劣，绕组绝缘极易发生局部缺陷。局部放电在线监测是检测其绝缘缺陷的有效方法，但极易受到外部脉冲信号干扰。对罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号进行了仿真试验研究，首先分析了励磁变压器低压绕组承受的电压波形，阐述了其绝缘发生劣化的过程，并提出了励磁变压器局部放电在线监测方法。针对励磁变压器局部放电在线监测系统的安装位置，采用EMTP软件建立了罗氏线圈检测励磁变压器中干扰脉冲信号的仿真模型，分析了其采集的外部干扰脉冲信号的波形特征，最后在现场对外部干扰信号进行了模拟试验验证。结果表明：提出的仿真模型与现场试验基本吻合，为励磁变压器局部放电信号的去噪及故障诊断奠定了一定的基础。

励磁变压器；局部放电；脉冲干扰信号；罗氏线圈；故障诊断

励磁系统是发电厂的重要环节，励磁变压器是为大型发电机励磁系统提供三相交流励磁电源的装置，其安全运行是发电机组及电力系统稳定运行的前提[1-2]。励磁变压器低压绕组绝缘承受着交流电压、高次谐波和直流电压分量的共同作用，其电场分布极其复杂，其内部绝缘在这种电场环境下运行极易发生局部放电现象[3]，因此对其进行局部放电在线监测，对于励磁变压器及整个电力系统的可靠运行具有重要意义[4-5]。

高压电气设备局部放电监测始于1940年初期[6]，采用罗氏线圈对电气设备局部放电脉冲电流信号进行监测，是使用最广泛的一种方法。该方法通过罗氏线圈检测电气设备引出线或者接地线上由于局部放电引起的脉冲电流，得到局部放电的放电量等特征量的评估分析结果[7-11]。国际电工委员会(IEC)专门为这种方法制定了IEC60270检测标准[12]。20世纪80年代有学者将罗氏线圈电流传感器用于监测电机定子绕组的局部放电[13]，随后其被广泛应用于电力电缆[14]、架空配电网络[15]、励磁变压器[16]的局部放电监测。

研究表明：罗氏线圈电流传感器在监测电气设备局部放电信号时易受窄带周期干扰、白噪声及随机脉冲信号的干扰[16]。窄带周期干扰可以用一定带宽的滤波器滤除，白噪声可以采用小波等有效手段去除，随机脉冲信号干扰可用聚类等方法分类[17]。发电机槽部、端部和内部等处极易产生幅值较大的局部放电信号，该信号传播到励磁变压器绕组中，会被局部放电在线监测系统检测到，相当于有幅值较大的随机脉冲信号影响罗氏线圈电流传感器的检测精度，干扰局部放电在线监测系统的诊断结果。

本文针对罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号进行了仿真试验，首先分析了励磁变压器低压绕组承受的电压波形，阐述了其绝缘发生劣化的过程，并提出了励磁变压器局部放电在线监测方法；采用EMTP软件对外部脉冲干扰信号在励磁变压器内部的传播特性进行了仿真分析，并对罗氏线圈采集的信号进行分析；最后在现场对外部干扰信号进行了采集试验验证。结果表明：可以通过脉冲信号的波形特征辨别励磁变压器中的局部放电信号与外部脉冲干扰信号。

1 低压绕组绝缘局部放电分析

1.1 低压侧绕组电压分析

励磁变压器是发电厂的重要电气设备之一，近年来新建电厂发电机组的励磁方式已经由传统的旋转交流励磁方式向静止自励励磁方式转变，发电机静止自励方式励磁系统的基本原理如图1所示[1]。这种方式采用励磁变压器并联在发电机出线上，通过降压和整流装置将交流电整流成直流电，再输入电机励磁线圈产生发电机所需的磁场。

励磁变压器通过可控硅整流后为发电机提供直流励磁电流，其低压侧绕组除了承受交流电压外，还含有高次谐波和直流电压分量。此外，可控硅整流器在控制通断时，会有脉冲电压施加于低压绕组上，其承受的实际电压波形可参考文献[2]。励磁变压器低压绕组在交流、直流、谐波和脉冲电压的共同作用下，其绝缘极易发生损坏进而发生局部放电，在实际运行过程中应对其进行局部放电在线监测。

G.发电机； T.励磁变压器

1.2 励磁变压器局部放电在线监测方法

励磁变压器局部放电在线监测方法是在其每相的低压母排上安装一个电流传感器。该电流传感器由罗氏线圈构成，其中心谐振频率为500 kHz左右，3 dB带宽约100 kHz。电流传感器的现场安装应给予高度的重视，因为这不仅关系到传感器的运行安全性和可靠性，也关系到传感器的检测灵敏度和抗干扰能力。其在某发电厂#1励磁变压器现场安装示意图如图2所示。

图2 电流传感器的现场安装示意图

首先，在励磁变压器低压母线排上套上10 kV绝缘热缩套管以保障脉冲电流传感器屏蔽壳与励磁变压器低压母线的绝缘，传感器屏蔽壳与传感器线圈及输出电缆间的绝缘可耐受交流电压4 kV；然后，将脉冲电流传感器安装于低压母线排上；最后，用同轴电缆将电磁传感器信号接入局部放电监测系统控制箱内。

2 脉冲干扰信号仿真分析

2.1 励磁变压器脉冲干扰信号来源

励磁变压器局部放电监测中外部脉冲干扰的主要来源如图3所示。

一方面，可控硅整流器在整流时会产生周期脉冲信号(图中电流i2(t))，该信号幅值很大且具有一定的周期性，在局部放电信号处理的过程中需对其进行硬开窗处理，因此本文对其传播特性不做研究。

图3 励磁变压器局部放电监测脉冲干扰来源

另一方面，大型发电机槽部、端部和内部等处极易发生大的局部放电，如图3中脉冲电流i1(t)沿高压母线传播，通过励磁变压器高低压侧绕组间的耦合电容传递到罗氏线圈处。该信号幅值很大，但是由于母线很长，且母线和励磁变压器具有很大的电容，因此到达电流传感器时此信号幅值会发生很大的衰减，其波形也会发生畸变。此类脉冲信号没有周期性，随机出现在局部放电信号中，该信号波形与励磁变压器内部局部放电在幅值上相差不大。因此，这给判断励磁变压器内部是否发生局部放电造成了很大的困难。

2.2 EMTP仿真模型及结果分析

本文基于某发电厂#1发电机组发电系统，采用EMTP软件对脉冲信号在励磁系统中的传播特性进行了仿真试验研究。发电机高压出线端到电力系统如图4所示，发电机到厂用升压变压器的距离约为100 m，到励磁变压器的距离约为30 m，整个励磁变压器和电力系统都可以看成是一个电容。

图4 发电系统示意图

图5为研究罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号的EMTP仿真电路(根据图3与4建立)，仿真过程中母线及励磁变压器都处于理想状态。U为一脉冲电压源，模拟发电机产生的局部放电信号，其上升沿时间常数为10 ns，下降沿时间常数为20 ns，幅值为1 V(如图6所示)；母线为单导线的等值集中参数电路，其对地电阻由于非常小，故忽略不计，简化模型如图5所示。r0为母线的单位电阻，其值约为0.072 32 Ω/m，L0为母线的单位电感，其值约为0.921 03 μH/m，C0为母线的单位对地电容，其值约为12.064 pF/m。母线长约100 m，其中点1、2之间的距离为30 m，点2到发电厂升压变压器之间的距离约为70 m。点2与励磁变压器的高压绕组相连接，当高频信号流过励磁变压器时，励磁变压器可等效为理想式分布电容电路，高压绕组与低压绕组之间采用耦合电容进行连接。CT为发电厂其他部分的等效电容(约为0.5 μF)，检测阻抗采用RLC等效电路代替，其中电阻、电感、电容值分别为50 Ω、0.005 mH、0.003 μF。监测点1、2、3分别为发电机、励磁变压器高压绕组及检测阻抗(即理想宽频带罗氏线圈)的安装位置，经高压母线传播的外部脉冲干扰信号经过高、低压绕组间的耦合电容传播到励磁变压器低压绕组侧，进而被局部放电在线监测系统采集。

图5 发电机局部放电信号传播特性EMTP电路

采用EMTP软件对该电路模型进行计算分析，点3的电压波形(即电流传感器采集的干扰信号)如图7所示。可见发电机的局部放电信号(即外部干扰脉冲信号)经过母线及励磁变压器的振荡后，变为一幅值先增大后逐渐衰减的振荡波。而文献[18]指出：变压器内部局部放电信号为一幅值逐渐衰减的振荡波，罗氏线圈传感器采集的外部脉冲干扰信号的波形特征与局部放电信号的波形特征具有明显的区别。

图6 脉冲电压源信号

图7 电流传感器检测到的发电机局部放电信号

3 脉冲干扰信号的实测信号分析

为了验证本文提出的仿真模型，在某电厂#1励磁变压器进行了现场验证试验，试验在发电系统投运前进行。分别在发电机处及励磁变压器内部注入一放电脉冲(如图8所示)，其方波发生器输出电压为10 V，上升沿为30 ns，方波发生器端接入50 pF的电容，即注入500 pC的电荷(q0=u0C0[18])，采用安装于低压母线上的罗氏线圈对脉冲信号进行采集，励磁变压器A相采集的时域信号波形及归一化功率图谱分别如图9和10所示。结果表明：若励磁变压器内部发生局部放电，罗氏线圈采集的局部放电信号为一幅值逐渐减小的衰减振荡波，而罗氏线圈采集的外部脉冲干扰信号为幅值先增大后逐渐减小的振荡波，其与局部放电信号有很大的差别；局部放电信号及外部脉冲干扰信号的频谱都集中于400 kHz左右，与罗氏线圈的中心频率相吻合，局部放电信号的频谱较为规则，而外部脉冲干扰信号的频谱经过励磁变压器绕组传播后，在650 kHz附近也有能量分布，与局部放电信号的频谱也有着明显的区别，这些为局部放电脉冲信号的有效识别提供了必要条件。

图8 现场信号采集示意图

图9 局部放电信号及归一化频谱图

图10 外部放电脉冲干扰信号及归一化频谱图

4 结束语

本文提出了一种研究罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验方法。首先分析了励磁变压器低压绕组绝缘承受的电压，提出了励磁变压器的局部放电在线监测方法。然后采用EMTP软件建立研究外部脉冲干扰信号在励磁变压器内部传播特性的仿真电路模型，分析了罗氏线圈采集的外部脉冲干扰信号的波形特征。最后在现场进行了局部放电测试试验研究。试验结果表明：本文提出的仿真模型可以有效模拟外部干扰脉冲信号在励磁变压器中的传播特性，对分析励磁变压器局部放电信号具有一定的指导意义，为励磁变压器局部放电信号的去噪与故障诊断奠定了基础。

由于篇幅有限，本文仅对励磁变压器局部放电及外部随机脉冲干扰的信号特征进行了仿真和试验研究，后续工作将针对励磁变压器局部放电信号与外部脉冲随机干扰信号进行聚类去噪研究。

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(责任编辑 陈 艳)

Simulation and Experiment of Pulse Interference Signals in Excitation Transformer Detected by Rogowski Coil

JIANG Tian-yan, CHEN Xi, BI Mao-qiang

(College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The safe operation of excitation transformer is the premise of stable operation of power system. However, the working conditions of low-voltage winding are bad, and the partial discharge defects are extremely easy to occur in the winding insulation. Partial discharge online monitoring is an effective approach but easily affected by external pulse signal interference. This paper presented the simulation experiment of pulse interference signal in excitation transformer detected by the Rogowski coil sensor. Firstly, voltage over the low voltage winding of the excitation transformer was displayed. The degradation process of the insulation and the partial discharge (PD) online monitoring method were described. Electrical circuit was established by the EMTP software, which was simulated pulse interference signal propagation in the excitation transformer. Waveform characteristics of the pulse interference signal detected by the Rogowski coil was given. Results show that simulation model was right and benefited to fault diagnosis of PD signals in the excitation transformer.

excitation transformer; partial discharge; pulse interference signal; Rogowski coil; fault diagnosis

2017-02-063

国家自然科学基金资助项目(51507017); 重庆市能源互联网工程技术研究中心专项

江天炎(1987—),男,江苏盐城人,博士,讲师, 主要从事高电压与绝缘技术研究，E-mail:jiangtianyan1987@163.com。

江天炎，陈曦，毕茂强.罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(6):154-159.

format：JIANG Tian-yan, CHEN Xi, BI Mao-qiang.Simulation and Experiment of Pulse Interference Signals in Excitation Transformer Detected by Rogowski Coil[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):154-159.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.023

TM412

A

1674-8425(2017)06-0154-06