脉冲注入法的传感器信号发生装置*

谷红霞， 于 虹， 赵振刚， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500;2.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 652001)



脉冲注入法的传感器信号发生装置*

谷红霞1， 于 虹2， 赵振刚1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500;2.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 652001)

脉冲注入法可较为灵敏地反映出各类变压器绕组故障，原理为在线注入脉冲方波，通过测量响应信号判断绕组工况。便携式带电检测仪可较好地实现上述功能，电容传感器信号装置是其重要组成部件，该部件直接安装在电力变压器绝缘套管上，为保证注入信号对在线运行变压器无影响，要求该部件不影响套管电场分布，同时不影响绝缘套管的绝缘特性。针对不同电压等级的电力变压器，设计了相应的电容式耦合传感信号发生装置，通过仿真验证了相应装置的电场分布，证明了其对电力变压器运行无影响，同时对该装置进行雷电冲击试验，检验了该装置的绝缘性能。装置为脉冲在线注入法的成功应用奠定了基础。

绕组故障； 脉冲波形注入法； 电场分布； 绝缘性； 传感器信号装置

0 引 言

变压器绕组故障在线检测一直是专家学者们研究的重点与难点，对电力变压器的绕组故障离线检测需要停机待检，影响电网正常生产运行。电力变压器绕组故障具有累积效应，微小的变压器绕组故障会加剧绕组的绝缘老化，若不能及时发现绕组变形故障，将造成电力变压器毁坏，严重影响电力系统安全运行[1～3]。

脉冲在线注入法对于电力变压器绕组故障的检测是一种相对先进的方法，具有全频段的响应特性，对绕组短路以及绕组变形等故障均可以较为灵敏地进行检测。李红民、董晓在大型工件电的圆度误差测量系统中运用容传感器，评定测量系统的可靠性与精度[5]。刘泽良、温银堂在基于ANSYS的平面电容传感器阵列三维仿真研究中研究了材料与电极间距和材料厚度对电容值的影响[6]。曹河、董恩生在同面多电极电容传感器结构仿真研究中为同面多电极电容传感器的结构设计提供了依据[7]。在线注入脉冲方波，通过传函判断变压器绕组工况，脉冲方波注入在线运行变压器，此时会有强烈的电磁信号，如何保证信号完好地注入变压器，同时防止脉冲方波耦合的相电压工频信号及部分过电压信号对电力变压器及检测设备可能造成的损害，对脉冲在线注入法成功应用具有重要意义[8～10]。

1 脉冲在线注入法原理

便携式带电检测仪产生的激励信号经超高频同轴电缆传输至信号注入保护电路，激励信号经高压端套管电容传感器的耦合作用注入至变压器的绕组首端；经过绕组中传播，在绕组末端通过中性点套管电容传感器构成的电容分压器实现测量，并经超高频同轴电缆传输至便携式带电检测仪，以实现信号的处理和分析，给出诊断结果[12]。检测原理图如图1所示。

图1 脉冲在线注入法检测原理

在频率大于1 kHz的条件下，电力变压器可以看成由电容器、电阻器、电感器组成的二端口网络，当变压器绕组发生变化时分布参数随之变化，此时若在一端施加激励信号，通过测量另外一端额定输出信号，即可得到此二端口网络的传递函数

(1)

式中 Vi(f)为在线注入的激励信号频域分布；Ro(f)为在线测量经过绕组传播后的响应信号频域分布。 构成绕组等值模型的分布电感、分布电容和分布电阻参数依据绕组的几何尺寸和材质而定。当绕组的某一部分发生变形或者损坏的时候，将导致TF的改变，因此，通过比较被测绕组的TF和参考TF，可以判断绕组发生变形或损坏故障[11]。

2 耦合电容式信号发生装置

基于耦合电容原理的套管电容耦合传感器是一种非侵入式的传感器，此传感器利用变压器的高压套管结构，可实现信号的非接触注入与测量。传感器关键部件是缠绕在高压套管靠近接地部位外绝缘层上的金属薄带，如图2所示。

图2 套管电容耦合传感器示意

由于篇幅有限，仅对110 kV及以上电压等级进行研究，套管内绝缘采用电容性套管。电容式套管的电容耦合传感器是由金属薄带和套管导杆、套管内部电容芯子共同构成复合电容结构，实现信号的注入与测量。电容式套管如图3所示。

图3 电容式套管传感器原理

套管电容耦合传感器样机如图4所示，其关键部分金属薄带由不锈钢304材质组成，实际使用中，金属带完全由绝缘热缩管包裹，以防止直接暴露在大气环境下，一定程度上起到防风沙、雨雪、日照等恶劣的气候环境。采用套管电容耦合传感器在线注入与测量信号，具有不改变系统接线、非接触式、安全、无损且对系统无影响的优点。

图4 套管电容耦合传感器

3 电容耦合传感器对套管外绝缘影响仿真分析

由于加装了套管电容耦合传感器，其金属部分势必会减小套管爬电距离，改变套管本来的电场分布情况，可能对套管外绝缘造成影响。基于有限元法仿真，对真实套管及电容耦合传感器建立模型，分析后者对套管外绝缘的影响。对110 kV电容式套管开展建模，探讨电容耦合传感器安装前后对正常情况以及存在部分闪络套管电场分布的影响。

3.1 仿真模型建立

对110 kV电容式套管在COMSOL有限元软件中以变压器高压套管为轴对称结构建立仿真模型，对套管施加110 kV工频电压，选择2D轴对称模块对AC/DC模块进行2D轴对称仿真。在高压套管安装位置附近定义了长度为6 cm的测量线，仿真分析测量线上电场强度大小。对套管正常运行以及发生闪络时电场强度进行了仿真研究。由于施加电压为工频电压，因此，可认为套管内电场强度在电压处于峰值时最大。选择仿真时间在5 ms时的结果进行分析。

3.2 电场强度仿真分析

3.2.1 正常情况下电场强度仿真分析

对高压套管未加装电容耦合传感器进行了电场强度分布仿真，仿真条件如前所述，仿真结果如图5所示，在工频电压下，场强主要集中在了导杆与第一层电极之间和每层电容芯子顶端，套管电场强度最大点出现在电容末屏顶端，为53.7 kV/cm。仿真结果与参考文献较为一致，验证了仿真模型正确性。

图5 未加装传感器电场强度仿真结果

高压套管加装电容耦合传感器后进行仿真研究，得到此时电场强度最大值，与套管未加装电容耦合传感器结果比较后可知，电容耦合传感器对电场强度影响的大小。仿真设置电容耦合传感器厚度为0.1 cm，宽度为2 cm，与实际情况保持一致。仿真设置条件与套管未安装电容耦合传感器一致，仿真结果如图6所示。

图6 电场强度仿真结果

加装电容耦合传感器后套管内部电场强度分布趋势未发生较大改变，套管内电场强度仍集中分布在导杆与第一层电容芯子和每层电容芯子顶端，此时最大场强仍位于末屏顶端，为48.1 kV/cm，场强值较未加装时改变10.3 %。从图中可以看出，正常套管未加装电容耦合传感器时，电场强度随着远离套管绝缘瓷套，场强均匀减小；套管加装电容耦合传感器，在电容耦合传感器表面与空气接触处，电场强度发生了畸变，瞬间增大到1.63 kV/cm。但是，畸变过后的场强值仍远远小于空气的击穿场强30 kV/cm，不会对套管安全运行造成影响。随着远离套管绝缘层及电容耦合传感器表面，电场强度迅速减小，并且与正常套管时电场强度分布保持一致。

3.2.2 闪络现象时电场强度仿真

套管在运行过程中，可能发生闪络现象。为探讨套管发生部分闪络现象时，加装电容耦合传感器是否造成套管发生更严重的故障，仿真了套管未加装电容耦合传感器和加装电容耦合传感器时套管发生沿面闪络时的电场强度分布如图5～图7。此时将套管第2和第3伞裙短接，其余仿真条件如前所述，仿真结果如图7所示。

图7 套管发生部分闪络现象时电场强度仿真结果

由图7可知，闪络现象不会造成套管内部电场分布发生较大改变，且使得内部电场强度最大值减小。同样，仿真了测量线上发生闪络现象时电场强度，如图8所示。由图8可知，电场强度的分布与正常运行条件下的分布趋势一致。加装传感器套管电场强度在传感器表面发生畸变，最大值为1.3 kV/cm，随后迅速减小，并与正常套管发生闪络时电场强度值一致。

图8 套管发生部分闪络现象时测量线上电场强度对比

仿真结果表明：加装套管电容传感器不会改变套管内部电场强度的分布；传感器只会造成其表面附近的电场强度发生畸变，但是畸变程度不会超过空气的击穿场强，导致严重故障的发生。因此，套管电容传感器的安装不会对设备的正常运行造成影响。

3.3 传感器对套管外绝缘影响耐压测试

为真实反映雷电冲击试验绝缘性能，对加装了该传感器后的套管雷电冲击干耐压试验。套管电容耦合传感器安装于110 kV套管外部绝缘层上，最后一片绝缘子处，靠近接地法兰的位置。

施加正极性雷电冲击电压和负极性雷电冲击电压各15次，在任意极性下，如内绝缘未发生击穿或外绝缘闪络次数不超过2次，则认为该套管通过本试验。试验中，将电压提高至550 kV，非规程值的85 %，通过条件为内绝缘未发生击穿或外绝缘无闪络。在高压套管经历的30次冲击过程中，套管外绝缘层未出现闪络及异常现象，根据试验要求，加装了套管电容传感器的套管通过了雷电冲击干耐压试验。图9为试验时测到的典型波形。

图9 雷电冲击试验结果

4 结 论

电容耦合信号发生装置作为便携式带电检测仪的重要组成部件，部件直接安装在电力变压器高压绝缘套管，要求其不影响电力变压器正常运行，以及电容耦合传感装置安装后不影响电力变压器绝缘套管额绝缘特性。针对上述问题，首先，建立了仿真模型，通过仿真验证了装置设计的正确性，同时，证明了电场分布特性并未发生明显变化；其次，对该装置进行雷电冲击试验，验证了该装置的安装并未影响电力变压器套管绝缘特性，装置的成功研发，为使用脉冲在线注入法对电力变压器绕组故障进行在线检测奠定了基础。

[1] 姚森敬．横向比较法在变压器绕组变形测试中的应用[J]．广东电力，2000，13(4)：11-14．

[2] 王 钰．变压器绕组变形检测中的故障判定[J]．高电压技术，1997，23(3)：23-26．

[3] 朱建新．电力变压器绕组变形故障的测量分析与判断[J]．变压器，2000，37(6)：21-24．

[4] 李红民,董 晓,康岩辉,等.基于电容传感器的大型工件圆度误差测量系统[J].传感器与微系统,2013，32(7):89-92，96.

[5] 刘泽良,温银堂,梁 希,等.基于ANSYS的平面电容传感器阵列三维仿真研究[J].传感器与微系统,2016,35(4):45-48.

[6] 曹 河,董恩生,范作宪,等.同面多电极电容传感器结构仿真研究[J].传感器与微系统,2012,31(12):31-33，37.

[7] 何文林，陈金法，应高亮，等．频响分析法测试变压器绕组变形的研究[J].中国电力,2000,33(12):39-42．

[8] 谢宇风，刘 溟．变压器绕组变形频响法分频点研究[J]．华中电力，2005，18(2)：39-42.

[9] 张慧芬,潘贞存.无线通信与注入信号法相结合的配电网单相接地自动定位[J].继电器，2008(7)：15-18.

[10] 赵正军,姜新宇.信号注入法在配电网电容电流测量中的研究[J].广东电力，2004(6)：25-28.

Sensor signal generator based on pulse injection method*

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.Fauclty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 652017,China；2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd,Kunming 652017,China)

Pulse injection method can more sensitively reflect faults of various types of transformer winding,the principle of this method is that inject pulse square wave on-line and judge the winding conditions by measuring the response signal.Portable charging detector can achieve the above functions better,the capacitive sensor signal device is an important component part, the part is directly mounted on the power transformer bushings,in order to ensure the injected signal has no effect on the online operation transformer,it requires this part does not affect the electric field distribution of the casing,without affecting the insulating characteristics of the insulating sleeve.For different voltage levels of power transformers,corresponding capacitive coupling sensor signal generating means is designed,the electric field distribution of corresponding device is verified by simulation and it is proved that it has no effect on the operation of power transformers,while the lightning impulse test,the insulation performance of the device is test.Research and development of the device laid the foundations for the successful application of pulse line injection method.

winding faults; pulse waveform injection method; electric field distribution;insulation; sensor signal device

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0089—04

2016—07—21

国家自然科学基金资助项目(51567013);昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303004);云南省应用基础研究计划项目(2013FZ021)；中国博士后科学基金面上资助(一等资助)项目(2014M552552XB)

TP 216

A

1000—9787(2017)07—0089—04

谷红霞(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感器、测试计量等。