干式变压器局部放电在线监测脉冲电流传感器的开发

田富

摘 要：传统的功率变换器电路包括两种类型的电流传感器，一种用于电流控制，另一种用于过流保护。最近，人们对电流传感器进行了研究，这些传感器将集成在电源模块中。这些传感器应该能够保护电源设备不受过电流的影响。此外，电源转换电路必须实现交流侧电流传感器的控制。通常，这些电流传感器是独立使用的;因此，需要两种类型的传感器。但是，如果用于保护的传感器也可以进行电流控制，那么用于电流控制的传感器就可以消除。功率器件的电流波形是脉冲波形。因此，需要一种考虑传感器位置和同步采样的采样技术。本文提出了一种利用集成在功率模块中的电流传感器控制输出电流的方法。单极调制单相逆变器的传感器位置和采样点之间的关系是显而易见的。通过与功率器件串联安装的普通电流传感器的实验，验证了该方法的有效性。此外，还考虑到实际电流具有频率特性，进行了包含传感器特性的仿真。最后通过实验验证了电流控制方法的有效性。

关键词：干式变压器;局部放电;在线监测;脉冲电流传感器

引言

电气设备的维修与技术开发可分为三个阶段，即故障维修、定期维修、状态维修。状态维修是以可靠性为中心的维修，并逐步取代以往的定期预防性维修。它基于设备的状态并执行预防性操作。设备的状态维护通过测量关键参数来识别现有或潜在的损坏迹象。对于工作设备，可以进行状态评估。这种策略不需要定期检修设备，这提高了检修的相关性和有效性。发现问题，及时发现，有效地延长了设备的使用寿命，合理地降低了设备的运行维护成本。目前，避雷器全电流和阻性电流检测技术、电容器件介质损耗和电容检测技术、变压器体内油溶气体、局部放电监测技术和传输线红外检测技术都比较广泛。随着电缆在城市电网建设中的普遍应用，改进电缆检测方法的要求越来越迫切，尤其是带电检测。

一、干式变压器局部放电概述

（一）干式变压器发展

干式变压器以其低噪声、低损耗、免维护、高可靠性、无污染、抗燃烧、抗燃烧等优点，受到越来越多的关注和推广。广泛应用于地铁、机场和居民区。目前干式变压器主要有两种类型：一种是F类环氧树脂浇注干式变压器（ORDT），另一种是H类真空压力浸渍干式变压器（OVDT）。自上世纪80年代末以来，中国从欧洲引进了先进的薄型绝缘ORDT技术，现已在全国广泛应用。近年来，由于浸渍干式变压器采用真空压力浸渍（VPI）技术，并采用美国杜邦公司的NOMEX纸作为绝缘材料，浸渍干式变压器（作为NOMEX纸绝缘浸渍干式变压器）在我国开始试运行。环氧树脂浇注干式变压器整体机械强度和耐短路能力良好。短路时对轴向和径向电功率均有较强的容错能力。由于没有垫块这样的强点，钢丝不会继承弯曲应力。高机械强度可以认为是环氧树脂浇注干式变压器的最大优点。但对于NOMEX纸绝缘清漆干式变压器，NOMEX纸具有抗压强度好、受压变形小、可靠性好的特点，从真空压力清漆和干燥固化过程来看，其表面不留钉痕。由于清漆干式变压器使用的交叉线圈与油浸式变压器基本相同，所以垫块在扁平绕组之间起支撑作用，它由低压线与铁心之间的支撑物支撑。就变压器的结构而言，其整体机械强度和短路电阻容量均低于环氧树脂浇注干式变压器。NOMEX纸绝缘漆干式变压器的过载能力优于环氧树脂浇注式干式变压器，这是由于采用了热等级为H级（温度等级为180℃）的NOMEX纸，而且变压器的起动过载热裕度较大。随着干式变压器技术的不断改进和NOMEX纸的进一步国产化，h级干式变压器的生产成本将进一步下降。H级NOMEX纸绝缘漆干式变压器以其环保优势在未来市场上将具有强大的竞争力。采用这种技术是我国变压器行业的發展趋势，具有广阔的发展前景。

（二）局部放电原理及检测

局部放电（PD）测量是检测电力设备绝缘缺陷的最重要的、无破坏性的方法。用于电力系统的质量检测，以及电缆、GIS、电力变压器、旋转机械及其部件的现场诊断检测。变电站内局部放电的传播受到变电站网络的很大影响。局部放电脉冲的真实波形无法在现场测量。经典的局部放电校准模型对于局部放电的在线监测是不合理的，因为它用集总电容表示变压器，用连接线和相邻设备作为耦合电容。为了解决上述问题，需要建立一个实用的局部放电校准模型。也就是说，需要为变电站内部的变压器及其外部耦合网络构造合理的等效电路。介绍了变电站网络局部放电仿真的策略，以及在500kv 变电站进行的局部放电仿真实验。这些实验涉及变压器外部耦合网络的五种不同的测试范围，并注入多个频率的正弦信号来模拟局部放电信号的不同频率分量。通过比较相同试验频率下不同试验范围下的响应，概述了外部耦合网络对变压器局部放电监测的影响。

二、干式变压器局部放电在线监测脉冲电流传感器的设计

2.1 研究背景

用于交流电流检测的电流传感器的原理是基于电流互感器或霍尔效应等。有些论文将自己研制的电流传感器应用于功率变换器电路。此外，还提出了将电流传感器集成在功率模块中的建议。传感器主要用于电力设备的过电流保护。如果这些电流传感器集成在电源模块可以适当地用于控制，消除安装在交流侧的传感器是可能的。实现了电路的小型化和高功率密度化。当这些传感器用于交流侧电流控制时，需要讨论输出电流的检测方法。然而，集成电流传感器只能检测脉冲形状的电流波形。如果输出电流可以恢复脉冲形电流，传感器可以用于电流控制。正常情况下，电源转换器电路必须连接到电流传感器，如图1所示，在电源模块之外。如果电流控制可以实现使用集成电流传感器，没有电流传感器需要连接。为了恢复正弦电流波形，必须采用数字控制。此外，采样点和开关定时都应该是同步的。逆变电路功率模块中的电流波形取决于功率器件和传感器位置之间的关系。

2.2 脉冲电流采样和传感器位置

本文提出利用这些电流传感器可以控制输出电流。在这里，表示流入电源设备的电流。电流波形为脉冲形电流波形。然后对脉冲电流进行采样，检测瞬时电流。逆变电路的 PWM 信号是基于三角载波波形产生的。当使用一个传感器时，采样点由传感器种类决定。单相逆变器的波形证实了当功率器件处于 ON 状态时，输出交流电流流入该器件。因此，在功率器件的 ON 状态下，可以使用模块电流传感器对瞬时输出电流进行采样。从这些波形，可以通过选择合适的传感器在 ON 状态下获得输出电流。需要注意的是，同步采样点和功率模块电流传感器具有选择性。

三、小结

分析表明，由于传感器的输出延迟和频率特性，使得传感器出现了不可控区域，这些影响可以公式化。实验验证了该方法的有效性。由此可见，电流传感器可以与电源装置串联控制输出电流，而保护模块式电流传感器可以完成这一任务。

参考文献

[1] 马硕. 基于轻量级卷积神经网络的海上平台干式变压器局部放电模式识别[D].山东大学，2020.

[2] 李祖. 变压器局部放电在线监测系统研究及应用[D].华北电力大学，2014.