基于UHF技術的風電場油浸式主變壓器局部放電監測與分析

任 巖, 萬 元, 胡 邊, 龔傳利

(1.中國長江三峽集團公司,宜昌 610041; 2.華北水利水電大學 水電學院,鄭州 450046; 3.中國水利水電科學研究院,北京 100038; 4.五凌電力有限公司,長沙 410004)

基于UHF技術的風電場油浸式主變壓器局部放電監測與分析

任 巖1,2,3, 萬 元4, 胡 邊4, 龔傳利3

(1.中國長江三峽集團公司,宜昌 610041; 2.華北水利水電大學 水電學院,鄭州 450046; 3.中國水利水電科學研究院,北京 100038; 4.五凌電力有限公司,長沙 410004)

為了避開風電場主變壓器局部放電在線監測中存在的多種形式噪聲干擾,引入了基于UHF技術的風電場油浸式變壓器局部放電監測與分析方法,設計了UHF局部放電傳感器及配套的硬件降頻電路,仿真驗證了傳感器及降頻電路的有效性,建立了風電場主變壓器超高頻局部放電監測與分析模型,研制了硬件構建方案及軟件的功能框架,并利用現場實測信號對該方法進行驗證.工業實踐證明,UHF技術能達到避開風電場現場電磁干擾、可靠獲取真實局部放電脈沖、有效診斷變壓器內部故障的目的.

風電場; 油浸式變壓器; 局部放電; 超高頻; 降頻電路

局部放電是變壓器絕緣劣化的重要標志,實時監測變壓器內部的局部放電,是預防事故的重要標志[1].目前,變壓器的局部放電監測方法有很多種,包括脈沖電流法、超聲波法及油中氣體分析法[2].其中脈沖電流法、超聲波法的測量頻段比較低(一般低于50 MHz),外界干擾容易耦合到測量回路,直接導致測量結果不準確.油中氣體分析法主要通過檢測油中氣體來分析變壓器內部是否發生放電,該方法檢測局部放電時靈敏度低,且具有較大的滯后性[1-2].

電力設備內部發生局部放電時,會向四周衍射UHF(ultra high frequency,超高頻)電磁波信號,通過檢測空間中UHF電磁波,便能檢測電力設備內部是否發生局部放電[1].局部放電衍射的UHF電磁波頻率很高(>500 MHz)[1],而背景噪聲和空氣中電暈干擾的頻率通常小于400 MHz[2].因此,UHF檢測能避開電力工業現場存在的干擾信號,確保局部放電監測的可靠性.

文獻[3-4]將UHF技術應用到電力GIS局部放電的檢測中,并采用混頻技術實現降頻,取得較好的效果.文獻[5-6]分別將UHF技術應用至水電站500 kV變壓器局部放電的檢測中,有效地監測出變壓器內部針板放電、內部放電.目前,風電場變壓器是連接風電機組與電網的樞紐設備,一旦故障將導致風電場無法向電網饋電,而利用UHF技術監測風電場主變壓器局部放電方面,尚未見相應報道[7-10].

鑒于此,引入UHF監測方法實施風電場主變壓器局部放電在線監測與分析,設計了UHF檢測天線及配套的硬件降頻電路,利用仿真電路、實測信號驗證了傳感器及檢波降頻電路的有效性.在此基礎上,構建了風電場主變壓器局部放電綜合分析模型及軟件的功能框架,給出了模型在現場的應用實例.

1 UHF局部放電傳感器設計

UHF天線能在三維空間中感應高頻電磁波,UHF天線有很多種,包括錐形天線、矩形天線、阿基米德螺旋天線等,其中阿基米德螺旋天線由于其非頻變特性強、體積小而廣泛應用于電力工業現場[1,8].

為有效避開現場的電磁干擾信號,選取測量帶寬為500～1 500 MHz的阿基米德螺旋天線作為風電場主變壓器的超高頻局部放電測量傳感器.確定阿基米德螺旋天線的測量帶寬后,需結合變壓器的結構,計算阿基米德螺旋天線的結構參數,具體參數包括:螺旋外徑、螺旋內徑、螺旋增長率、螺旋寬度、螺旋圈數等[1,8].假定天線檢測的下限工作頻率為fmin,上限工作頻率為fmax,真空中的光速為c,上述計算方法如下所示:

a. 螺線外徑D取決于下限工作頻率fmin對應的波長λmax.波長λmax滿足

(1)

螺線外徑D要求符合

(2)

b. 螺線內徑2r0是饋電點間的距離,對天線的阻抗匹配和上限工作頻率影響較大.一般應取2r0<λmin/4,λmin是上限工作頻率,fmax為對應的波長,λmin滿足

(3)

螺旋內徑2r0應符合

(4)

饋電點之間的距離2r0越小則進入饋電點的入射波越接近,故取r0與兩條螺線間的距離相等.

c. 在螺線外徑D一定的情況下,螺旋增長率a0直接決定了螺線圈數N.螺線總長度大,終端效應小,波段特性好.但若a0太小,圈數太多,傳輸損耗就會加大.綜合考慮終端效應和傳輸損耗,局部放電UHF檢測一般取螺線圈數N=10,即螺線雙臂總圈數為10,單臂螺線圈數為N/2=5.螺線寬度大,其輸入阻抗就低.當螺線寬度與間隙寬度相同時,這種結構被稱為自補結構,它有利于實現寬頻帶阻抗匹配.由以上設計參數可知,螺線外徑D、螺線圈數N已確定,螺線寬度、螺線間距離相等,均為l.饋電點A,B之間的距離為2r0,并且l=r0,故可得

(5)

式中:r0為饋電點A,B到原點O之間的距離;Nr0為螺線總寬度以及間隙總距離,三者之和即為螺線外半徑D/2.

由式(5)可得螺線寬度公式為

(6)

代入螺線外徑D、螺線圈數N,可計算得r0.根據上述螺線極坐標方程,得到螺線最大極徑處的坐標方程為

(7)

將式(5)代入式(7)可得螺旋增長率a0為

(8)

代入r0,可得a0.

根據上述設計方案,設計的基于阿基米德天線的超高頻局部放電傳感器示意圖如圖1所示.為了確保測量的靈敏度,該傳感器主要安裝在變壓器人孔門的內壁,通過導線將信號引出.

圖1 基于阿基米德天線的超高頻局部放電傳感器

2 硬件降頻電路設計

2.1 基本原理

本文設計的UHF天線接收的電磁波信號頻段在500～1 500 MHz間,頻率非常高.根據香農采樣定律,為了保證信號被不失真地采集到,檢測系統的信號采樣頻率必須大于3 GHz,這樣高的采樣頻率,實現起來難度非常大.因此,不經合適的信號處理手段,直接對阿基米德天線檢測的原始超高頻局部放電信號進行處理,難度非常大,幾乎無法實現[8].

局部放電監測一般最關心的是放電脈沖的峰值及其在50 Hz工頻信號上的相位,對放電波形具體細節關注度不大.因此,為了降低監測難度,本文采用檢波電路對信號進行降頻處理,在保證局部放電脈沖幅值、相位基礎上,降低采樣頻率.

本文設計的基于二極管的檢波電路原理如圖2(a)所示.檢波電路的輸出信號直接反映超高頻調幅波包絡變化規律,由輸入回路、檢波二極管D和RC低通濾波器組成.圖中:Rd為二極管導通電阻,R為負載電阻,Rd?R;C是負載電容.顯然充電時間常數τc=RdC較小,電容C上充電很快,能迅速地建立電壓,而放電時間常數τd=RC一般很大,遠大于超高頻局部放電信號的周期.

圖2 檢波電路原理及等效電路

檢波電路等效電路如圖2(b)所示,ui為輸入電壓,uo為輸出電壓,設二極管D兩端之間的電壓ud=ui-uo.當ud>0時二極管正向導通,超高頻輸入信號ui對電容C充電;當ud小于0時,二極管反向截止,電容C向負載電阻R放電.由于放電的時間常數τd=RC遠遠大于超高頻局部放電信號的周期,當電容C上的電壓下降并不多時,高頻放電脈沖的第二個正半周電壓使二極管再次導通.因此,可以選擇合適的參數,讓τc足夠小,充電時間很短;而τd足夠大,放電時間很長(τc?τd),就可使電容C兩端的電壓幅度與輸入超高頻信號ui的幅度非常接近,得到檢波信號,達到降低頻率的目的.

2.2 仿真驗證

采用Matlab對檢波電路進行仿真,仿真電路如圖3所示.

由于超高頻局部放電時間持續時間很短,大約為幾十到幾百ns,因此,檢波電路的充電時間應比較小,選取充電時間常數τc=0.1 ns?1 ns.而為了防止信號被遺漏,選取放電時間常數τd應適宜,圖3中,二極管D的導通電阻Rd選取為100 Ω,則電容C由式(9)確定.

(9)

式中:充電時間常數τc=1×10-10s;二極管導通電阻Rd=100 Ω;代入上式得負載電容C=1×10-12F=1 pF.

同理,負載電阻R由式(10)確定.

(10)

式中:放電時間常數τd=0.8×10-6s;負載電容C=1×10-12F;代入上式得負載電阻R=0.8×106Ω.

圖3 檢波電路的Matlab仿真模型

現場檢測到的超高頻局部放電脈沖信號可用指數振蕩模型來模擬,理論上可以用以下兩種模型表示[8]:

(11)

(12)

式中:A1,A2為信號幅值;τ為脈沖衰減系數;fc為脈沖振蕩頻率;t為時間.式(11)為單指數衰減振蕩脈沖,式(12)為雙指數衰減振蕩脈沖.

由式(11)產生3個雙指數仿真局部放電脈沖,具體參數見表1,其中t0為脈沖相對0時刻出現的時間,單個脈沖持續時間約0.5 μs.為了更接近實測信號,在信號中疊加標準差為0.005的白噪聲,得到的混合信號如圖4(a)所示.

表1 雙指數局部放電脈沖仿真參數

從圖4可知,檢波電路能有效提取超高頻局部放電信號,并保持經檢波后脈沖的正向峰值出現的時間不變.同時,不同的放電時間常數對是否會出現波形疊加有一定影響,必須合理地設計檢波電路的放電時間常數,也就是合理地設計電容C的大小.

2.3 實測信號驗證

將設計的檢波電路應用到某風電場主變壓器,現場檢測到的檢波信號如圖5所示.

由于現場電磁噪聲環境比較復雜,超高頻局部放電信號中混雜了許多背景噪聲,導致檢波后的信號沒有仿真結果那么有規則,但有效降低了信號頻率,且基本保留了放電脈沖的幅值、相位等重要信息,能適合于風電場變壓器超高頻局部放電在線監測.

圖4 仿真數據的檢波效果

圖5 現場放電檢波輸出

3 變壓器超高頻局部放電監測與分析模型

3.1 硬件設計

風電場主變壓器局部放電監測與分析模型的硬件設計如圖6所示(見下頁).

綜合采集風電場變壓器鐵芯接地電流、油中氣體、超高頻局部放電信號,判斷變壓器內部是否存在局部放電.其中超高頻局部放電傳感器安裝在人孔門內,前置處理采用檢波電路.該模型以超高頻局部放電監測為核心,綜合采集油中色譜、鐵芯接地電流為輔助監測與診斷手段,可提高診斷的準確性.

圖6 風電場主變壓器局部放電監測與分析硬件

3.2 軟件功能框架

模型軟件功能設計如圖7所示.

圖7 風電場主變壓器局部放電監測與分析軟件功能

由圖7可知,軟件包括高速數據采集、數據管理、脈沖分析、放電譜圖統計、綜合分析與診斷、信息交互與集成多個模型.其中放電譜圖統計主要是計算變壓器內部放電的二維譜圖、三維譜圖等,為變壓器故障診斷及定位提供依據.綜合分析與診斷主要是綜合油中色譜數據、鐵芯接地電流數據等,聯合監測與分析變壓器內部運行狀況.

4 實測數據的監測與分析

本文設計的系統已應用到云南、湖南兩地共6個風電場,共有效檢測出兩次風電場主變壓器內部放電故障.

案例1 云南某風電場主變壓器低壓側電壓為3.5 kV,高壓側繞組為220 kV,變壓器容量為100 MVA,投產時間為2010年,該變壓器安裝了一套本文設計局部放電在線監測系統.2014年12月起,系統顯示變壓器放電趨勢逐步增加,初步診斷該變壓器內部存在放電,導出該變壓器放電譜圖如圖8所示,其中,圖8(a)～(c)依次對應最大放電量-相位譜圖、放電次數-相位譜圖及放電次數-放電量譜圖.

圖8 云南某風電場主變壓器二維放電譜圖

由圖8可知,該風電場主變壓器放電幅值在工頻相位上的分布比較均勻,主要發生在工頻信號的第1,3象限,并少量延伸到2,4象限,其放電次數-放電量譜圖呈2次拋物線形狀.利用文獻[1,8]建立的專家診斷知識庫對放電譜圖進行識別,確定為油中含有微粒放電引起.該風電場組織抽取油樣進行顆粒度檢測,發現油中顆粒含量嚴重超標.電廠組織對油進行硅膠濾油處理,處理后局部放電數據正常[11-12].

案例2 湖南某風電場油浸式變壓器低壓側電壓為3.5 kV,高壓側繞組為110 kV,變壓器容量為70 MVA,投產時間為2012年.該變壓器安裝了一套本文設計局部放電在線監測系統,2015年8月起,系統顯示變壓器放電趨勢逐步增加,可診斷該變壓器內部存在放電,導出該變壓器三維放電譜圖如圖9所示.其中,圖9(a)～(c)依次對應最大放電量-相位譜圖、放電次數-相位譜圖及放電次數-放電量譜圖.

由圖9可知,該風電場主變壓器放電主要發生在工頻信號的第1,3象限,且工頻相位1,3象限上的放電基本對稱,其放電次數-放電量譜圖呈指數衰減形狀.利用文獻[1,8]建立的專家診斷知識庫對放電譜圖進行識別,確定放電為內部放電,主要原因是由于油中氣體含量過高所致.電廠組織對油進行真空脫氣處理,處理后局部放電數據正常.

圖9 湖南某風電場主變壓器二維放電譜圖

從上述的案例可知,本文設計的風電場變壓器監測與分析模型是有效的.

風電場主變壓器是連接風電機組與電網的關鍵設備,一旦出現故障,整個風電場都無法向電網饋電.對于50 MW的風電場,年發電量約1億kW·h,平均折合到日發電量約30萬kW·h,在有效發現變壓器局部放電后實施檢修,較之變壓器出現嚴重故障后實施檢修,工期大約可節約半個月.因此,采用本文設計的基于UHF技術的風電場主變壓器局部放電監測與分析系統,可在變壓器故障出現時減少電量損失約500萬kW·h,還不包括額外增加的檢修費用,而一套風電場主變壓器局部放電監測與分析系統市場推廣成本僅十余萬元,并且系統傳感器安裝在主變壓器的人孔門上,絲毫不影響變壓器的正常穩定運行.綜上,從技術成本上講,系統的研制能為風電場帶來較好的安全、經濟效益.

5 結束語

風電場油浸式主變壓器內部局部放電故障是引發變壓器突發事故的重要根源,有效地監測變壓器內部局部放電活動,是預防變壓器重大事故的重要手段.本文引入了基于UHF技術的風電場油浸式主變壓器局部放電監測與分析模型,利用設計的超高頻傳感器及檢波降頻電路,有效地避開了現場存在的強電磁干擾,實現了變壓器內部局部放電信號的檢測.同時,設計了模型的硬件及軟件實現方案,現場的檢測結果表明,該模型能達到有效診斷變壓器內部故障的目的.

致謝 感謝三峽新能源公司對本文提供資金支持.

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(編輯:丁紅藝)

Partial Discharge Monitoring and Analysis on the Oil Immersed Main Transformer in Wind Farms Based on UHF Technology

REN Yan1,2,3, WAN Yuan2, HU Bian2, GONG Chuanli3

(1.ChinaThreeGorgesCorporation,Yichang610041,China; 2.SchoolofWaterConservancy,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450046,China; 3.ChinaWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Beijing100038,China; 4.WulingPowerCorporationLTD.,Changsha410004,China)

To solve the problem of multiple noises existing in wind farms which affect the partial discharge (PD) online monitoring results of oil immersed transformers,a partial discharge online monitoring and analysis method for the transformers in wind farms based on the ultra high frequency (UHF) technology was put forward and the design of the UHF PD sensor and frequency reduction circuit of its supporting hardware was made.The UHF partial discharge monitoring and analysis model for the transformers,including their hardware framework and software construction scheme was built.The method was verified by the measured signals in a certain wind farm,which proves that the method proposed can effectively avoid electromagnetic interference,obtain reliable real partial discharge pulse,and realize the fault diagnosis for transformers in wind farms.

windfarm;oilimmersedtransformer;partialdischarge;ultrahighfrequency;frequencyreductioncircuit

1007-6735(2016)06-0540-06

10.13255/j.cnki.jusst.2016.06.006

2016-03-28

鄭州市科技攻關計劃項目(X2013G0432); 華北水利水電大學高層次人才科研啟動項目(201316)

任 巖(1979-),女,副教授.研究方向:新能源故障診斷.E-mail:ryanjya@126.com

TM 855

A