電力變壓器絕緣在線檢測電脈沖傳感器設計

趙曉艷+孫瑞娟

摘 要：變壓器內部發生放電時會形成電現象、光現象及其他各種現象，而且導致局部過熱。本文基于洛氏線圈型電流傳感器，建立了脈沖電流傳感器的等效數學模型，用Matlab仿真軟件研究了傳感器的線圈匝數多少、負載電阻的變化、結構尺寸大小和雜散電容大小對頻率特性和靈敏度的影響。

關鍵詞：電力變壓器；在線檢測；傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.154

1 前言

隨著現代科技的進步，我國的很多工業發展較快，而這些都離不開電，這也導致了電氣裝置的種類逐漸增多，但是，這些裝置的故障也增加了電力系統的不穩定因素。

變壓器是電力系統中非常重要的組成部分。[1]據統計，110kV及以上的變壓器發生的事故有80%是由絕緣所引起的。由此可以看出，絕緣檢測是變壓器乃至電力系統安全運行的基本保障。因此變壓器的絕緣檢測是很重要的。絕緣在線檢測技術是使用靈敏性能較好的傳感器來獲取可以表示運行中裝置的絕緣信息，再通過計算機來得到裝置的絕緣情況。傳感器是絕緣監測系統中重要元器件，其所處位置、原理、性能和形式等對系統可以收集的放電信息量是否準確、精確有一定的影響，需要對其進一步分析。

2 電力變壓器在線檢測方案的選用

局部放電是在變壓器內部絕緣局部位置發生的放電。[2]造成局部放電的原因非常多，總結起來局部放電的產生的最重要原因如下：（1）強電場中導體、固體絕緣的尖端；（2）變壓器油中少量氣體與固體中的空氣間隙；（3）絕緣件外部的灰塵及強電場中的漂浮電位；（4）在強電場下產生漂浮電位的金屬物。

2.1 電力變壓器絕緣在線檢測的手段選擇

局部放電的檢測技術有多種不同的方法：

（1）脈沖電流法，這種方法在變壓器內部發生放電時會產生高電壓，對保護裝置造成很大的破壞，所以該方法一直被用來檢測變壓器的內部放電，以此來判斷變壓器的絕緣情況。[3]（2）高頻（射頻）電流法，這種方法大多數在帶電操作時使用。（3）超聲波法，這種方法不僅能夠對故障發生的位置進行定位，還能夠測量放電量的變化。（4）超高頻法，通過利用UHF元件來收集故障點產生的超高頻電磁波并進行分析，然后來判斷變壓器的絕緣情況。（5）無線電干擾檢測法，該方法不僅能對故障點進行定位，而且還能根據信號的強弱對變壓器絕緣情況做初步的預測。（6）光檢測法，這種方法在使用時很容易受到其他信號的干擾。（7）色譜分析檢測法，目前這種方法也沒有準確的測量標準，只能用做一些預測。 通過對這些檢測技術進行使用特點對比分析，選擇了目前使用范圍最普遍的脈沖電流法

2.2 抗干擾設計

受到變壓器運行方式的影響，即使找到干擾源或者它的干擾路徑，也不能很好的處理干擾因素，因為在處理干擾的同時也會對其他裝置造成影響，從而發生更大的事故，所以，一般會選擇對信號進行加工，這樣就不會對其他裝置造成影響。首先要懂得區分被測信號和干擾信號。根據頻帶寬度的不同，一般會分為窄頻帶和寬頻帶兩種信號。窄頻帶信號由于只能通過低于范圍的頻帶，很多的寬頻帶信號是通不過的，如果用它來檢測寬頻帶信號時，會造成信號失真，導致信號的加工失敗。由于變壓器內部放電時產生的信號大部分是寬頻帶信號，所以寬頻帶信號中不僅有被測信號還有大量的干擾信號，從而使它收集被測信號的難度加大。面對這些干擾的解決辦法一般是：首先，解決連續周期信號的影響；然后，處理白噪聲的影響；再次，解決周期性脈沖信號的影響；最后，解決隨機性脈沖信號的影響。隨著時代的進步，相關技術在局放中的使用也越來越頻繁，最重要的是這些技術還能得到很好的成果。

3 傳感器的設計

3.1 傳感器的結構

脈沖電流傳感器的一次側為一匝，二次側為多匝。磁芯材料選擇鐵氧體，如，它使用范圍是5kHz-13MHz，相對磁導率。等效電路圖如圖1。

在圖1中，M為線圈的互感；k為副邊線圈的自感； C2為線圈的等效雜散電容：RL為線圈的等效電阻；R2為線圈的負載電阻；Ut為由于互感產生的電勢；U0（t）為線圈負載電阻上的電壓。

3.2 結構參數對頻率特性的影響

在一個鐵氧體做的環形鐵芯上緊密均勻的繞著線圈，傳感器的鐵心截面多數是矩形或者是圓形。

設環形鐵心的平均直徑為D（m），I被測脈沖電流為I（A），線圈匝數為N，鐵心圓形截面直徑為d（m），線圈的內阻為 。

下限頻率：

上限頻率：

現在以鐵芯平均直徑，，，pF例，使用Matlab軟件，進行仿真計算，作出鐵心橫截面直徑在、、三種情況下的幅頻和相頻曲線，觀察曲線的變化規律。如圖2所示。

3.3 線圈匝數N頻率特性

選取，，，，選取線圈匝數四種不同狀態N=30、50、70、100下的頻率特性曲線，如圖3所示。

3.4 負載電阻R2頻率特性

選取，，，，改變負載電阻的值，選擇負載電阻五種不同狀態、、、、下的頻率特性曲線，如圖4所示。

3.5 電容C2頻率特性

取，，，，選取雜散電容、、、四種狀態下的幅頻和相頻曲線，觀察曲線的變化規律。

如圖5所示，僅有傳感器的高頻特性隨著雜散電容的變化而變化。隨著增大，上限截止頦率越來越小，通頻帶寬越來越窄，顯然靈敏度也會越來越低，相位頻率特性曲線的線性度越來越差。生活中是傳感器的本質特征，由傳感器本身來決定，所以在生產時盡量降低。

通過分析了傳感器結構中的鐵芯橫截面直徑d、線圈匝數N、負載電阻R2及雜散電容C2與傳感器幅頻和相頻特性的關系，進一步確定傳感器的優化參數，并分析了它們自身對傳感器的影響，其中雜散電容C2是傳感器固有的特性，是由材料和制作過程決定的，所以在制作時應注意材料的選擇和制作的工序要精心，最大程度的減少C2。

4 傳感器參數的確定

4.1 鐵心橫截面直徑的確定

從圖2能得到，隨著d逐漸變大，下限截止頻率越來越小，通頻帶寬越來越寬，傳感器的靈敏度逐漸下降；反之，下限截止頻率越來越大，通頻帶寬越來越窄，靈敏度逐漸升高。在生產時，d過小，鐵心的橫截面積就小，傳感器骨架硬度下降，使制作過程更加困難。d過大，不但會使靈敏性能大幅度減小，而且頻率過小，傳感器就會測量到其他不相干的干擾信號，給傳感器獲得需要的放電信號的獲取難度增大。根據仿真結果取合適。

4.2 匝數的確定

線圈匝數N與頻率特性的關系，也可以看成是自感L2和互感M與相頻、幅頻特性關系。如圖3所示，越大，則自感和互感越大，傳感器的通頻帶寬就越寬，相位變化幅度越大，靈敏度就越小；反之則靈敏度和增益越大，相位變化越平穩。當～70時，傳感器的各項參數都滿足要求，相位也沒有發生太大的變化，所以，取N=50。

4.3 負載電阻R2的確定

由圖4可看出，負載電阻越小，增益和靈敏度越小，相位變化也越平穩。反之越大，通頻帶寬變窄，增益和靈敏度變大，不管負載電阻怎么樣變化其中心頻率是不變的，相位幅度改變越大；在取～時，這個范圍內的曲線相對合適。所以，取。通過對鐵芯橫截面直徑、負載電阻、雜散電容和線圈匝數與傳感器的幅頻和相頻變化的關系分析，總結了它們各自與傳感器的幅頻和相頻之間的變化規律，依據前面對局部放電脈沖電流傳感器的各項參數的仿真結果進行對比，獲得了本課題的最終參數：，PF仿真得N=50，，。由此獲取了優化后的頻率特性曲線，如圖6所示。

5 結論

若要變壓器在線檢測電脈沖傳感器滿足頻帶寬、靈敏度高和誤差低等條件，必須考慮負載電阻的影響，并且考慮電路中除了自感的互感的影響。若鐵芯的平均直徑和相對磁導率是確定的，可以通過改變鐵芯橫截面直徑、負載電阻和線圈匝數，能得到適合的傳感器的通頻帶寬和靈敏度要求。最大程度的降低電容，以減弱電容對通頻帶寬的影響。

參考文獻：

[1]李哲.電力變壓器故障診斷方法應用研究[J].科技創新與應用，2015（17）：159.

[2]朱有志.試論220千伏變壓器局部放電水平[J].科技與企業，2015（21）：246.

[3]何立濱.淺談如何進行變壓器試驗[J].黑龍江科技信息，2013（31）：77.

作者簡介：趙曉艷（1982-），女，內蒙古通遼人，碩士，助教，研究方向：電氣工程。