江天炎，陳 曦，畢茂強

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054)

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羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號仿真試驗研究

江天炎，陳 曦，畢茂強

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 重慶 400054)

勵磁變壓器的安全運行是發(fā)電機組系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提，其低壓繞組由于運行工況惡劣，繞組絕緣極易發(fā)生局部缺陷。局部放電在線監(jiān)測是檢測其絕緣缺陷的有效方法，但極易受到外部脈沖信號干擾。對羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號進行了仿真試驗研究，首先分析了勵磁變壓器低壓繞組承受的電壓波形，闡述了其絕緣發(fā)生劣化的過程，并提出了勵磁變壓器局部放電在線監(jiān)測方法。針對勵磁變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的安裝位置，采用EMTP軟件建立了羅氏線圈檢測勵磁變壓器中干擾脈沖信號的仿真模型，分析了其采集的外部干擾脈沖信號的波形特征，最后在現場對外部干擾信號進行了模擬試驗驗證。結果表明：提出的仿真模型與現場試驗基本吻合，為勵磁變壓器局部放電信號的去噪及故障診斷奠定了一定的基礎。

勵磁變壓器；局部放電；脈沖干擾信號；羅氏線圈；故障診斷

勵磁系統(tǒng)是發(fā)電廠的重要環(huán)節(jié)，勵磁變壓器是為大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供三相交流勵磁電源的裝置，其安全運行是發(fā)電機組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提[1-2]。勵磁變壓器低壓繞組絕緣承受著交流電壓、高次諧波和直流電壓分量的共同作用，其電場分布極其復雜，其內部絕緣在這種電場環(huán)境下運行極易發(fā)生局部放電現象[3]，因此對其進行局部放電在線監(jiān)測，對于勵磁變壓器及整個電力系統(tǒng)的可靠運行具有重要意義[4-5]。

高壓電氣設備局部放電監(jiān)測始于1940年初期[6]，采用羅氏線圈對電氣設備局部放電脈沖電流信號進行監(jiān)測，是使用最廣泛的一種方法。該方法通過羅氏線圈檢測電氣設備引出線或者接地線上由于局部放電引起的脈沖電流，得到局部放電的放電量等特征量的評估分析結果[7-11]。國際電工委員會(IEC)專門為這種方法制定了IEC60270檢測標準[12]。20世紀80年代有學者將羅氏線圈電流傳感器用于監(jiān)測電機定子繞組的局部放電[13]，隨后其被廣泛應用于電力電纜[14]、架空配電網絡[15]、勵磁變壓器[16]的局部放電監(jiān)測。

研究表明：羅氏線圈電流傳感器在監(jiān)測電氣設備局部放電信號時易受窄帶周期干擾、白噪聲及隨機脈沖信號的干擾[16]。窄帶周期干擾可以用一定帶寬的濾波器濾除，白噪聲可以采用小波等有效手段去除，隨機脈沖信號干擾可用聚類等方法分類[17]。發(fā)電機槽部、端部和內部等處極易產生幅值較大的局部放電信號，該信號傳播到勵磁變壓器繞組中，會被局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測到，相當于有幅值較大的隨機脈沖信號影響羅氏線圈電流傳感器的檢測精度，干擾局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的診斷結果。

本文針對羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號進行了仿真試驗，首先分析了勵磁變壓器低壓繞組承受的電壓波形，闡述了其絕緣發(fā)生劣化的過程，并提出了勵磁變壓器局部放電在線監(jiān)測方法；采用EMTP軟件對外部脈沖干擾信號在勵磁變壓器內部的傳播特性進行了仿真分析，并對羅氏線圈采集的信號進行分析；最后在現場對外部干擾信號進行了采集試驗驗證。結果表明：可以通過脈沖信號的波形特征辨別勵磁變壓器中的局部放電信號與外部脈沖干擾信號。

1 低壓繞組絕緣局部放電分析

1.1 低壓側繞組電壓分析

勵磁變壓器是發(fā)電廠的重要電氣設備之一，近年來新建電廠發(fā)電機組的勵磁方式已經由傳統(tǒng)的旋轉交流勵磁方式向靜止自勵勵磁方式轉變，發(fā)電機靜止自勵方式勵磁系統(tǒng)的基本原理如圖1所示[1]。這種方式采用勵磁變壓器并聯(lián)在發(fā)電機出線上，通過降壓和整流裝置將交流電整流成直流電，再輸入電機勵磁線圈產生發(fā)電機所需的磁場。

勵磁變壓器通過可控硅整流后為發(fā)電機提供直流勵磁電流，其低壓側繞組除了承受交流電壓外，還含有高次諧波和直流電壓分量。此外，可控硅整流器在控制通斷時，會有脈沖電壓施加于低壓繞組上，其承受的實際電壓波形可參考文獻[2]。勵磁變壓器低壓繞組在交流、直流、諧波和脈沖電壓的共同作用下，其絕緣極易發(fā)生損壞進而發(fā)生局部放電，在實際運行過程中應對其進行局部放電在線監(jiān)測。

G.發(fā)電機； T.勵磁變壓器

1.2 勵磁變壓器局部放電在線監(jiān)測方法

勵磁變壓器局部放電在線監(jiān)測方法是在其每相的低壓母排上安裝一個電流傳感器。該電流傳感器由羅氏線圈構成，其中心諧振頻率為500 kHz左右，3 dB帶寬約100 kHz。電流傳感器的現場安裝應給予高度的重視，因為這不僅關系到傳感器的運行安全性和可靠性，也關系到傳感器的檢測靈敏度和抗干擾能力。其在某發(fā)電廠#1勵磁變壓器現場安裝示意圖如圖2所示。

圖2 電流傳感器的現場安裝示意圖

首先，在勵磁變壓器低壓母線排上套上10 kV絕緣熱縮套管以保障脈沖電流傳感器屏蔽殼與勵磁變壓器低壓母線的絕緣，傳感器屏蔽殼與傳感器線圈及輸出電纜間的絕緣可耐受交流電壓4 kV；然后，將脈沖電流傳感器安裝于低壓母線排上；最后，用同軸電纜將電磁傳感器信號接入局部放電監(jiān)測系統(tǒng)控制箱內。

2 脈沖干擾信號仿真分析

2.1 勵磁變壓器脈沖干擾信號來源

勵磁變壓器局部放電監(jiān)測中外部脈沖干擾的主要來源如圖3所示。

一方面，可控硅整流器在整流時會產生周期脈沖信號(圖中電流i2(t))，該信號幅值很大且具有一定的周期性，在局部放電信號處理的過程中需對其進行硬開窗處理，因此本文對其傳播特性不做研究。

圖3 勵磁變壓器局部放電監(jiān)測脈沖干擾來源

另一方面，大型發(fā)電機槽部、端部和內部等處極易發(fā)生大的局部放電，如圖3中脈沖電流i1(t)沿高壓母線傳播，通過勵磁變壓器高低壓側繞組間的耦合電容傳遞到羅氏線圈處。該信號幅值很大，但是由于母線很長，且母線和勵磁變壓器具有很大的電容，因此到達電流傳感器時此信號幅值會發(fā)生很大的衰減，其波形也會發(fā)生畸變。此類脈沖信號沒有周期性，隨機出現在局部放電信號中，該信號波形與勵磁變壓器內部局部放電在幅值上相差不大。因此，這給判斷勵磁變壓器內部是否發(fā)生局部放電造成了很大的困難。

2.2 EMTP仿真模型及結果分析

本文基于某發(fā)電廠#1發(fā)電機組發(fā)電系統(tǒng)，采用EMTP軟件對脈沖信號在勵磁系統(tǒng)中的傳播特性進行了仿真試驗研究。發(fā)電機高壓出線端到電力系統(tǒng)如圖4所示，發(fā)電機到廠用升壓變壓器的距離約為100 m，到勵磁變壓器的距離約為30 m，整個勵磁變壓器和電力系統(tǒng)都可以看成是一個電容。

圖4 發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖5為研究羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號的EMTP仿真電路(根據圖3與4建立)，仿真過程中母線及勵磁變壓器都處于理想狀態(tài)。U為一脈沖電壓源，模擬發(fā)電機產生的局部放電信號，其上升沿時間常數為10 ns，下降沿時間常數為20 ns，幅值為1 V(如圖6所示)；母線為單導線的等值集中參數電路，其對地電阻由于非常小，故忽略不計，簡化模型如圖5所示。r0為母線的單位電阻，其值約為0.072 32 Ω/m，L0為母線的單位電感，其值約為0.921 03 μH/m，C0為母線的單位對地電容，其值約為12.064 pF/m。母線長約100 m，其中點1、2之間的距離為30 m，點2到發(fā)電廠升壓變壓器之間的距離約為70 m。點2與勵磁變壓器的高壓繞組相連接，當高頻信號流過勵磁變壓器時，勵磁變壓器可等效為理想式分布電容電路，高壓繞組與低壓繞組之間采用耦合電容進行連接。CT為發(fā)電廠其他部分的等效電容(約為0.5 μF)，檢測阻抗采用RLC等效電路代替，其中電阻、電感、電容值分別為50 Ω、0.005 mH、0.003 μF。監(jiān)測點1、2、3分別為發(fā)電機、勵磁變壓器高壓繞組及檢測阻抗(即理想寬頻帶羅氏線圈)的安裝位置，經高壓母線傳播的外部脈沖干擾信號經過高、低壓繞組間的耦合電容傳播到勵磁變壓器低壓繞組側，進而被局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采集。

圖5 發(fā)電機局部放電信號傳播特性EMTP電路

采用EMTP軟件對該電路模型進行計算分析，點3的電壓波形(即電流傳感器采集的干擾信號)如圖7所示?？梢姲l(fā)電機的局部放電信號(即外部干擾脈沖信號)經過母線及勵磁變壓器的振蕩后，變?yōu)橐环迪仍龃蠛笾饾u衰減的振蕩波。而文獻[18]指出：變壓器內部局部放電信號為一幅值逐漸衰減的振蕩波，羅氏線圈傳感器采集的外部脈沖干擾信號的波形特征與局部放電信號的波形特征具有明顯的區(qū)別。

圖6 脈沖電壓源信號

圖7 電流傳感器檢測到的發(fā)電機局部放電信號

3 脈沖干擾信號的實測信號分析

為了驗證本文提出的仿真模型，在某電廠#1勵磁變壓器進行了現場驗證試驗，試驗在發(fā)電系統(tǒng)投運前進行。分別在發(fā)電機處及勵磁變壓器內部注入一放電脈沖(如圖8所示)，其方波發(fā)生器輸出電壓為10 V，上升沿為30 ns，方波發(fā)生器端接入50 pF的電容，即注入500 pC的電荷(q0=u0C0[18])，采用安裝于低壓母線上的羅氏線圈對脈沖信號進行采集，勵磁變壓器A相采集的時域信號波形及歸一化功率圖譜分別如圖9和10所示。結果表明：若勵磁變壓器內部發(fā)生局部放電，羅氏線圈采集的局部放電信號為一幅值逐漸減小的衰減振蕩波，而羅氏線圈采集的外部脈沖干擾信號為幅值先增大后逐漸減小的振蕩波，其與局部放電信號有很大的差別；局部放電信號及外部脈沖干擾信號的頻譜都集中于400 kHz左右，與羅氏線圈的中心頻率相吻合，局部放電信號的頻譜較為規(guī)則，而外部脈沖干擾信號的頻譜經過勵磁變壓器繞組傳播后，在650 kHz附近也有能量分布，與局部放電信號的頻譜也有著明顯的區(qū)別，這些為局部放電脈沖信號的有效識別提供了必要條件。

圖8 現場信號采集示意圖

圖9 局部放電信號及歸一化頻譜圖

圖10 外部放電脈沖干擾信號及歸一化頻譜圖

4 結束語

本文提出了一種研究羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號仿真試驗方法。首先分析了勵磁變壓器低壓繞組絕緣承受的電壓，提出了勵磁變壓器的局部放電在線監(jiān)測方法。然后采用EMTP軟件建立研究外部脈沖干擾信號在勵磁變壓器內部傳播特性的仿真電路模型，分析了羅氏線圈采集的外部脈沖干擾信號的波形特征。最后在現場進行了局部放電測試試驗研究。試驗結果表明：本文提出的仿真模型可以有效模擬外部干擾脈沖信號在勵磁變壓器中的傳播特性，對分析勵磁變壓器局部放電信號具有一定的指導意義，為勵磁變壓器局部放電信號的去噪與故障診斷奠定了基礎。

由于篇幅有限，本文僅對勵磁變壓器局部放電及外部隨機脈沖干擾的信號特征進行了仿真和試驗研究，后續(xù)工作將針對勵磁變壓器局部放電信號與外部脈沖隨機干擾信號進行聚類去噪研究。

[1] 廖瑞金,程渙超,陳輝,等.勵磁系統(tǒng)換向過電壓阻容保護裝置的仿真研究[J].高電壓技術,2007,33(7):26-29.

[2] 陳俊,王昀帆,嚴偉,等.勵磁變壓器低壓側單相接地故障在線識別方法[J].電力自動化設備,2014,34(11):149-152.

[3] 趙小瑩,廖虹煒.發(fā)電機勵磁變壓器幾個關鍵問題的分析[J].變壓器,2011,48(6):49-52.

[4] 王昌長，李福旗.電力設備的在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京：清華大學出版社，1996.

[5] 李曉峰,劉娟,覃紹先,等.基于IEC 61850的輸變電設備在線監(jiān)測中心的關鍵技術[J].高電壓技術,2010,36(12):3041-3046.

[6] WHITEHEAD J B,SHAW M R.The Detection of Initial Failure in High-Voltage Insulation[J].Transactions of the American Institute of Electrical Engineers,1941,60(6):267-272.

[7] 程養(yǎng)春,刁常晉,劉少宇,等.恒定電壓下油紙絕緣局部放電發(fā)展規(guī)律及缺陷狀態(tài)診斷[J].高電壓技術,2013,39(5):1061-1068.

[8] 廖瑞金,段煉,汪可,等.交流電壓下油紙絕緣針板放電特性[J].高電壓技術,2014,40(3): 648-654.

[9] 程養(yǎng)春,李成榕,岳華山,等.變壓器油紙絕緣針板放電缺陷發(fā)展過程[J].高電壓技術,2011,37(6):1362-1370.

[10]唐炬,林俊亦,卓然,等.基于支持向量數據描述的局部放電類型識別[J].高電壓技術,2013,39(5):1046-1053.

[11]高文勝,王猛,談克雄,等.油紙絕緣中局部放電的典型波形及其頻譜特性[J].中國電機工程學報,2002,22(2):1-5.

[12]International Electrotechnical Commission.High-Voltage Test Techniques-Partial DischargeMeasurements[S].Third edition,IEC 60270-2000,December,2000.

[13]WILSON A,JACKSON R J,WANG N.Discharge Detection Techniques for Stator windings[J].IEE Proceedings B Electric Power Applications,1985,132(5):234-244.

[14]ZHANG Z S,XIAO D M,LI Y.Rogowski Air Coil Sensor Technique for On-line Partial Discharge Measurement of Power Cables[J].IET Science,Measurement & Technology,2009,3(3):187-196.

[15]HASHMI G M,LEHTONEN M,NORDMAN M.Calibration of On-line Partial Discharge Measuring System using Rogowski Coil in Covered-conductor Overhead Distribution Networks[J].IET Science,Measurement & Technology,2011,5(1):5-13.

[16]李楠.發(fā)電廠勵磁變壓器局部放電在線監(jiān)測干擾抑制原理與方法研究[D].重慶:重慶大學，2010.

[17]LI J,JIANG T,GRZYBOWSKI S,et al.Scale dependent wavelet selection for de-noising of partial discharge detection[J].IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation,2010,17(6):1705-1714.

[18]葛景滂，邱昌容編.局部放電測量[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984.

(責任編輯 陳 艷)

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

國家自然科學基金資助項目(51507017); 重慶市能源互聯(lián)網工程技術研究中心專項

江天炎(1987—),男,江蘇鹽城人,博士,講師, 主要從事高電壓與絕緣技術研究，E-mail:jiangtianyan1987@163.com。

江天炎，陳曦，畢茂強.羅氏線圈檢測勵磁變壓器中脈沖干擾信號仿真試驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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