变压器局部放电超高频电磁波信号频率特性的研究道

变压器局部放电超高频电磁波信号频率特性的研究道 科学之友 Friend of Science Amateurs 2012 年 04 月 变压器局部放电超高频电磁波信号频率特性的研究 张潇哲 (中石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540) 摘 要:由于超高频检测法具有频带宽、信息量大、抗干扰能力强等优点，近年来得到 了广泛应用。文章针对变压器油纸绝缘内部气隙放电模型，通过微带天线传感器接收局 部放电脉冲电流激发的超高频电磁波信号，研究了超高频电磁波的时域和频率特性。通 过分析得到以下结论:局部放电超高频电磁波信号幅值与脉冲电流幅值成正比关系，超 高频电磁波信号能量与脉冲电流幅值的平方成正比关系;随着传播距离的增加，电磁波 中某些低频段和高频段的能量逐渐消失。 关键词:变压器;局部放电;电磁波 中图分类号:TM855 文献标识码:A 文章编号:1000,8136(2012)11,0006,031 引言 上下两层绝缘纸板厚度为 5 mm，中间绝缘纸板厚度为 1 mm，且 在中间层绝缘纸板的几何中心开有直径为 6 mm 的圆孔。所使 变压器内部发生局部放电时，产生纳秒级的脉冲电流，激 用的平板电极高压端电极直径 5 cm，地端电极直径 6 cm。发的超高频电磁波向周围空间辐射，由于变压器内部结构复杂，通常电磁波在变压器内部传播时要经过多种不同的组合介质，在组合介质交界处电磁波会发生反射和折射，以及衰减。这些都增加了变压器局部放电检测的难度，所以，深入研究局部放电超高频电磁波的传播特性十分必要〔1,5〕。 通过对局部放电脉冲电流激发的超高频电磁波信号的传播途径以及其他因素对测量结果的影响进行分析， 以空间中内部气隙放电模型为试样，通过微带天线传感器接收脉冲电流激发的超高频电磁波信号，分析实验数据，研究电磁波信号的频率特性。2 实验模型 图1 内部气隙放电模型 油纸绝缘是油浸式变压器内绝缘的重要组成形式，随着输电电压等级的不断提高，变压器内油纸绝缘结构的某些薄弱环 油纸绝缘内部气隙放电模型具体的制备过程如下:?按照节就会产生局部放电， 从而对变压器设备产生很大的破坏作用， 设计尺寸剪裁绝缘纸板，同时在中间层绝缘纸板的几何中心剪导致变压器运行出现故障。因此，本文选取油纸为原材料制作 出一个圆孔;?用专用的砂纸打磨光滑圆形纸板周围各边及孔实验试样，用来研究变压器内油纸绝缘的局部放电。 洞的边缘，去除纸板突出的毛刺或尖角等;?将打磨好的绝缘 变压器内部油纸绝缘的局部放电可以分为气隙、油隙、沿 纸板放入真空浸油箱中，在温度 90 ?、气压 50 Pa 的条件下干面、电晕放电等几种类型〔3，6〕。其中气隙放电还可以分为绝缘 燥 48 h，以除去纸板中的水分;?将绝缘纸板粘接在一起。注纸板中气隙放电模型和油中气隙放电模型。本文制备并使用的 意在粘接时粘接剂用量不宜太多，以免影响孔洞效果，粘接好是典型的油纸绝缘结构内部气隙放电模型，见图 1。该放电模型 后用重物压紧 12 h，以确保粘接可靠;?将粘接好的试品浸入由 3 层绝缘纸板粘接而成，平面尺寸均为直径为 60 mm 的圆形， 已经干燥祛气处理过的变压器油中，浸泡 48,78 h 后方可使用。 1 1 1 参考文献 ?当 ED//AB 时， ; PM AM BM 〔1〕张殿书.和圆中内接碟形相关的系列有趣性质〔J〕.数学通 ?当 ED//AB//CF 时，AM,BM。 报，2011(9):58,60. 射影几何将文〔1〕的定理 1,4 统一起来，并且给出新结 〔2〕朱德祥.高等几何〔M〕.北京:高等教育出版社，1983.论，对于蝴蝶定理的认识起到积极作用。 :12. 〔3〕赵临龙.蝴蝶定理的最终形式〔J〕.数学教师，1995(4) (编辑:王昕敏) In two curves the discussion of butterfly axioms Zhang Mei Wang Tan Zhao LinlongAbstract: The exploitation projects image several what relevant the line tie and order handing over of row than the relation and give the linesegment of butterfly axioms mean a form in the middle of two curves.Key words: butterfly axioms Two curves The line ties Order row Hand over a ratio, 6 ,科学之友 Friend of Science Amateurs 2012 年 04 月3 局部放电超高频电磁波传播特性的研究 制出 100 组正向脉冲电流数据下，脉冲电流信号幅值与超高频 本章首先对脉冲电流与超高频电磁波在时域中的关系作了 电磁波信号能量的描点图，以及 110 组负向脉冲电流数据下，脉分析，包括脉冲电流幅值与超高频电磁波幅值、脉冲电流幅值 冲电流信号幅值与超高频电磁波信号能量的描点图，然后将其与超高频电磁波能量之间的关系，类似的工作在文献〔7〕中也 合并到一张图中，见图 5。进行了研究，得出了类似的结论。之后研究了超高频电磁波在 0 .1 6 -9 3 .5 x 1 0 0 .1 4 -9 3 .0 x 1 0时域内的传播特性，主要是其幅值随传播距离的增加所发生的 电磁波信号电压峰值/V 0 .1 2 -9 2 .5 x 1 0 电磁波信号能量/W 0 .1 0变化。最后通过改变天线传感器的安装角度以及与局部放电源 -9 2 .0 x 1 0 0 .0 8 -9 1 .5 x 1 0 0 .0 6之间的距离，研究超高频电磁波在频域范围内的传播特性。 0 .0 4 1 .0 x 1 0 -93.1 脉冲电流与超高频电磁波的时域关系 -1 0 0 .0 2 5 .0 x 1 0 0 .0 0 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 脉 冲 电 流 电 压 峰 值 /V 脉 0 .0 -8 冲 电 流 电 压 峰 值 /V 图4 脉冲电流幅值与超高频 图5 脉冲电流幅值与超高频 电磁波幅值的描点图 电磁波能量的描点图 对图 5 进行线性拟合，使用二次函数 Y,A，BX，CX2， 结果 如图 5 中抛物线所示。系数及误差见 2，其中 A1、B1、C1 表示 图2 正向电流脉冲与超高频电磁波时域波形 负向电流脉冲情况下的 ， 数据点个数为 110 个，拟合标准偏差为 拟合系数，此时相关系数值为 0.995 05 5.583 39E,11;A2、B2、 C2 表示正向电流脉冲情况下的拟合系数，此时相关系数值为 0.988 98，数据点个数为 100 个，拟合标准偏差为 6.320 42E,11。 表2 图 4 的线性拟合系数值及误差 系数 数值 误差 图3 负向电流脉冲与超高频电磁波时域波形 A1 1.386 2E,10 1.935 79E,11 连接好检测系统线路后，将制备好的油纸试样固定到平板 B1 4.707 48E,11 1.014 03E,11电极上，水平放置天线传感器，距离局部放电源 5 cm，通过高 C1 4.701 81E,11 1.172 12E,12压试验变压器逐渐增加电极两端的电压，直至示波器上出现局 A2 1.145 57E,11 3.684 76E,11部放电的脉冲电流信号，调节示波器选项直至显示屏上出现合 B2 2.628 79E,12 1.700 53E,11适的脉冲电流波形和超高频电磁波信号波形，分别在正向脉冲 C2 4.211 14E,11 1.903 12E,12电流(见图 2)和负向脉冲电流(见图 3)情况下各记录下 100 3.4 超高频电磁波频域传播特性组和 110 组波形数据。 由于脉冲电流激发的电磁场由两部分组成，分别是辐射产3.2 脉冲电流幅值与超高频电磁波幅值的关系 生的电磁场和感应产生的电磁场，其中感应场包含大量的低频 通过软件 Wavestar 将示波器上显示的波形数据传至计算 分量，由于感应场只在近场范围内存在，所以随着传播距离的机，通过 Matlab 应用软件进行数据分析，首先取出每组数据中 增加，电磁波的低频能量也在不断消失。下面的两组试验便是脉冲电流信号与超高频电磁波信号的幅值， 然后分别绘制出 100 针对这一理论而设计，用来研究频域范围内超高频电磁波的传组正向脉冲电流数据下，脉冲电流信号幅值与超高频电磁波信 播特性。号幅值的描点图，以及 110 组负向脉冲电流数据下，脉冲电流 3.4.1 不同距离下水平放置天线的检测结果信号幅值与超高频电磁波信号幅值的描点图，并将其合并到一 连接好检测系统线路，将制备好的油纸试样固定到平板电张图中，见图 4。 极 上，水平放置天线传感器，距离局部放电源 5 cm，通过高压 对图 4 进行线性拟合， 使用一次函数 Y,A，BX， 结果如图 试验变压器逐渐增加电极两端的电压，直至示波器上出现局部4 中直线所示。系数及误差见表 1，其中 A1、B1 表示负向电流 放电的脉冲电流信号， 调节示波器使屏幕上显示出合适的超高频脉冲情况下的拟合系数，此时相关系数值为,0.996 58，数据点 电磁波信号波形。记录下 20 组波形数据，然后在不改变电极两个数为 110 个，拟合标准偏差为 0.003 56;A2、B2 表示正向电 端电压的条件下改变微带天线位置， 使之距离局部放电源 10 cm，流脉冲情况下的拟合系数，此时相关系数值为 0.992 03，数据 调节示波器至屏幕上显示出合适的波形， 记录下 20 组波形数据，点个数为 100 个，拟合标准偏差为 0.001 97。 之后以此类推，分别在 30 cm、60 cm、90 cm、120 cm 的距离 表1 图 3 的线性拟合系数值及误差 位置处测得 20 组波形数据，见图 6。 系数 数值 误差 A1 ,0.004 4 7.714 28E,4 B1 ,0.019 69 1.571 9E,4 A2 1.026 59E,4 6.187 85E,4 B2 0.009 86 1.265 24E,4 图6 天线传感器水平放置检测 通过图 4 及相关拟合参数可以看出，电流脉冲信号的幅值与超高频电磁波信号的幅值近似成直线关系，即超高频电磁波 通过软件 Wavestar 将数据保存至计算机，然后使用 Matlab信号的幅值正比于电流脉冲信号的幅值。 软件进行分析处理，首先采用 detrend 函数去除原始数据中的直3.3 脉冲电流幅值与超高频电磁波能量的关系 流分量，然后对原始的时域波形数据作功率谱变换，从而得到 将波形数据传至计算机，通过 Matlab 应用软件进行数据分 超高频电磁波频域范围内的波形。为了更清晰地描述超高频电析，首先计算出每组超高频电磁波信号的能量值，然后分别绘 磁波频域范围内的传播特性，对功率谱采用归一化处理的方式， , 7 ,科学之友 Friend of Science Amateurs 2012 年 04 月将每组波形数据除以该组数据中的最大值，得到的结果见图 7。 置的情况下，超高频电磁波频域范围内的波形，之后采用归一 化处理的方式，结果见图 9。 .