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变压器局放在线监测中的现场干扰分析
    


      0  概 述


      众所周知,对变压器绝缘状况进行评价的有效手段包括局部放电试验 [ 1 ~ 2 ] 和油中溶解气体分析。但是,现场环境中局放信号的提取较为困难,干扰有时比局放脉冲信号强 2 ~ 3 个数量级,在线情况下提取局放信号较为困难。因此,如何有效地识别和抑制干扰,获得可靠的局放信号就成为局放在线监测中的重要研究课题。


      为了最大限度地抑制干扰,需要对干扰的种类和特征有一个清楚的认识。本文对某发电厂一台 500 kV 变压器进行了离线和在线试验,测量了不同测点的干扰情况,其中包括变压器低压供电系统中的干扰,分析了干扰的种类和特点,为抑制各种类型的干扰提供了有效的依据。


      1 试验方案和回路


      测试系统的接线及传感器的安装位置见图 1 。单相 500 kV 变压器的电流传感器的安装位置包括: 500 kV 套管末屏、铁芯、夹件及中性点接地引下线、外壳地线。为有效测量外壳地线上的信号,变压器外壳应尽量减少接地点。


      

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      图 1  单相 500 kV 变压器电流传感器安装位置及试验接线图


      整个测试系统由传感器、放大器、测量箱和笔记本电脑组成。传感器为有源宽带高频,放大倍数分 ×10 和 ×50 两档,频带为 3 k ~ 1.2 MHz 。为了保证合适的测量范围,除传感器放大外还有一单独的放大器组,放大倍数分为 4 档,最大放大倍数为 16 。测量箱为工控级,主要为了防止现场电磁干扰,测量箱内主要部件为一最高采样速率达 10 Hz , 12 数据位,存储容量为 1 M 的高速 A/D 卡。试验数据可通过标准接口上传到笔记本电脑。


      2  试验结果及分析


      2.1  停电试验同带电试验的比较


      在设备停电状况下,我们对变压器中性点等 5 个测量点的干扰信号进行了测试。此时中性点测到的数据时域波形及频谱分析见图 2 。


      此时标定系数为 3 800 pC ,现场最大干扰水平约为 5 300 pC 。由频谱分析可看出,信号在 899 kHz 频段最突出,此外,在 164 、 156 、 428 和 196 kHz 附近能量也比较集中。在其它测量点也可得到类似的结论。 899 kHz 频段属于地方广播电台所用的频段,其余均为厂用频段。


      

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      图 2  停电情况下中性点处的时域波形和频谱分析


      运行情况下同样的试验的时域图及频谱分析见图 3 。此时标定系数为 160 nC ,最大干扰水平约为 160 nC 。从时域波形可看出,在一个工频周期内会出现两组幅值很高的脉冲干扰,且极性相反并很有规律。这些干扰是由发电机励磁侧的可控硅动作时产生的,是脉冲周期性干扰。


      

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      图 3  运行情况下中性点处的时域波形和频谱分析


      由频谱分析可知,在线测量信号的频带主要在 500 kHz 以下并且分布较宽。停电时最强的频段 899 kHz 几乎测不到,说明在线时的干扰要比离线时大得多。能测到的窄带频段包括厂用的通讯频段 164 、 64 、 438 k 、 156 kHz ;在 374 、 328 k 、 219 kHz 等处的能量也比较集中,这些频段的出现和现场环境有关。此外在 220 ~ 300 k 、 720 ~ 850 kHz 区间出现了明显的宽频特征,说明有脉冲型信号出现。宽带信号的主要来源可认为是发电机的励磁系统,表现为脉冲周期性干扰。这对于确定合适的抗干扰措施有较大帮助。同样,在其它测量点我们也可得到类似的结论。


      2.2 可控硅产生信号分析


      可控硅动作是脉冲周期性干扰的主要来源,其波形见图 4 。它是 <1 MHz 的宽频信号 ( 受传感器限制 ) ,脉宽~ 30 μs ,能量相对集中在 200 ~ 300 kHz 和 700 ~ 900 kHz 频段,同前分析结果相吻合。由此证明,可控硅产生的脉冲周期性干扰是在线测量情况下的主要干扰源。


      

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      图 4  用传感器测的可控硅数据的时域波形和频谱分析


      为了进一步提高可控硅信号的分辨率和得到真实的波形,还采用了频带宽度可达 100 MHz,最高采样率可达 1 GHz 的数字示波器来采样。测量点位于电厂励磁间内可控硅的输出端。其波形和频谱分析见图5。


      从时域波形可看出,脉冲波形的持续时间约为 30 μs ,为衰减振荡波;信号的频谱主要集中在 500 k 以下,与文[ 3 ]同,但与测量箱测量的结果略有差异。分析认为,由于测量点不同,可控硅动作产生的信号从低压侧到高压侧如中性点处有一段传输路径,这样波形会发生畸变。


      

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      图 5  用示波器测的可控硅动作时的时域波形和频谱分析


      2.3  不同测量点的灵敏度分析


      在本次试验中,选用了 5 个测量点进行信号采集,这些测量点分别是 500 kV 套管末屏接地引下线、铁芯、夹件及中性点接地引下线及外壳地线。对这些测量点的灵敏度进行比较,有利于确定在线情况下的主监测点及提高在线监测系统的灵敏度。


      确定灵敏度的常规方法为:在某一测量点注入已知幅值的方波,比较其它测量点的响应,幅值响应最大者为灵敏度最高。本次试验中,分别从变压器 500 kV 套管末屏接地引下线和中性点接地引下线处注入方波,比较不同测量点的响应。在下面的事例中,注入的方波大小约 10 nC ,分别列出响应幅值最高和最低的情况。


      由图 6 可看出,不同测量点的响应情况不同。从 500 kV 套管末屏接地引下线注入时,夹件引下线的响应最强烈 ( 见图 a) ,铁芯引下线次之,其次为中性点接地引下线,外壳地线上的响应幅值最小 ( 见图 b) 。夹件处是人们常常忽略的一个测量点,试验中它的响应最灵敏,可能同变压器的结构有关。


      

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      图 6  末屏注入时的夹件标定波形图和外壳标定波形


      2.4  动力电源线上的干扰对信号测量的影响


      分析变压器附件 380 V 动力线上信号的目的有两点: a) 看风扇等变压器附属低压设备的启动对其测量点信号的干扰有多强烈; b) 为了分析配电线路来的各种干扰是否同其测量点信号有一定的对应关系。从理论上讲,由于监测点的测量信号中很多干扰脉冲来自动力线等配电线路,动力电源线上的很多脉冲与变压器接地线上的脉冲干扰在时间上应有一定的对应关系。


      在离线情况下分别记录并分析了风扇在启停状态下的信号。从时域来看,风扇启停对信号幅值影响不大。从频域来看,风扇启动后会增加 8 ~ 25 kHz 的成分但幅值较低,可以说变化不大。运行情况下也有同样的结论。


      图 7 为在动力电源线上和外壳上测到的可控硅动作波形。经过比较可知,由于信号的传播路径不同,动力电源线上的脉冲波形同接地线上的脉冲干扰有一种可类比的相似关系。其波形已经完全不一样,脉冲波形的时间长度也不相同,同时相位不是一一对应。但是,从广义上讲,仍然具有一定的对应关系。


      3  小 结


      a. 变压器现场干扰在停电情况下以厂用通讯频段和地方广播频段组成的窄带干扰为主;在运行情况下,以发电机励磁侧产生的脉冲周期性干扰为主,从量值上来讲也大得多。


      b. 脉冲周期性干扰是宽频干扰,且能量集中在 300 kHz 以下。从工程测量的角度看,整个频率分布范围为 0 ~ 900 kHz 。


      c. 变压器的夹件可作为一个灵敏度较高的测量点。


      d. 通过对低压动力线上干扰的分析,可知它同其它测量点的信号有一定的对应关系。但把它引入到脉冲干扰的抑制方法中还需做进一步的工作。


      参考文献


      1, Wenzel D et al. Partial discharge measurement and gas monitoring of a power transformer on-site. CIGRE 33-96 (WG 03)


      2,董旭柱等. 固定式变压器在线监测系统 . 清华大学学报 ( 自然科学版),1997,37(9) 33


      3,董 毅. 汽轮发电机定子绕组局部放电在线监测技术的研究:博士后论文 . 北京:清华大学电机系, 1998


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