Two Types of Compact UHF Antennas for Partial Discharge Measurement

To investigate the partial discharge (PD) online monitoring of transformers by ultra-high-frequency (UHF) approaches,high-qualified UHF antennas are focused on as one key technique. The size of UHF sensor used for PD UHF online monitoring in transformer is excessively large,therefore,it is not convenient for internal installation of transformer. Two types of compact UHF antennas with small sizes,a Hilbert fractal antenna and a small loop antenna are presented. PD experiments of three typically artificial insulation defects are executed and both antennas are used for PD measurement. The spectra of power via frequency of detected PD signals are analyzed and compared. The experimental results show that the Hilbert fractal antenna and small loop antenna are qualified for PD online UHF monitoring.     

变压器局部放电检测用特高频传感器的结构参数对其幅频特性的影响

传感器是变压器特高频局放检测中的关键设备之一,阿基米德螺旋天线和平面等角螺旋天线是目前常用的特高频传感器,采用扫频法在吉赫横电磁波室内测量了一系列结构参数不同的这两种螺旋天线的幅频特性,并在空旷场地测量了它们的驻波比。测试结果表明:天线内外径尺寸对其幅频特性的影响比较明显;测试天线的驻波比小于2,能满足工程测试的要求;变压器局放检测应选用宽频带特高频传感器;平面等角螺旋天线适合应用于局放检测,阿基米德螺旋天线适合用于局放时延定位研究。     

变压器局部放电超高频信号的外部检测

电力变压器局部放电超高频检测法中一般将传感器安装于箱体内部,这对已投入运行的变压器来说是有潜在危害的。为此,先分析了变压器箱体对局部放电超高频电磁波传播的影响,探讨了接收天线外部检测超高频信号的可行性,再实验研究了局放超高频电磁波的外传播特性。结果表明,超高频电磁波可以透过变压器箱体夹缝衍射出来,外部检测到的超高频信号强度随着变压器箱体缝宽增大而增大;变压器套管附近安装接收天线也能检测到超高频信号。     

On line PD measurements and diagnosis on power transformers

On line partial discharge (PD) measurements provide information on the dielectric integrity of the high voltage insulation of oil insulated power transformers during service. These PD measurements are performed using a broadband antenna on an oil valve and UHF detection of PD signals. The sensitivity of this new detection technique is high and immunity for electromagnetic (EM) interference and corona discharges in air outside the transformer is very good. Dielectric faults can be detected in this way in an early stage of development and are classified in four categories. Automatic pattern recognition techniques of phase resolved pulse sequence (PRPS) data are very useful in risk assessment of dielectric faults.     

油纸屏障对变压器局部放电超高频检测信号的影响

受变压器内部复杂结构的影响,局部放电超高频信号在变压器内部的传播特性非常复杂。笔者通过变压器局部放电超高频实验研究,分析了油纸屏障对变压器局部放电被测超高频信号的影响。设计了油中气隙放电、油中沿面放电和油中电晕放电3种局部放电模型,在实验油箱中进行局部放电实验,采用超高频小环天线进行放电信号检测,在有无油纸屏障情况下获得了局部放电超高频信号实测数据,对所测局部放电超高频信号在时域和频域上进行了对比分析。结果表明,油纸屏障对超高频信号幅值衰减及信号功率谱有一定影响。     

变压器局部放电在线监测超高频Hilbert分形天线研究

论述了Hilbert分形天线基本原理,并根据分形天线电磁场理论,提出了应用于变压器局部放电超高频在线监测的Hilbert分形天线优化设计方法。通过仿真计算,研究了几何参数对Hilbert分形天线性能的影响,设计出用于变压器局部放电监测的3阶Hilbert分形天线。通过气隙放电、沿面放电、电晕放电3种典型变压器绝缘缺陷局部放电实验,采用分形天线和脉冲电流传感器对这3种局部放电进行了测量,并分析了分形天线的局部放电测量信号功率谱。实验结果证明该天线能够有效应用于变压器局部放电超高频在线监测。     

变压器局部放电超高频信号外传播特性的试验研究

介绍了目前内置超高频传感器在电力变压器局部放电监测中的应用情况,分析了利用外部传感器检测局部放电产生的超高频信号的可行性,设计了一套基于超高频法的电力变压器局放测量系统。实验结果表明,超高频电磁波可以透过变压器夹缝衍射出来,为变压器局部放电检测提供了一种新途径。     

Partial discharge study in transformer oil due to particle movement under DC voltage using the UHF technique

Converter transformers are one of the key components in high voltage DC power networks. The insulation of these transformers is stressed by both AC and DC voltages. Therefore, AC and DC voltage tests are routinely applied during factory tests to verify the performance of the insulation structure. Partial discharges in an insulation system are incipient discharges that can damage materials and may eventually lead to complete failure of the insulation system during operation. Recently it has been shown that monitoring such discharges formed under AC stress is feasible using Ultra High Frequency (UHF) measurement technique and that there is a reasonable correlation between the partial discharge magnitude and the amplitude of the UHF signal generated by partial discharges. However, the partial discharge activity under DC voltages is not fully understood. This paper describes a study using the UHF technique to improve our understanding of particle-induced partial discharge activity under DC voltages in mineral oil insulation. UHF signals generated due to conducting particle contamination in transformer oil under AC and DC voltages are compared and analyzed. A method for distinguishing particle discharges in regions of high or low electric field stress is proposed based on frequency-domain analysis of the measured UHF signal.     

局部放电检测用超高频天线的设计与性能对比

根据高压电力设备局部放电信号检测的需要,基于PCB技术设计并制作了四种不同原理和结构尺寸的超高频天线,仿真分析了其性能参数,检验所设计天线用于局部放电超高频检测法的可行性。利用矢量网络分析仪测试天线的端口特性,验证了天线的电压驻波比等参数。基于GTEM小室提供标准场,在不同工作频率下分别对四种天线样机的天线系数进行了标定,得到各天线系数的拟合公式与曲线。采用针-板放电模型作为局部放电源,基于脉冲电流法测量参考放电量,对所设计的天线进行了局部放电测试实验,采集天线接收到的局放信号波形。仿真和实验结果表明微带天线与缝隙天线工作带宽和增益较低;偶极子天线与螺旋天线在工作频带内损耗低、增益高、阻抗匹配效果较好,检测局部放电信号的效果良好。     

用超高频局部放电测量法实现电力变压器局部放电的在线监测

高频局部放电测量法(UHF法)与传统的脉冲电流法完全不同，它采集的被测信号为局部放电过程所产生的超高频电磁波：利用UHF法可有效解决电力变压器局部放电在线监测中的抗干扰问题。文中结合变压器结构设计的放油阀式和人孔／手孔盖式超高频信号传感器安装在220kV和110kV电压等级变压器上，成功地捕捉到变压器内部局部放电产生的超高频信号。对变压器局部放电故障诊断的判据等问题进行讨论，为变压器超高频局部放电在线监测方法的应用积累了经验。     

变压器特高频、超声波侵入式PD联合检测技术

最新颁布的IEC TS 62478-2016《高电压技术-电磁和声学法测量局部放电》国际标准,指出了现有的外置式超声波法测量PD主要存在:设备外壳对声波的衰减和不同介质声阻抗引起的传输多路径问题。笔者基于变压器放油阀结构,将特高频(UHF)天线和压电陶瓷声发射(AE)传感器进行一体化设计,再考虑电磁波和超声波信号耦合、防变压器油渗漏两个主要问题的基础上,加工研制了能够同时耦合UHF、AE信号的侵入式PD复合传感器。110 kV变压器内置尖端放电下与外置式压电陶瓷AE传感器的对比试验表明:所设计的UHF、AE侵入式PD复合传感器能够有效探测到油中微弱放电产生的具有特定时间差Δt的电磁波和超声波信号,这为变压器PD检测提供了一种全新的"声-电"即UHF、AE联合检测技术。     

冲击电压下500 kV油浸倒置式电流互感器局部放电特性研究

为了研究油浸式电流互感器在运行过程中的局部放电特性,搭建500 kV油浸倒置式电流互感器在冲击电压下的局部放电试验回路,对试品施加标准雷电冲击电压和操作冲击电压,使用安装在试品末屏接地引下线处的非接触式高频局部放电传感器采集局部放电信号,通过高采样率示波器显示放电波形。在冲击试验后进行工频局部放电测量、油中溶解气体成分分析、高电压介质损耗因数测试、频域介电谱测试,以检测试品的绝缘状况。研究结果表明:油浸式电流互感器在冲击电压下发生局部放电,绝缘损坏,放电熄灭电压低于正常运行电压,放电无法自熄灭,长期累积作用造成设备故障。     

用于变电站放电源空间定位的特高频传感器研究

基于宽带单极天线理论,设计了一种可用于变电站局部放电空间定位的特高频传感器。该传感器采用椭圆单极贴片的结构,具有全向、宽频带、高灵敏度、驻波比低及群时延稳定等特点,能有效满足变电站放电源全向检测的要求,多个传感器可组成特高频传感器阵列,对放电源进行空间定位。实验室搭建的局放实验平台对该传感器的空间检测及定位性能进行了验证,并成功将由该传感器组建的传感器阵列用于了变电站现场放电在线监测。实验室实验及现场应用结果表明,该传感器能够满足变电站放电源空间定位的要求。     

基于宽频带声电检测的变压器现场局部放电诊断及定位方法

为提升变压器局部放电特高频信号检测灵敏度和抗干扰能力,研制了上限检测频率达480 MHz的特高频线圈传感器,其具备在变压器铁芯/夹件接地位置检测局部放电特高频电流信号的能力。在实验室设置局部放电模拟缺陷,研究了变压器悬浮电位放电和绝缘表面放电的信号特征,有助于对现场检测的信号进行类型识别。研究了变压器现场检测去干扰方法,在此基础上研究了基于宽频带声电检测的变压器现场局部放电诊断及定位方法,并进行了实测验证,检出110 kV变压器内部局部电位放电缺陷,有助于提升变压器局部放电现场检测水平和诊断准确性。     

变压器局部放电超高频在线监测天线研究

针对传统局部放电超高频检测天线频带窄、尺寸大的缺点,设计了一种用于在线监测变压器局部放电的多频带、尺寸小的超高频天线。通过研究了分形理论和天线测量原理,在现有四阶Hilbert分形曲线的技术基础上,利用Ansoft Designer电磁场仿真软件建立天线模型,并通过仿真计算,优化配置了天线的几何参数,设计制造了平板结构的四阶Hilbert分形局放超高频监测天线。利用设计的四阶Hilbert分形天线对四种典型油纸绝缘缺陷进行局部放电超高频信号监测,并采用文中设计的天线与现有技术的三阶Penao分形天线、三阶Hilbert分形天线在实验室进行局部放电对比测量,分析了天线实测效果,实验结果表明该天线能够有效应用于变压器局部放电超高频在线监测。     

一种用于电力变压器局部放电在线监测的光纤传感器

描述了一种光纤声波传感器系统，这种传感器用于大型电力变压器中局部放电产生声波信号的在线监测。传感器采用融硅的共振腔和在融硅的玻璃管中形成囊状的单膜光纤来形成F—B干涉仪。干涉仪采用低相干性的光采进行干涉。实验结果表明研制的这种光纤声波传感器测量变压器油中传播的声波信号具有比较高的灵敏度和较宽的带宽。     

局部放电定位用聚束天线的研制

为克服现有特高频局部放电检测装置测试效率低,仅有少数具有专家经验的高水平测试人员能够有效使用的问题,提出了基于强方向性天线实现局部放电特高频(UHF)快速巡检和定位的理念。天线的高增益与强方向性是该理念的核心。本文研究通过背腔改进天线的方向性,通过CST仿真优化背腔的结构参数,获得尽可能强的单方向聚束特性。之后对比分析两种天线的增益、方向图与驻波比等性能参数,并通过实验进行实测。仿真与实测结果表明,阿基米德聚束天线在较低频率的接收性能要优于柱螺旋聚束天线,其接收局部放电信号的半功率波束宽度仅为36°,且接收能力随距离的变化更加敏感,更适合作为变电站局部放电定位天线。     

电缆接头局部放电电磁仿真与多传感器联合检测

目前对于已敷设的电力电缆的局部放电检测,单一的采用高频电流法或超高频法都易受到现场干扰信号的影响。因此,为提高检测的有效性和准确度,文中采用高频电流法和超高频法联合检测的方法,通过对比两种检测结果中是否同时存在脉冲信号来相互鉴别去除干扰信号。对于其中的超高频检测,为了克服内置式传感器在已投运电缆中无法应用的局限性,采用了外置式传感器。其使用时面临着信号辐射出来及在空气传播过程中强度会有较大衰减的情况,针对这一情况结合用于三相交叉互联的电缆中间接头的屏蔽层是断开的这一特征,进行了建模仿真,验证了采用外置式传感器的可行性,得到了信号最强的传感器最佳安装位置。最后利用研制的传感器进行了现场实测,验证了仿真结论,并证明了联合检测的方法能够很好的甄别干扰信号与真正的局部放电信号。     

交直流复合电压下油中局部放电的起始过程

换流变阀侧绕组同时承受交流、直流、交直流叠加、极性反转等多种特殊电压形式,其许用场强却未得到同等关注。因此,采用针-板、板-板典型电极模型和脉冲电流法及宽频带电流传感器检测法,研究了变压器油在交流、直流、交直流复合电压条件下的局部放电起始过程;总结了该起始电压随电压类型变化的规律曲线,为换流变许用场强的提出奠定了基础。试验结果表明:针-板电极模型下局放起始电压基本只与交流、直流、复合电压的幅值有关,而与电压类型、复合电压分量所占比例无明显关系;板-板电极模型中,复合电压下交流局部放电起始电压受直流分量的影响很小。通过高速摄像仪记录复合电压下局部放电引发击穿的全过程并估算出了放电增长速率约为1.8km/s;利用扫描电镜观测放电通道表面形貌特征,进而采用表面能谱分析法检测其主要元素含量由高至低依次为C、O、Cu、Si。最后通过复合电压下油中局部放电产生随机分布气泡的仿真模型算出,气泡使局部放电场强严重畸变,不均匀系数f达1.6。