电力变压器绝缘在线检测电脉冲传感器设计

赵晓艳+孙瑞娟

摘 要：变压器内部发生放电时会形成电现象、光现象及其他各种现象，而且导致局部过热。本文基于洛氏线圈型电流传感器，建立了脉冲电流传感器的等效数学模型，用Matlab仿真软件研究了传感器的线圈匝数多少、负载电阻的变化、结构尺寸大小和杂散电容大小对频率特性和灵敏度的影响。

关键词：电力变压器；在线检测；传感器

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

1 前言

随着现代科技的进步，我国的很多工业发展较快，而这些都离不开电，这也导致了电气装置的种类逐渐增多，但是，这些装置的故障也增加了电力系统的不稳定因素。

变压器是电力系统中非常重要的组成部分。[1]据统计，110kV及以上的变压器发生的事故有80%是由绝缘所引起的。由此可以看出，绝缘检测是变压器乃至电力系统安全运行的基本保障。因此变压器的绝缘检测是很重要的。绝缘在线检测技术是使用灵敏性能较好的传感器来获取可以表示运行中装置的绝缘信息，再通过计算机来得到装置的绝缘情况。传感器是绝缘监测系统中重要元器件，其所处位置、原理、性能和形式等对系统可以收集的放电信息量是否准确、精确有一定的影响，需要对其进一步分析。

2 电力变压器在线检测方案的选用

局部放电是在变压器内部绝缘局部位置发生的放电。[2]造成局部放电的原因非常多，总结起来局部放电的产生的最重要原因如下：（1）强电场中导体、固体绝缘的尖端；（2）变压器油中少量气体与固体中的空气间隙；（3）绝缘件外部的灰尘及强电场中的漂浮电位；（4）在强电场下产生漂浮电位的金属物。

2.1 电力变压器绝缘在线检测的手段选择

局部放电的检测技术有多种不同的方法：

（1）脉冲电流法，这种方法在变压器内部发生放电时会产生高电压，对保护装置造成很大的破坏，所以该方法一直被用来检测变压器的内部放电，以此来判断变压器的绝缘情况。[3]（2）高频（射频）电流法，这种方法大多数在带电操作时使用。（3）超声波法，这种方法不仅能够对故障发生的位置进行定位，还能够测量放电量的变化。（4）超高频法，通过利用UHF元件来收集故障点产生的超高频电磁波并进行分析，然后来判断变压器的绝缘情况。（5）无线电干扰检测法，该方法不仅能对故障点进行定位，而且还能根据信号的强弱对变压器绝缘情况做初步的预测。（6）光检测法，这种方法在使用时很容易受到其他信号的干扰。（7）色谱分析检测法，目前这种方法也没有准确的测量标准，只能用做一些预测。 通过对这些检测技术进行使用特点对比分析，选择了目前使用范围最普遍的脉冲电流法

2.2 抗干扰设计

受到变压器运行方式的影响，即使找到干扰源或者它的干扰路径，也不能很好的处理干扰因素，因为在处理干扰的同时也会对其他装置造成影响，从而发生更大的事故，所以，一般会选择对信号进行加工，这样就不会对其他装置造成影响。首先要懂得区分被测信号和干扰信号。根据频带宽度的不同，一般会分为窄频带和宽频带两种信号。窄频带信号由于只能通过低于范围的频带，很多的宽频带信号是通不过的，如果用它来检测宽频带信号时，会造成信号失真，导致信号的加工失败。由于变压器内部放电时产生的信号大部分是宽频带信號，所以宽频带信号中不仅有被测信号还有大量的干扰信号，从而使它收集被测信号的难度加大。面对这些干扰的解决办法一般是：首先，解决连续周期信号的影响；然后，处理白噪声的影响；再次，解决周期性脉冲信号的影响；最后，解决随机性脉冲信号的影响。随着时代的进步，相关技术在局放中的使用也越来越频繁，最重要的是这些技术还能得到很好的成果。

3 传感器的设计

3.1 传感器的结构

脉冲电流传感器的一次侧为一匝，二次侧为多匝。磁芯材料选择铁氧体，如，它使用范围是5kHz-13MHz，相对磁导率。等效电路图如图1。

在图1中，M为线圈的互感；k为副边线圈的自感； C2为线圈的等效杂散电容：RL为线圈的等效电阻；R2为线圈的负载电阻；Ut为由于互感产生的电势；U0（t）为线圈负载电阻上的电压。

3.2 结构参数对频率特性的影响

在一个铁氧体做的环形铁芯上紧密均匀的绕着线圈，传感器的铁心截面多数是矩形或者是圆形。

设环形铁心的平均直径为D（m），I被测脉冲电流为I（A），线圈匝数为N，铁心圆形截面直径为d（m），线圈的内阻为 。

下限频率：

上限频率：

现在以铁芯平均直径，，，pF例，使用Matlab软件，进行仿真计算，作出铁心横截面直径在、、三种情况下的幅频和相频曲线，观察曲线的变化规律。如图2所示。

3.3 线圈匝数N频率特性

选取，，，，选取线圈匝数四种不同状态N=30、50、70、100下的频率特性曲线，如图3所示。

3.4 负载电阻R2频率特性

选取，，，，改变负载电阻的值，选择负载电阻五种不同状态、、、、下的频率特性曲线，如图4所示。

3.5 电容C2频率特性

取，，，，选取杂散电容、、、四种状态下的幅频和相频曲线，观察曲线的变化规律。

如图5所示，仅有传感器的高频特性随着杂散电容的变化而变化。随着增大，上限截止颏率越来越小，通频带宽越来越窄，显然灵敏度也会越来越低，相位频率特性曲线的线性度越来越差。生活中是传感器的本质特征，由传感器本身来决定，所以在生产时尽量降低。

通过分析了传感器结构中的铁芯横截面直径d、线圈匝数N、负载电阻R2及杂散电容C2与传感器幅频和相频特性的关系，进一步确定传感器的优化参数，并分析了它们自身对传感器的影响，其中杂散电容C2是传感器固有的特性，是由材料和制作过程决定的，所以在制作时应注意材料的选择和制作的工序要精心，最大程度的减少C2。

4 传感器参数的确定

4.1 铁心横截面直径的确定

从图2能得到，随着d逐渐变大，下限截止频率越来越小，通频带宽越来越宽，传感器的灵敏度逐渐下降；反之，下限截止频率越来越大，通频带宽越来越窄，灵敏度逐渐升高。在生产时，d过小，铁心的横截面积就小，传感器骨架硬度下降，使制作过程更加困难。d过大，不但会使灵敏性能大幅度减小，而且频率过小，传感器就会测量到其他不相干的干扰信号，给传感器获得需要的放电信号的获取难度增大。根据仿真结果取合适。

4.2 匝数的确定

线圈匝数N与频率特性的关系，也可以看成是自感L2和互感M与相频、幅频特性关系。如图3所示，越大，则自感和互感越大，传感器的通频带宽就越宽，相位变化幅度越大，灵敏度就越小；反之则灵敏度和增益越大，相位变化越平稳。当～70时，传感器的各项参数都满足要求，相位也没有发生太大的变化，所以，取N=50。

4.3 负载电阻R2的确定

由图4可看出，负载电阻越小，增益和灵敏度越小，相位变化也越平稳。反之越大，通频带宽变窄，增益和灵敏度变大，不管负载电阻怎么样变化其中心频率是不变的，相位幅度改变越大；在取～时，这个范围内的曲线相对合适。所以，取。通过对铁芯横截面直径、负载电阻、杂散电容和线圈匝数与传感器的幅频和相频变化的关系分析，总结了它们各自与传感器的幅频和相頻之间的变化规律，依据前面对局部放电脉冲电流传感器的各项参数的仿真结果进行对比，获得了本课题的最终参数：，PF仿真得N=50，，。由此获取了优化后的频率特性曲线，如图6所示。

5 结论

若要变压器在线检测电脉冲传感器满足频带宽、灵敏度高和误差低等条件，必须考虑负载电阻的影响，并且考虑电路中除了自感的互感的影响。若铁芯的平均直径和相对磁导率是确定的，可以通过改变铁芯横截面直径、负载电阻和线圈匝数，能得到适合的传感器的通频带宽和灵敏度要求。最大程度的降低电容，以减弱电容对通频带宽的影响。

参考文献：

[1]李哲.电力变压器故障诊断方法应用研究[J].科技创新与应用，2015（17）：159.

[2]朱有志.试论220千伏变压器局部放电水平[J].科技与企业，2015（21）：246.

[3]何立滨.浅谈如何进行变压器试验[J].黑龙江科技信息，2013（31）：77.

作者简介：赵晓艳（1982-），女，内蒙古通辽人，硕士，助教，研究方向：电气工程。