变压器局放检测UHF传感器设计

变压器局放检测UHF传感器设计I【摘要】随着电力系统向高压大容量方向发展，电力变压器的电压等级和单台容量也在不断提高，一旦发生事故，将会造成大面积停电，甚至危及整个电力系统的稳定运行，经济损失巨大。统计表明绝缘故障是引发变压器事故的重要原因之一，而局部放电（局放）是绝缘劣化失效的重要征兆。局放在线监测能够有效地反映变压器绝缘状况，近年来成为研究热点。根据电力变压器的放电特性，本文通过cst电磁仿真软件设计并研制了一种超高频传感器，即阿基米德双螺旋天线。该传感器的有效频率范围为500～1500MHz。它可以被用于检测在有效频带范围内的超高频局部放电信号，这对电力变压器超高频局部放电检测技术的研究是非常有用的。关键字：局部放电；传感器；cst；阿基米德双螺旋天线；超高频【Abstract】变压器局放检测UHF传感器设计IIWiththepowersystemtodevelopinthedirectionofhighvoltagelargecapacity,voltagegradeofpowertransformerandthesinglecapacityarealsoconstantlyimprove,onceaccidents,willcauseblackouts,andevenendangerthestabilityofthepowersystemoperation,hugeeconomicloss.Statisticsshowthatinsulationfaultisoneoftheimportantreasonforthetransformeraccidents,andpartialdischarge(partialdischarge)isoneoftheimportantsignsofinsulationdegradationfailure.Bureauofonlinemonitoringcaneffectivelyreflectthestatusoftransformerinsulation,becomearesearchhotspotinrecentyears.Basedondischargecharacteristicsofpowertransformer,basedontheCSTelectromagneticsimulationsoftwarewasdesignedanddevelopedakindofuhfsensors,namelyArchimedeshelixantenna.Thesensoroftheeffectivefrequencyrangeis500-1500MHZ.Itcanbeusedtodetectuhfpartialdischargesignalsineffectivefrequencyband,whichlayafoundationforultrahighfrequencypowertransformerpartialdischargedetectionsettingisveryuseful.keywords：PartialDischarge；Sensor；Cst；ArchimedesHelixAntenna；HighFrequency目录1绪论.................................................................11.1变压器局部放电的产生机理.........................................1变压器局放检测UHF传感器设计III1.2产生局部放电的原因...............................................11.3局部放电的危害...................................................21.4局部放电在线监测的主要方法.......................................21.5局部放电超高频法国内外研究现状...................................41.5.1国内外研究现状...............................................41.5.2超高频方法的优势.............................................51.5.3超高频在线监测存在的问题.....................................61.6本文主要工作.....................................................62变压器局部放电超高频在线监测系统.....................................72.2超高频在线监测系统...............................................92.3UHF在线监测的装置..............................................102.3.1超高频传感器................................................102.3.2阻抗变换器..................................................112.3.3放大单元....................................................112.3.4检波器、模数转换器和计算机..................................113阿基米德双螺旋天线传感器设计........................................123.1天线接收原理....................................................123.2超高频天线的设计目标............................................123.3阿基米德平面螺旋天线的设计......................................134阿基米德双螺旋天线传感器仿真及试验研究..............................164.1cst电磁仿真软件介绍............................................164.1.1CST工作室套装介绍..........................................164.1.2CST微波工作室的功能........................................174.2仿真结果........................................................184.2.2方向性......................................................194.2.3增益特性....................................................20变压器局放检测UHF传感器设计IV4.2.4衰减特性....................................................204.3实验情况及结果分析..............................................214.3.1实验设备及目的意义..........................................214.3.2实验结果分析................................................215总结与展望..........................................................235.1全文总结........................................................235.2展望............................................................23致谢..................................................................25参考文献..............................................................26变压器局放检测UHF传感器设计11绪论电力变压器是电网中的关键设备之一，其安全运行关系着整个电网的安全。对实际故障的统计分析表明，绝缘故障是影响变压器正常运行的主要原因。目前110kV及以上等级的大型电力变压器仍主要采用油纸绝缘结构。油浸式电力变压器的绝缘介质中往往含有一定数量的气隙和油隙，当电场强度超过临界值(本征击穿场强)时，这些气隙或油隙就会发生局部放电，即使介质中不含有气隙或油隙，极不均匀分布的电场也可能导致局部放电。而局部放电又是造成绝缘故障的重要原因,同时也是绝缘劣化的主要原因、重要征兆和表现形式，它与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，能有效地反映变压器内部绝缘的故障。早期电力变压器采用的事后维修，以及随后发展的预防性维修等故障诊断方法都存在很多不足之处，如：须停电进行维修；停电后设备状态和运行中状态不一致会影响判断准确性；此种检修模式容易造成设备的过修和欠修等。因此,对局部放电进行有效的监测对于电力设备的安全稳定运行具有重要的意义。尤其对突发性故障的早期发现比介损测量、油色谱分析等方法要有效得多。局部放电监测是电力变压器绝缘监测的重要内容，传统局部放电检测信号频率通常1MHz，近年来虽因数字信号处理和计算机辅助系统等新技术的应用得到了较快地发展，但仍以传统的监测理论为基础而受其技术的限制。油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为ns级，能激励起大于1GHz的超高频电磁信号,超高频范围内(300～3000MHz)提取的局部放电信号基本上无外界干扰，可极大地提高局部放电监测(特别是在线监测)的可靠性和灵敏度。1.1变压器局部放电的产生机理变压器局部放电是当变压器被加上高电压后，其绝缘结构由于电场分布不均匀、局部电场过高等，引发的局部范围内的放电。电场分布不均匀的原因可能是由于设备制造过程中间产生的导体尖端，或毛刺；也可能是绝缘体内部或界面存在气泡、裂纹、杂质、或是绝缘系统由多种介质的复合组成。局部放电可能出现在绝缘体内部、绝缘体与导体的界面上，以及绝缘体表面。虽然局部放电一般不会引起绝缘的贯穿性击穿，但可以导致电介质局部损坏，若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿，诱发变压器故障产生。因此，对变压器局部放电进行在线监测，对保障变压器安全运行具有非常重要的意义。1.2产生局部放电的原因(1)变压器内部的金属件、绝缘件要圆整化，不能有任何尖角和毛刺。因为在高电场强度作用下，电荷容易集中到尖角的地方，从而引起放电。变压器局放检测UHF传感器设计2(2)金属接地部件之间、导电体之间电气连接不良，也会产生放电。尤其金属悬浮，情况更为严重。如110kV级及以上铁心结构的金属连接件，其接触面不涂漆；夹件上固定木件的小支板与螺栓连接处不涂漆，以保证金属连接件的紧密接触；地屏上的铜皮与接地片必须焊牢，以避免接触不良或悬浮等。(3)绝缘件内部存在着气隙(气泡)。电木简和层压纸板的各纸层之间，如果真空浸漆或干燥工艺处理不好，就会在内部形成空腔，浸油以后，油往往不能浸入空腔，从而形成气隙；如果油处理不好也会有气泡存在。气泡的介电系数比绝缘材料的介电系数小，故绝缘内部所含气隙承受的电场强度比邻近的绝缘材料高，达到使之击穿的程度，从而使气隙先发生放电；另外，在电场集中的地