变压器局部放电超高频信号传播特性仿真分析.pdf

第30卷第5期重庆大学学报(自然科学版)VoI.30No.5
2007年5月JournaIofchonggingUniversity(NaturaIscienceedition)May.2007

文章编号!1000-582X"2007#05-0070-05

变压器局部放电超高频信号传播特性仿真分析

孟延辉s唐炬s许中荣s张晓星s胡晶晶
(重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室s重庆400030)

摘要!变压器内部产生的超高频(UHF)电磁波信号在传播过程中s有很多因素会影响传感器所
检测到的信号波形和能量O为了研究影响因素与UHF信号的关系s构建了变压器仿真计算的物理模
型s并用时域有限差分法计算变压器内局部放电产生的UHF信号s通过分析UHF电磁波信号的幅值和
能量累积曲线s研究了绕组和铁心\检测点与激励源间的距离\检测点附近不同金属导体位置等因素对
UHF信号的影响O该研究结果有助于对UHF信号传播特性的理解以及提高信号检测的准确度O
关键词!变压器Z局部放电Z超高频Z时域有限差分法
中图分类号!TM835文献标志码!A

变压器内部发生局部放电<PD>时,可产生陡度为和矩量法<MoM>8,但研究主要集中于气体绝缘组合
纳秒级的电流脉冲,激发的电磁波频率达到0.3~3电器<GIs>,对变压器研究得很少笔者采用时域有
GHZ,虽然可以把超高频传感器1-2伸进变压器内部来限差分法,针对变压器内部复杂结构,在构建的变压器
检测PD信号,但变压器内部复杂的结构以及各种影仿真模型上,结合实验室模拟实测结果,深入研究了
响因素都会不同程度地影响传感器所检测到的信号波UHF电磁波在变压器内部的传播特性及影响因素
形和能量
1局部放电电磁波的辐射特性
通常电磁波在变压器内传播时要经过多种不同的
通常局部放电电磁波信号可看作是由一点源发出
组合介质,在组合介质交界面处电磁波会发生折反射,
的球面波1,它遵循麦克斯韦电磁场基本方程引入
如果两种组合介质的和相近时,入射波会几乎无
动态向量位和动态标量位,该方程可转化为动态位
反射地进入下一层介质3在变压器内部,为了使在
方程9
变压器组合介质上的电场接近常选用相对介电常数
,2
2a()aA
比较接近介质组合<如油和纸绝缘>,UHF信号在这种7A=-!C+7()+77A+2,
aIaI
组合绝缘介质中的衰减很小4}
2aA
7+7=-,
导体对电磁波的影响很大,文献5引入光程的aI
概念,说明了金属障碍物对电磁波传播的影响入射<1>
电磁波在沿曲面传播时不断沿切线向发出绕射射线,式中为放电激励源为介电常数为空间磁导
故其能量迅速衰减对局部放电信号的检测很不率为电流密度则其解为
,UHFc
利所以为了更好地检测信号通常把传感器r
,,UHF(x',y',z',I-)

通过放油阀或专门的法兰窗口伸进变压器内部()11
x,y,z,I=dV,
47jVr
利用电磁场仿真技术研究局部放电是一种重要的<2>
r
研究手段,目前国内外用于局部放电传播特性研究的!C(x',y',z',I-)
()1
6-7Ax,y,z,I=dV
电磁场计算方法主要有时域有限差分法<FDTD>47jVr

收稿日期!2006-12-16
基金项目!重庆市自然科学基金重点项目<2006BA3018>
作者简介!孟延辉<1981->,男,重庆大学硕士研究生,主要从事变压器绝缘在线监测及故障诊断研究唐炬<联系人>,男,教
授,博士生导师<TeI>023-65112739<e-maiI>[e-mail]
第5期孟延辉#等%变压器局部放电超高频信号传播特性仿真分析17

式O2>说明局部放电产生的电磁波以速度1沿着r方
向传播,是时间和位置的函数,电磁波能量沿传播方向
流动O式中r是Ox,y,z>与点Ox',y',z'>的距离O

2FDTD仿真计算模型分析

2.1变压器仿真模型的建立
图1是笔者建立的三维仿真物理模型,图2为其
切面图O由于不同生产商以及不同型号和类型的变压
器尺寸差别较大,且也没有一个规定的标准,所以建立
的模型尺寸,主要根据计算机的运算速度来选取,只要
改变所需模型尺寸就能满足实际要求O笔者选择的箱
体尺寸为1.5m>1.2m>1m,壁厚为0.02m,设定电
导率)为1>107s/m,箱体内部变压器油的介电常数
T为2.2O铁心和绕组位于箱体中心,铁心直径为
0.5m,高为1.1m,铁心相对磁导率近似为2000;绕图2变压器仿真模型切面图
组厚度为0.1m,高为1mO另外,法兰盘孔为0.3mO

图3油和纸绝缘结构图

为0.05A,脉冲宽度为1.54nsO
激励源设在图1所示的变压器箱体切平面上,离
箱体内壁0.25m,方向为X向O检测点A