真型变压器局部放电超高频信号传播特性与仿真建模研究

摘要

超高频检测法是变压器局部放电在线监测的有效手段，该方法具有抗干扰能力强、灵敏度高、易于实现在线监测等优点，已成为局部放电检测的重要方法。然而，目前基于真型变压器的局部放电超高频信号传播特性研究较少，对电磁波在变压器中的传播特性和规律了解得不够充分；局部放电电磁传播仿真建模方法较为单一且没有得到充分的验证；超高频检测天线的安装位置缺乏参考依据。这些问题制约了超高频局部放电检测技术在变压器上的良好应用。基于此，本文针对变压器局部放电超高频信号的传播特性、电磁传播仿真建模以及超高频检测天线的优化布置进行了深入的研究，具体内容包括：　　① 搭建了110kV和380kV真型变压器超高频信号检测试验平台，分别以典型油中局部放电模型和单极子天线作为电磁波激励源，系统研究并得到了对应两种不同电压等级的变压器中多检测点处超高频信号的幅值、累积能量、频带能量、时频特性和传播时间的变化规律及其规律产生的原因。研究表明，变压器中超高频信号幅值随着传播距离的增加而非线性地减小，衰减速率减慢；信号的累积能量与幅值的衰减规律相似，但衰减范围更大；电磁波的频率越高，衰减越严重，衍射能力越弱，导致超高频信号的主要能量集中在300MHz至600MHz频带内；检测位置被绕组和铁芯阻挡时，电磁波以绕射方式到达天线，信号波头衰减严重，造成首波到达时刻滞后。　　② 基于真型变压器研究了电晕放电、沿面放电、悬浮放电和气隙放电超高频信号的衰减特性，揭示了不同放电类型超高频信号衰减特性的差异及其原因。研究发现，不同放电类型的超高频信号随着传播距离的增加均呈现出非线性的衰减趋势，但不同放电类型的超高频信号衰减程度存在差异。电晕放电的衰减范围最大，其次是沿面放电、悬浮放电和气隙放电。由于频率越高的电磁波在传播过程中衰减越严重，导致局部放电超高频信号中包含的高频分量越多，衰减范围越大。　　③ 提出了一种基于时域有限积分算法(FIT)的变压器局部放电电磁传播仿真建模方法，能够实现局部放电超高频信号波形的准确计算。提出基于间隙馈电法的单极子激励天线、介质窗式接收天线和油阀式接收天线的建模方法，建立了与实验室超高频检测平台和 110kV 真型变压器结构相同的仿真模型，通过对比仿真和实测超高频信号的波形、幅值、累积能量和频谱分布，验证了仿真建模方法和结果的正确性。这项仿真技术能够为评估超高频信号在变压器中的传播特性、校验超高频法的检测灵敏度、优化超高频天线的安装布置提供指导和帮助。　　④ 基于时域有限积分算法建立了 110kV 变压器超高频检测天线优化布置仿真模型，提出了超高频检测天线优化布置的仿真分析方法，研究了不同位置处检测天线对变压器内多放电点的覆盖率和检测灵敏度，获得了变压器超高频检测天线的布置方案。结果表明，将单个检测天线布置在两相绕组之间中等高度的箱体上具有较好的覆盖率和检测灵敏度，为了实现更高灵敏度的局部放电检测，建议将两个天线呈对角线布置在变压器正面与背面的不同高度处。研究结果将为超高频检测天线的布置提供科学指导和参考依据。

目录

1 绪 论

1.1课题的研究背景和意义

1.2课题相关研究现状

1.2.1变压器局部放电超高频检测技术的研究现状

1.2.2变压器局部放电超高频信号传播特性的研究现状

1.2.3局部放电电磁传播仿真建模技术的研究现状

1.2.4变压器超高频检测天线布置方法的研究现状

1.3目前研究存在的问题

1.4本文的主要研究内容

2 真型变压器局部放电超高频信号传播特性试验平台与试验方法

2.1引言

2.2基于典型油纸绝缘放电缺陷的110kV真型变压器试验平台与试验方法

2.2.1变压器结构与箱体改造

2.2.2放电源与典型缺陷模型设计

2.2.3试验回路与检测系统

2.2.4阿基米德螺旋天线特性

2.2.5试验方法与波形分析

2.3.1变压器结构与箱体改造

2.3.2激励源与检测系统

2.3.3单极子天线特性

2.3.4试验方法与波形分析

2.4本章小结

3 基于真型变压器超高频信号传播特性的研究

3.1引言

3.2.1局部放电超高频信号的产生与辐射特性

3.2.2电磁波在变压器内传播特性的理论分析

3.3.1超高频信号幅值的衰减特性分析

3.3.2超高频信号能量的衰减特性分析

3.4.1频带能量的衰减特性

3.4.2小波时频分析

3.4.3频率衰减的机理分析

3.5.1绕射路径计算模型

3.5.2超高频信号传播时间分析

3.6不同放电类型超高频信号的衰减特性及其差异分析

3.6.1电晕放电的衰减特性

3.6.2沿面放电的衰减特性

3.6.3悬浮放电的衰减特性

3.6.4气隙放电的衰减特性

3.6.5不同放电类型衰减特性差异分析

3.7本章小结

4 基于时域有限积分法的电磁传播仿真建模与结果验证

4.1引言

4.2时域有限积分算法的基本原理

4.3天线的仿真建模方法

4.3.1单极子激励天线的建模方法

4.3.2介质窗式接收天线的建模方法

4.3.3油阀式接收天线的建模方法

4.4.1超高频检测试验平台的搭建

4.4.2仿真模型的建立

4.4.3仿真结果分析与验证

4.4.4变压器的建模方法与结果验证

4.5.1 110kV变压器的模型建立

4.5.2激励源与激励波形

4.5.3仿真结果分析

4.6本章小结

5 超高频检测天线布置方法的研究

5.1引言

5.2.1检测天线特性分析

5.2.2检测天线安装深度研究

5.3超高频检测天线的优化布置

5.3.1放电源与检测天线的布置方法

5.3.2检测天线的优化布置

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2后续研究工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读学位期间授权的专利

D. 学位论文数据集

致谢