局部放电脉冲在单绕组变压器中传播过程的仿真分析
王忠东，桂峻峰，谈克雄，朱德恒
（清华大学电机工程系，北京100084）
摘 要：变压器所特有的绕组结构对局部放电脉冲的传播过程有重要影响。对传播过程的深入研究有助于正确理解测得信号所包含的信息。文章建立了局部放电脉冲在单绕组变压器绕组中传播过程的仿真计算模型，并结合不同放电位置计算了脉冲传播途径的传递函数。不同位置发生放电时，可利用同一测量点所测信号根据其幅频特性的不同来确定放电位置。
关键词：电力变压器；局部放电；仿真模型
1 引言
在对变压器的局部放电进行检测时，检测装置测得的信号是在放电源激励情况下由变压器及其外部连接设备、检测装置所组成的系统的响应信号。若以x(t)表示局部放电激励信号，以h(t)表示由变压器、外部设备和检测装置组成的系统，则其响应信号y(t)为
y(t)=x(t)⊗h(t)=x(t)⊗h1(t)⊗h2(t) (1)
式中激励信号x(t)表征放电的原始信息，如放电类型、放电的强弱和放电处绝缘性质等。系统h(t)可分成不相关的2个子系统：表征变压器及其外部连接设备的特性和影响的子系统h1(t)，它包括放电位置、变压器内部结构、连接设备的类型及其连接方式等；表征检测装置的特性和影响的子系统h2(t)。
检测装置测得的端部信号波形包含的信息有：内部放电的强弱、位置、性质及严重程度；放电脉冲信号传播过程中绕组对其波形的影响，例如衰减、畸变和延迟等[1,2]。为了正确解释变压器端部所测得的信号，有必要对子系统h1(t)和h2(t)的特性及其影响进行分析。本文针对单绕组变压器这一简化实例，结合放电在不同位置发生的状况，重点讨论了变压器绕组对局部放电脉冲传播过程的影响。
2 放电脉冲沿变压器绕组传播的仿真模型
针对单绕组变压器，建立了如图1所示的局部放电脉冲在绕组中传播过程的仿真模型。
考虑频变参数，建立了一变压器仿真模型，即LCK电路网络。将变压器绕组按其绕制方式划分成若干集中单元，每个集中单元由电感性支路（L支路）和电容性支路（K支路，通常称为纵向等值电容支路）并联。电感性支路由单元内各匝导线的电阻、电感和匝与匝之间的互感组成，电容性支路由单元内各匝间电容、绝缘漏导和饼间电容、绝缘漏导组成。各单元的对地电容(C支路，通常称为横向等值电容支路)由单元内线匝对铁心和对外壳(裸露在空气中的变压器绕组模型对自由空间)的电容组成。各单元间存在着互感。
发生局部放电的变压器主绝缘处，依旧可看作电容性试品，其放电可用三电容模型来等效，或简单地使用方波电压经小电容模拟放电的外在反映[1]，或直接模拟成陡脉冲放电的电流源。本文采用陡脉冲电流源。
3 局部放电脉冲传播路径传递函数的仿真计算
假设放电发生于绕组的不同位置，而局部放电信号的检测端在套管末屏和绕组中性点接地线处，则可利用仿真模型计算得到从不同放电位置到各测量点的传播路径的传递函数。
图3为一单绕组变压器在位于绕组上、中、下部的放电点对套管末屏的路径的传递函数的幅频特性。该单绕组变压器共50饼，线圈为内屏蔽和连续式混绕。图中星号、实线、虚线分别表示放电电流脉冲在第5饼第1匝、第25饼第1匝和第45饼第1匝注入，套管末屏处检测到的传播路径的传递函数幅频特性
4 仿真结果讨论
由图3中不同放电位置到同一测量点的传播路径的传递函数可见，不同传递函数表现出来的共性有：在1MHz频率范围内，传递函数的幅频特性可分成谐振区和平坦区。谐振区在较低频段，在此频段内绕组对放电脉冲信号的影响主要表现为波形畸变；平坦区在较高频段，在此频段内绕组对放电脉冲信号只有衰减、没有变形的影响。同时不同传播路径的传递函数的差异也非常明显：①放电位置不同，各传播路径的传递函数谐振区的频率范围不同，放电位置离测量端部越远，传播路径越长，谐振频段越大；②放电位置不同，各传播路径的传递函数谐振区内的谐振分量幅度分布不同；③放电位置不同，各传播路径传递函数在平坦区内的幅度不同，传播路径越长，平坦区内的幅度越小，对局放信号的衰减越严重。
以上分析表明，受局部放电源至测量端的传播路径的影响，在测量端所测得的信号不能等同于局部放电源处的原始放电信号，而是内部放电性质、强弱及传播过程中所受影响的综合反映。如果同一性质的放电发生在绕组的不同位置，根据以上分析，传播路径不同对放电信号会有不同的影响。
因此至少有2种定位放电点的方法： ① 利用不同传播路径的传递函数在谐振区内的不同特性来定位放电点。可利用的参数有谐振区范围、谐振分量的幅频特性等。此方法只需在1个测量端检测信号，对实测信号做幅频特性分析，根据各谐振点频率和幅度的关系，参照仿真计算结果即可确定放电点。 ② 利用不同传播路径传递函数所共有的平坦区，根据信号的幅值比例定位放电点。此方法需比较2个测量端的信号，确定两信号的大小比值，再参照仿真结果确定放电点。
为验证第1种方法的可行性，对一连续式单绕组变压器进行了仿真计算和实验。该变压器共有18饼。连续式绕组可避免不同绕制方式的影响，使得谐振区内的幅频特性受传播距离的影响更加突出。图4为发生在绕组上、中、下部的放电对套管末屏的传递函数幅频特性的实测和计算结果。图4(a)、(b)、(c)分别是局放在第5饼第1匝、第11饼第1匝、第15饼第1匝注入时的传递函数幅频特性，实线为实测结果，虚线为计算结果。由于等值阻抗计算和实测幅值有差别，绕组的传递函数幅频特性计算与实测结果也存在差异，但是在谐振频率点以及谐振幅值上，二者比较符合。因此该计算结果可以反映绕组真实的传播特性。
由比较可见，随着放电位置的下移，传播路径的加长，谐振区内各谐振谱峰的相对大小有所不同，比较明显的是第1和第2谐振频率处的谱峰值之比逐渐减小。实测和计算结果虽然在幅度上有一定偏差，但是都显示了这一趋势。因此利用测量信号的频谱中两谱峰的比值关系，比照仿真结果便可对放电点定位。
5 结论
研究变压器绕组对局部放电信号传播的影响，有助于正确理解端部测量信号。本文建立了局部放电在单绕组变压器中传播过程的仿真计算模型。实验证明该仿真模型在通常局部放电测量频段内有较好的等效性。仿真计算了放电发生在绕组不同位置时放电点至测量端的传播路径的传递函数。并指出了在不同频段内传播路径均对局部放电信号有畸变、衰减作用。利用传递函数在不同频段的特性可以对放电点进行定位。
参考文献
[1] 朱德恒，谈克雄，李福祺，等．论发电机变压器放电性故障的基础研究[A]．中国机械工程学会第9届全国设备诊断技术学术会议论文集[C]．北京，1997：493-496．
[2] James R E，Phung B T，Su Q．Application of digital filtering techniques to the determination of partial discharge location in transformer [J]．IEEE Trans on EI，1989，24(4)：657-668．
[3] 王赞基．多绕组变压器线圈的波过程[D]．北京：清华大学
