第３１卷 第６期 Ｖ０１．３１ Ｎｏ．６ 重庆理工大学学报（自然科学） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ２０１７年６月 Ｊｕｎ．２０ｌ７ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０１７．０６．０２３ 罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号 仿真试验研究 江天炎，陈 曦，毕茂强 （重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆４０００５４） 摘 要：励磁变压器的安全运行是发电机组系统稳定运行的前提，其低压绕组由于运行工 况恶劣，绕组绝缘极易发生局部缺陷。局部放电在线监测是检测其绝缘缺陷的有效方法，但极 易受到外部脉冲信号干扰。对罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号进行了仿真试验研究， 首先分析了励磁变压器低压绕组承受的电压波形，阐述了其绝缘发生劣化的过程，并提出了励 磁变压器局部放电在线监测方法。针对励磁变压器局部放电在线监测系统的安装位置，采用 ＥＭＴＰ软件建立了罗氏线圈检测励磁变压器中干扰脉冲信号的仿真模型，分析了其采集的外部 干扰脉冲信号的波形特征，最后在现场对外部干扰信号进行了模拟试验验证。结果表明：提出 的仿真模型与现场试验基本吻合，为励磁变压器局部放电信号的去噪及故障诊断奠定了一定的 基础。 关键词：励磁变压器；局部放电；脉冲干扰信号；罗氏线圈；故障诊断 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—８４２５（２０１７）０６—０１５４—０６ 中图分类号：ＴＭ４１２ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｕｌｓｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ Ｃｏｉｌ ＪＩＡＮＧ Ｔｉａｎ—ｙａｎ，ＣＨＥＮ Ｘｉ，ＢＩ Ｍａｏ—ｑｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ａｒｅ ｂａｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ａｒｅ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｅａｓｙ ｔｏ ｏｃｃｕｒ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ．Ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｂｕｔ ｅａｓｉｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｕｌｓｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ 收稿日期：２０１７—０２—０６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５０７０１７）；重庆市能源互联网工程技术研究中心专项 作者简介：江天炎（１９８７一），男，江苏盐城人，博士，讲师，主要从事高电压与绝缘技术研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｔｉａｎｙａｎ１９８７ ＠１６３．ｅｏｍ。 引用格式：江天炎，陈曦，毕茂强．罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究［Ｊ］．重庆理 人学学报 （自然科学），２０１７（６）：１５４—１５９． Ｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ：ＪＩＡＮＧ Ｔｉａｎ—ｙａｎ，ＣＨＥＮ Ｘｉ，Ｂ１ Ｍａｏ—ｑｉａｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｕｌｓｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ Ｅｘ— ｃｉｔａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ Ｃｏｉｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ），２０ｔ７（６）：１５４—１５９． 江天炎，等：罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究 １５５ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｒ０ｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ ｓｅｎｓｏｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｖｏｌｔａｇｅ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗａｓ ｄｉｓＤｌａｙｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＰＤ）ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＥＭＴＰ ｓｏｆｔｗａｒｅｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｄｕ１ｓｅ ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＷａｖｅｆｏｒｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ．ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔｅｄ ｔｏ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ＰＤ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｐｕｌｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ；Ｒｏｇｏｗｓｋｉ ｃｏｉｌ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ 励磁系统是发电厂的重要环节，励磁变压器 是为大型发电机励磁系统提供三相交流励磁电源 的装置，其安全运行是发电机组及电力系统稳定 运行的前提＿１ Ｊ。励磁变压器低压绕组绝缘承受 着交流电压、高次谐波和直流电压分量的共同作 用，其电场分布极其复杂，其内部绝缘在这种电场 环境下运行极易发生局部放电现象 Ｊ，因此对其 进行局部放电在线监测，对于励磁变压器及整个 电力系统的可靠运行具有重要意义 Ｊ。 高压电气设备局部放电监测始于１９４０年初 期 ］，采用罗氏线圈对电气设备局部放电脉冲电 流信号进行监测，是使用最广泛的一种方法。该 方法通过罗氏线圈检测电气设备引出线或者接地 线上由于局部放电引起的脉冲电流，得到局部放 电的放电量等特征量的评估分析结果 。国际 电工委员会（ＩＥＣ）专门为这种方法制定了 ＩＥＣ６０２７０检测标准 。２０世纪８Ｏ年代有学者将 罗氏线圈电流传感器用于监测电机定子绕组的局 部放电¨ ，随后其被广泛应用于电力电缆 、架 空配电网络［１ 、励磁变压器 的局部放电监测。 研究表明：罗氏线圈电流传感器在监测电气 设备局部放电信号时易受窄带周期干扰、白噪声 及随机脉冲信号的干扰 。窄带周期干扰可以 用一定带宽的滤波器滤除，白噪声可以采用小波 等有效手段去除，随机脉冲信号干扰可用聚类等 方法分类¨ ］。发电机槽部、端部和内部等处极易 产生幅值较大的局部放电信号，该信号传播到励 磁变压器绕组中，会被局部放电在线监测系统检 测到，相当于有幅值较大的随机脉冲信号影响罗 氏线圈电流传感器的检测精度，干扰局部放电在 线监测系统的诊断结果。 本文针对罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干 扰信号进行了仿真试验，首先分析了励磁变压器 低压绕组承受的电压波形，阐述了其绝缘发生劣 化的过程，并提出了励磁变压器局部放电在线监 测方法；采用ＥＭＴＰ软件对外部脉冲干扰信号在 励磁变压器内部的传播特性进行了仿真分析，并 对罗氏线圈采集的信号进行分析；最后在现场对 外部干扰信号进行了采集试验验证。结果表明： 可以通过脉冲信号的波形特征辨别励磁变压器中 的局部放电信号与外部脉冲干扰信号。 １ 低压绕组绝缘局部放电分析 １．１低压侧绕组电压分析 励磁变压器是发电厂的重要电气设备之一， 近年来新建电厂发电机组的励磁方式已经由传统 的旋转交流励磁方式向静止自励励磁方式转变， 发电机静止自励方式励磁系统的基本原理如图１ 所示 ］。这种方式采用励磁变压器并联在发电机 出线上，通过降压和整流装置将交流电整流成直 流电，再输入电机励磁线圈产生发电机所需的 磁场。 励磁变压器通过可控硅整流后为发电机提供 直流励磁电流，其低压侧绕组除了承受交流电压 外，还含有高次谐波和直流电压分量。此外，可控 硅整流器在控制通断时，会有脉冲电压施加于低 压绕组上，其承受的实际电压波形可参考文献 ｌ５６ 重庆理工大学学报 ［２］。励磁变压器低压绕组在交流、直流、谐波和 脉冲电压的共同作用下，其绝缘极易发生损坏进 而发生局部放电，在实际运行过程中应对其进行 局部放电在线监测。 Ｇ．发电机；Ｔ．励磁变压器 图１发电机励磁基本原理图 １．２励磁变压器局部放电在线监测方法 励磁变压器局部放电在线监测方法是在其每 相的低压母排上安装一个电流传感器。该电流传 感器由罗氏线圈构成，其中心谐振频率为５００ ｋＨｚ 左右，３ ｄＢ带宽约１００ ｋＨｚ。电流传感器的现场安 装应给予高度的重视，因为这不仅关系到传感器 的运行安全性和可靠性，也关系到传感器的检测 灵敏度和抗干扰能力。其在某发电厂＃ｌ励磁变压 器现场安装示意图如图２所示。 底座 —————］ １低压侧母线 ｌ ２热缩绝缘套管 励磁变压器Ｉａ井目 ｌ ４传感器支架 ５信号电缆 传譬器 ｌ ６母线支撑绝缘子 图２ 电流传感器的现场安装示意图 首先，在励磁变压器低压母线排上套上１０ ｋＶ 绝缘热缩套管以保障脉冲电流传感器屏蔽壳与励 磁变压器低压母线的绝缘，传感器屏蔽壳与传感 器线圈及输出电缆间的绝缘可耐受交流电压４ ｋｖ；然后，将脉冲电流传感器安装于低压母线排 上；最后，用同轴电缆将电磁传感器信号接入局部 放电监测系统控制箱内。 ２脉冲干扰信号仿真分析 ２．１ 励磁变压器脉冲干扰信号来源 励磁变压器局部放电监测中外部脉冲干扰的 主要来源如图３所示。 一方面，可控硅整流器在整流时会产生周期 脉冲信号（图中电流ｉ：（ｔ）），该信号幅值很大且具 有一定的周期性，在局部放电信号处理的过程中 需对其进行硬开窗处理，因此本文对其传播特性 不做研究。 图３励磁变压器局部放电监测脉冲干扰来源 另一方面，大型发电机槽部、端部和内部等处 极易发生大的局部放电，如图３中脉冲电流ｉ （ｔ） 沿高压母线传播，通过励磁变压器高低压侧绕组 间的耦合电容传递到罗氏线圈处。该信号Ｉ隔值很 大，但是由于母线很长，且母线和励磁变压器具有 很大的电容，因此到达电流传感器时此信号幅值 会发生很大的衰减，其波形也会发生畸变。此类 脉冲信号没有周期性，随机出现在局部放电信号 中，该信号波形与励磁变压器内部局部放电在幅 值上相差不大。因此，这给判断励磁变压器内部 是否发生局部放电造成了很大的困难。 ２．２ ＥＭＴＰ仿真模型及结果分析 本文基于某发电厂｝≠１发电机组发电系统，采 用ＥＭＴＰ软件对脉冲信号在励磁系统中的传播特 性进行了仿真试验研究。发电机高压出线端到电 江天炎，等：罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究 １５７ 力系统如图４所示，发电机到厂用升压变压器的距 常小，故忽略不计，简化模型如图５所示。ｒ０为母 离约为１００ ｍ，到励磁变压器的距离约为３０ ｍ，整个 线的单位电阻，其值约为０．０７２ ３２ ｍ，Ｌ 为母 励磁变压器和电力系统都可以看成是一个电容。 线的单位电感，其值约为０．９２１ ０３ Ｉ，ｚＨ／ｍ，Ｃ 为母 线的单位对地电容，其值约为１２．０６４ ｐＦ／ｍ。母线 长约１００ ｍ，其中点１、２之间的距离为３０ ｍ，点２ 到发电厂升压变压器之间的距离约为７０ ｍ。点２ 与励磁变压器的高压绕组相连接，当高频信号流 过励磁变压器时，励磁变压器可等效为理想式分 可 整 布电容电路，高压绕组与低压绕组之间采用耦合 电容进行连接。ｃ 为发电厂其他部分的等效电容 图４发电系统示意图 （约为０．５ ＩｘＦ），检测阻抗采用ＲＬＣ等效电路代 图５为研究罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲 替，其中电阻、电感、电容值分别为５０ Ｑ、０．００５ 干扰信号的ＥＭＴＰ仿真电路（根据图３与４建 ｍＨ、０．００３ 。监测点１、２、３分别为发电机、励磁 立），仿真过程中母线及励磁变压器都处于理想状 变压器高压绕组及检测阻抗（即理想宽频带罗氏 态。 为一脉冲电压源，模拟发电机产生的局部 线圈）的安装位置，经高压母线传播的外部脉冲干 放电信号，其上升沿时间常数为１０ ｎｓ，下降沿时 扰信号经过高、低压绕组间的耦合电容传播到励 间常数为２０ ｎｓ，幅值为１ Ｖ（如图６所示）；母线为 磁变压器低压绕组侧，进而被局部放电在线监测 单导线的等值集中参数电路，其对地电阻由于非 系统采集。 检测阻抗 ｛Ｉ 土 ｌ 一广］ 土 土Ｌｌ 土 。工一Ｊ 。。士 高 压 绕 Ｔ 组 Ｔ Ｔ Ｔ 丁 Ｔ 丁 ＋ ★ ＋ ★ ＋ ★ ＋ －０ ｆ ］牛土 其他部分 发电厂 图５发电机局部放电信号传播特性ＥＭＴＰ电路 采用ＥＭＴＰ软件对该电路模型进行计算分 而文献［１８］指出：变压器内部局部放电信号为一 析，点３的电压波形（即电流传感器采集的干扰信 幅值逐渐衰减的振荡波，罗氏线圈传感器采集的 号）如图７所示。可见发电机的局部放电信号（即 外部脉冲干扰信号的波形特征与局部放电信号的 外部干扰脉冲信号）经过母线及励磁变压器的振 波形特征具有明显的区别。 荡后，变为一幅值先增大后逐渐衰减的振荡波。 １５８ 重庆理工大学学报 部放电信号的频谱也有着明显的区别，这些为局部 图６脉冲电压源信号 １・５ １・Ｏ ０・５ ＞ 。 一Ｏ．５ ・ｌ Ｏ ．１ ５ 图７ 电流传感器检测到的发电机局部放电信号 ３ 脉冲干扰信号的实测信号分析 为了验证本文提出的仿真模型，在某电厂＃１ 励磁变压器进行了现场验证试验，试验在发电系 统投运前进行。分别在发电机处及励磁变压器内 部注入一放电脉冲（如图８所示），其方波发生器 输出电压为１０ Ｖ，上升沿为３０ ｎｓ，方波发生器端 接入５０ ｐＦ的电容，即注入５００ ｐＣ的电荷（ｑ。＝ Ｕ０Ｃ。ｌ１ ），采用安装于低压母线上的罗氏线圈对 脉冲信号进行采集，励磁变压器Ａ相采集的时域 信号波形及归一化功率图谱分别如图９和１０所 示。结果表明：若励磁变压器内部发生局部放电， 罗氏线圈采集的局部放电信号为一幅值逐渐减小 的衰减振荡波，而罗氏线圈采集的外部脉冲干扰 信号为幅值先增大后逐渐减小的振荡波，其与局 部放电信号有很大的差别；局部放电信号及外部 脉冲干扰信号的频谱都集中于４００ ｋＨｚ左右，与罗 氏线圈的中心频率相吻合，局部放电信号的频谱较 为规则，而外部脉冲干扰信号的频谱经过励磁变压 器绕组传播后，在６５０ ｋＨｚ附近也有能量分布，与局 放电脉冲信号的有效识别提供了必要条件。 图８现场信号采集示意图 ０．５ ＞ 遗。 ．Ｏ．５ 恕 田 蚌 Ｉ 段 （ｂ） 图９局部放电信号及归一化频谱图 ０・５ 言 。 （ｂ） 图１０外部放电脉冲干扰信号及归一化频谱图 江天炎，等：罗氏线圈检测励磁变压器中脉冲干扰信号仿真试验研究 １Ｊ１５９ １Ｊ ４结束语 本文提出了一种研究罗氏线圈检测励磁变压 器中脉冲干扰信号仿真试验方法。首先分析了励 磁变压器低压绕组绝缘承受的电压，提出了励磁 变压器的局部放电在线监测方法。然后采用 ＥＭＴＰ软件建立研究外部脉冲干扰信号在励磁变 压器内部传播特性的仿真电路模型，分析了罗氏 线圈采集的外部脉冲干扰信号的波形特征。最后 在现场进行了局部放电测试试验研究。试验结果 表明：本文提出的仿真模型可以有效模拟外部干 扰脉冲信号在励磁变压器中的传播特性，对分析 励磁变压器局部放电信号具有一定的指导意义， 为励磁变压器局部放电信号的去噪与故障诊断奠 定了基础。 由于篇幅有限，本文仅对励磁变压器局部放 电及外部随机脉冲干扰的信号特征进行了仿真和 试验研究，后续工作将针对励磁变压器局部放电 信号与外部脉冲随机干扰信号进行聚类去噪 研究。 参考文献： 廖瑞金，程涣超，陈辉，等．励磁系统换向过电压阻容 保护装置的仿真研究［Ｊ］．高电压技术，２００７，３３（７）： ２６—２９． 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