变压器绕组的局部放电定位研究_罗旖旎

试验研究变压器绕组的局部放电定位研究罗旖旎1，黄超2（1．长沙电力职业技术学院，湖南长沙410000；2．长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410076）摘要：通过ATP－Draw建立了变压器单绕组模型，模拟了局部放电脉冲在绕组中的传播过程，并介绍了基于分段绕组传递函数的局部放电定位方法。

关键词：变压器；绕组；局部放电；传递函数中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：1001－8425（2009）03－0043－04 Research on Partial Discharge Location in Transformer WindingLUO Yi－ni1,HUANG Chao2（1．Changsha Vocational＆Technical College of Electricity,Changsha410000,China;2．Changsha University of Science＆Technology,Changsha410076,China）Abstract：The model of single phase transformer winding is established by ATP－Draw．The propagation process of partial discharge pulses along the windings is simulated．The method of partial discharge location based on the theory of sectional winding transfer functions is introduced．Key words：Transformer；Winding；Partial discharge；Transfer function1引言变压器的绝缘状况是影响电力系统安全稳定运行的重要因素，而变压器内部产生的局部放电又是导致绝缘劣化的重要原因，因此，局部放电监测对于变压器的安全运行来说是十分必要的。

笔者通过ATP－Draw建立单绕组模型，模拟了局部放电脉冲的传播，分析了局部放电脉冲的传播特性，如信号能量和幅值衰减、波形畸变和延时等。

通过MATLAB程序计算了这些特性与变压器绕组和绝缘结构、脉冲传播的路径和距离存在的关系，并在此基础上进行了研究分析，介绍了基于分段传递函数这一电气定位方法，实现了对变压器单个点局部放电的精确定位。

2仿真分析随着计算机技术的发展，仿真受到了更多学者们的青睐。

由于许多试验是破坏性的、不可逆转的或者是根本无法模拟的，因此无法在现实中进行，而仿真则弥补了这些缺陷。

它具有灵活、适应性强、经济、省时而且能重复进行的特点。

为了对变压器局部放电源进行电气定位，需要了解在不同位置发生的放电脉冲沿绕组传播至测量点的变化规律，探求放电位置不同时脉冲传播的差异，利用ATP－Draw仿真软件结合MATLAB能很好地对此进行研究。

2．1建立单绕组模型变压器绕组实质上是由类似均匀传输线的导线绕制而成，传播局部放电信号的变压器绕组可认为是一个分布参数网络。

在ATP－Draw中变压器单绕组模型如图1所示，其中R、L、C、K分别是绕组单位长度的电阻、主电感、对地电容和纵向电容。

从图1中可见，该模型由N个相同结构的段落组成，并在0123N－1N－2N R LK Cy1y2 x x图1变压器绕组模型Fig．1Model of transformer winding第46卷第3期2009年3月TRANSFORMER Vol．46MarchNo．32009第46卷电路单元段落连接的节点处编号。

模型在一定程度上能反映出变压器绕组在一定频率范围的特性。

绕组模型两端分别表示高压套管末屏接地和中性点接地，上面均接有检测电阻。

当变压器内部发生局部放电时，放电脉冲沿绕组传播到达测量端，从两端的检测电阻上可以得到放电脉冲信号，该放电脉冲包含了丰富的放电特性和局放定位所需的有用信息，通过对放电脉冲进行分析，可以确定局部放电源的位置。

2．2分段传递函数法对于模拟绕组中发生单个局部放电源放电的情况，可以把图1简化为图2来说明。

根据分段传递函数法，把绕组模型分为N 节，那么有（N －1）个节点处可能发生局部放电，假设局部放电发生在K 号节点处，把放电点到两端的传播路径分别看成两个系统，根据信号与系统，检测到的输出信号为输入信号与系统传递函数的卷积。

y 1（t ）＝x （t ）·h 0（t ）·h 0（t ）…h 00000000K （t ）y 2（t ）＝x （t ）·h 0（t ）·h 0（t ）…h 00000000（N－K ）（t ω0ωω）（1）由于仿真中每个段落的元件及参数都是相同的，其中h 0（t ）表示每段结构的传递函数的时域形式。

利用MATLAB 进行快速傅里叶变换（FFT ），把输出信号y 1（t ）和y 2（t ）转换到频域范围后，可得：Y 1（j ω）＝X （j ω）·H 0（j ω）·H 0（j ω）…H 0（j ω）＝X （j ω）·H K0（j ω）Y 2（j ω）＝X （j ω）·H 0（j ω）·H 0（j ω）…H 0（j ω）＝X （j ω）·H N －K 0（j ωω00ωω）（2）同样，H 0（j ω）表示每段结构的传递函数的频域形式，也称之为基本传递函数。

对两端采集到的输出信号进行如下计算：H （j ω）＝Y 2（j ω）Y 1（j ω）＝H 0N－K （j ω）H 0K（j ω）＝H 0N －2K（j ω）＝H 0（j ω）N －2K（3）式（3）中排除了局部放电源这一输入信号的因素，使得H （j ω）仅仅取决于基本传递函数H 0（j ω）的（N －2K ）次方，其中N 是可以在仿真中设置的参数，而且H 0（j ω）曲线可以由输出曲线计算得出，所以局部放电源不同的位置参数K 成为影响H （j ω）曲线的重要因素。

因此，可以根据计算得到H （j ω）的不同来定位局部放电源的具体位置K 。

其中变压器绕组的单位段落如图3所示。

根据图3可以得出基本传递函数如下：H 0（j ω）＝U 0U i＝1j ωC1j ωC ＋（R ＋j ωL ）·1j ωK （R ＋j ωL ）＋1j ωK＝1＋j ωRK －ω2LK1＋j ωR （K＋C ）－ω2L （K＋C ）有：H （j ω）＝H 0（j ω）N －2K3单点定位的仿真算例绕组在15节～25节内最能代表实际变压器的绕组特性，在单个局部放电点的ATP－Draw 仿真中，设置变压器绕组模型为N ＝20节，为电路单元的节点编号从1号～19号。

ATP －Draw 中HEIDLER －Surge function 函数用来模拟局部放电电源，即在图2的变压器绕组某段注入双指数电流脉冲模拟局部放电源，其波形如图4所示。

上升时间为0．002ms ，下降到峰值30％的时间为0．06ms 。

设置绕组模型中的元件参数为：L ＝220mH 、C ＝2500pF 、K ＝450pF 、R ＝10Ω。

在此算例中设置单个局部放电源x （t ）位于在9号节点处时，从两端的检测电阻上可以得到的输出曲线如图5所示。

y 1（t ）电流曲线在0．047ms 出现起始电压，0．259ms 到达第一个电流峰值，为0．4822A 。

y 2（t ）电流曲线在0．133ms 出现起始电压，0．309ms 到达第一个电流峰值，为0．4675A 。

可以看出，局部放电在传播中信号幅值发生了衰减、波形严重畸变并伴随着时延等现象。

随着局部放电点距离两端检测12KN －3N －2N －1y 2（t ）y 1（t ）x （t ）图2简化的变压器绕组模型Fig．2Simplified model of transformer windingRLKCU o U i＋－＋－图3变压器绕组的单位段落Fig．3Unit section of transformer winding44罗旖旎、黄超：变压器绕组的局部放电定位研究第3期阻抗位置的远近不同，起始电压出现的时刻有着较大的差别，由于算例中绕组为20节，局部放电位置在9号节点位置，距离左边检测阻抗较近，因此，左边检测阻抗上的输出信号y 1（t ）出现起始电压的时间明显较y 2（t ）的早。

从ATP－Draw 中检测到的信号是以图的形式，在MATLAB 中以图形：H 9＝Y 2（j ω）Y 1（j ω）＝H 0N－K（j ω）H 0K （j ω）＝H 0（j ω）N －2KN ＝20，K ＝9（4）把局部放电源的位置分别放置在绕组模型的1号、2号、3号……19号节点处，根据局部放电位置的不同，通过仿真可以得到19组不同的输出信号y 1（t ）和y 2（t ）。

在MATLAB 中，仍然通过对信号进行FFT ，得到每组曲线的两条频谱信号Y 1（j ω）和Y 2（j ω），再对这两条频谱曲线进行相除，根据公式（4）可以得到相应的19组传递函数的曲线，相应的标记为H 1、H 2……H 19，这19组曲线可成为局部放电定位的基础数据库，由于它们仅仅决定于变压器绕组模型的参数，因此也可以通过计算的方法得出，不过通过仿真计算程序得出的比较直观，而且也利于后续的分析。

得到H 1、H 2……H 19后，开始利用它们来进行定位。

假设单个局部放电源发生在Y 号节点处，同时局部放电源的波形曲线都是未知的，这很符合实际中变压器发生故障的情况。

放电在绕组模型中传播，测到两端检测信号y Y 1（t ）和y Y 2（t ）的电流曲线，将y Y 1（t ）和y Y 2（t ）用MATLAB 进行FFT 后，得到相应的Y Y 1（j ω）和Y Y 2（j ω）的频谱曲线，仍然根据公式（4）计算得到曲线H Y ，再对H Y 与先前得到的H 1、H 2……H 1919个图形相关系数分析，会发现相关系数在－1～1之间．利用模糊数学的原理可以认为相关系数为0．5以下的两条曲线基本上不相关，0．5及以上则认为相关性很大。

从某局部放电监测装置上得到输出信号，根据H Y ＝Y Y 2（j ω）Y 1＝H 020－2Y ，并对H Y 与先前得到的H 1、H 2……H 19这19个图形进行相关分析，得到的相关系数如表1所示。

从表1中可以看出H Y 与H 14的系数在所有曲线里最大，那么可以认为局部放电发生在14号节点处。

利用分段函数法对单个局部放电点的定位经过了多次的仿真验算，证明了定位的可靠性。

4结论对于变压器制造厂家和现场监护人员来说，在确定变压器内部存在局部放电的同时，需要快速准确地对局部放电进行定位，这对于迅速排除故障、保障电力系统的正常运行具有重要意义。