變壓器中超高頻電磁波的傳播特性

變壓器中超高頻電磁波的傳播特性

0變壓器超高頻局部放電自動識別系統(tǒng)檢測頻率高、抗干擾性好、在線檢測方便的超高頻率技術(shù)的頻率很高，近年來發(fā)展迅速。作者利用超高頻天線和超高頻局放測量系統(tǒng)探討變壓器超高頻局放檢測的結(jié)論與文一致。作者還將計算機輔助測試系統(tǒng)與超高頻檢測技術(shù)相結(jié)合,研制了一套變壓器超高頻局部放電自動識別系統(tǒng),提取了不同變壓器典型局放模型表征局部放電狀態(tài)的特征參數(shù),建立了相應(yīng)的特征指紋庫,初步實現(xiàn)了故障診斷和缺陷類型的自動識別。然而,上述研究是在實驗室中進行的,對電力變壓器而言,局部放電發(fā)生在變壓器內(nèi)的油-隔板絕緣中,絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜,電磁波在其中傳播時會發(fā)生多次折反射及衰減,同時,變壓器內(nèi)箱壁也會對電磁波的傳播帶來不利影響,這就增加了局部放電超高頻電磁波檢測的難度,所以,深入研究局部放電超高頻電磁波的傳播機理十分必要。1動態(tài)位與充放電流密度的關(guān)系通常電力變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中的局部放電可看成是由一點源發(fā)出的,當(dāng)絕緣介質(zhì)某處發(fā)生局部放電時,所產(chǎn)生的電磁擾動隨時間變化產(chǎn)生電磁波,它們遵循麥克斯韋的電磁場基本方程。引入動態(tài)向量位A和動態(tài)標(biāo)量位φ分析局部放電產(chǎn)生的時變電磁場時,麥克斯韋基本方程組轉(zhuǎn)化為動態(tài)位方程:{?2A=-μδc+?(με?φ?t)+?(?A)+με?2A?t2??2φ+???A/?t=-ρ/ε。(1)式(1)為動態(tài)位與激勵源ρ和電流密度δc之間的關(guān)系,設(shè)V為電荷的分布空間,則其解為:φ(x?y?z?t)=14πε∫Vρ(x′?y′?z′?t-r/υ)rdV?A(x,y,z,t)=μ4π∫Vδc(x′?y′?z′?t-r/υ)rdV。(2)式(2)說明局部放電電磁波以速度υ沿著r方向傳播,它是時間與位置的函數(shù),是一種橫電磁波(TEM波),其能量沿電磁波的傳播方向流動。在變壓器超高頻局部放電檢測過程中,TEM波從放電點傳播到超高頻傳感器可能會遇到3種情況:(1)經(jīng)過單一絕緣介質(zhì)(變壓器油)傳播到接收天線;(2)經(jīng)復(fù)合絕緣介質(zhì)(油-隔板)傳播到接收天線;(3)傳播過程中遇到金屬導(dǎo)體(變壓器箱體)。要有效地進行超高頻局部放電檢測,首先需要了解局放電磁波在以上3種情況下的傳播特性。1.1能量密度及傳播方向在絕緣介質(zhì)中,局放電磁波的傳播速度υ僅決定于介質(zhì)的性質(zhì),其波前平面(平行于xy平面)沿z軸傳播的速度υ=dz/dt=l/√εμ,絕緣空間任一點的電磁場能量密度w=μH2y=εE2x,而局放電磁波在絕緣介質(zhì)中傳播的坡印亭矢量S=EH=υw,它表明,絕緣介質(zhì)中電磁能量沿電磁波傳播方向流動,能量流動的速度即為波速,在傳播過程中能量密度等振幅傳播保持不變,也就是說,超高頻局放電磁波在單一絕緣介質(zhì)中是無衰減傳播的。1.2界面反、透射關(guān)系由于不同介質(zhì)存在著界面,電磁波在界面處發(fā)生反、透射,在界面上入、反、透射波之間的關(guān)系決定于邊界條件,任意點源可展開成TE和TM型z方向平面波譜的積分型疊加,而平面電磁波在平面分層復(fù)合介質(zhì)中的傳播,可用反、透射系數(shù)描述。設(shè)有一TE型z向平面電磁波分量入射到圖1的單界面(z=0)處,則上半空間同時存在入、反射波,而下半空間只存在透射波,它們的場可分別為:{e1y(z)=e0exp(-ik1zz)+RΤEe0exp(ik1zz)?e2y(z)=ΤΤEe0exp(-ik2zz)?(3)其中,RTE和TTE分別為界面處反、透射波與入射波幅值之比,稱為局部反射系數(shù)和透射系數(shù);ki2=√(k2i-k2ρ),k2i=ω2μiεi?i=1或2。在z=0界面處要匹配應(yīng)滿足下列邊界條件:e1y=e2y?√μ1de1y/dz=√μ2de2y/dz,故有:{RΤE=(μ2k1z-μ1k2z)/(μ2k1z+μ1k2z)?ΤΤE=2μ2k1z/(μ2k1z+μ1k2z)。(4)同理可導(dǎo)出TM波在介質(zhì)單界面處的局部反、透射系數(shù):{RΤE=(ε2k1z-ε1k2z)/(ε2k1z+ε1k2z)?ΤΤE=2ε2k1z/(ε2k1z+ε1k2z)。(5)由式(4)、(5)可知,當(dāng)兩種絕緣介質(zhì)的ε和μ接近時,電磁波幾乎無反射,全部透射到下一層介質(zhì)中;但當(dāng)兩種介質(zhì)的ε和μ相差較大時,局部放電產(chǎn)生的電磁波將在界面處產(chǎn)生反射,不能全部透射到下一層介質(zhì)中。在多層介質(zhì)中,由于各層介質(zhì)的介電特性不同,電磁波在界面處產(chǎn)生多次反、透射現(xiàn)象,導(dǎo)致電磁波傳播特性變化。根據(jù)單層介質(zhì)中電磁波的界面反、透射關(guān)系,可遞推出多層介質(zhì)中電磁波的界面反、透射關(guān)系。經(jīng)過多層絕緣介質(zhì)傳播后,透射的局部放電電磁波波幅將產(chǎn)生一定的衰減。1.3磁體對微波傳播的影響1良導(dǎo)體及變壓器實際需求局放電磁波在均勻?qū)щ娊橘|(zhì)中的傳輸特性可由包含3個電磁常數(shù)ε、μ、γ的波動方程決定:?2E-jωγμE+ω2εμE=0(6)對于弱導(dǎo)體(γ/ωε?1),傳輸參數(shù)可簡化為:{α≈(γ/2)√μ/ε(1-γ2/8ω2ε2)?β≈ω√με(1+γ2/8ω2ε2)?υp≈(1/√με)(1-γ2/8ω2ε2)?Ζ≈√(μ/ε)(1+jγ/2ωε)。(7)其中,α、β、υp和Z分別為衰減常數(shù)、相位常數(shù)、傳播速度和波阻抗。此時電磁波的傳輸速度只是比理想介質(zhì)中的傳播速度稍有下降。對于良導(dǎo)體(γ/ωε?1),傳輸參數(shù)近似為:{α≈√ωμγ/2,β≈√ωμγ/2；υp≈√2ω/μγ,Ζ≈√ωμ/γ∠π/4。(8)在良導(dǎo)體中α、β都很大,表明電磁波經(jīng)良導(dǎo)體后衰減大,單位長度的相移也大,相速與空氣中的聲速有相同的數(shù)量級,特性阻抗小,且包含感性成分。在良導(dǎo)體中沿z方向傳播的電磁波,由于能量損耗而使場量(電、磁場強度及電流密度等)都按e-αz的指數(shù)規(guī)律衰減,且隨著電、磁導(dǎo)率的增加、頻率的升高而衰減得越快。因此,良導(dǎo)體表面處的場量最大,愈深入內(nèi)部,場量愈小。電磁波的電、磁場總是集中在導(dǎo)體表面,其趨膚深度為:δ=1/α=1/β=√2/ωμγ。(9)頻率為1GHz的電磁波,對變壓器箱體的趨膚深度約0.119μm。因此,由理論推導(dǎo)可知,在電力變壓器超高頻局部放電測量中,變壓器的金屬箱體外殼對測量影響很大,需采取措施才能檢測到電磁波,如將超高頻傳感器置于變壓器內(nèi)部等。2te波與tm不射射線是否設(shè)置的,指事物有在絕緣介質(zhì)1與導(dǎo)電媒質(zhì)2的分界面上,式(4)、(5)仍成立。實際金屬導(dǎo)體的表面可用理想導(dǎo)體邊界來代替,故有:RΤE=-1；RΤΜ=1；ΤΤE=ΤΤΜ=0。(10)這表明無論TE波還是TM在理想導(dǎo)體表面上都將發(fā)生全反射,而不能透射入導(dǎo)體內(nèi)部。在電力變壓器局部放電測量中,將超高頻傳感器置于變壓器內(nèi)部固然可提高檢測靈敏度,但變壓器箱體對電磁波的反射會使測得的波產(chǎn)生畸變,這將給局放電磁波的準(zhǔn)確檢測帶來一定的困難。2實驗與結(jié)果分析2.1油—油—隔板絕緣結(jié)構(gòu)的影響文對變壓器超高頻局部放電測量系統(tǒng)進行了詳細(xì)介紹,其頻譜分析儀選用Tektronix2712,工作頻帶為9kHz～1.8GHz,中心頻率可調(diào),可采用POW模式記錄5!MHz帶寬內(nèi)的時域放電信號,能滿足工程測試要求。實驗室局部放電模擬和接收裝置見圖2。將各種放電模型置于封閉的變壓器箱體(50cm×60cm×50cm,箱體壁厚4mm)中模擬變壓器中的局部放電,箱體內(nèi)裝滿變壓器油,箱體外殼接地,形成屏蔽結(jié)構(gòu)。高壓電源通過箱體壁上的小孔給模擬局放源供電,放電產(chǎn)生的電磁波由安裝在箱體壁上的超高頻傳感器接收后,送入頻譜分析儀。超高頻傳感器置于箱體內(nèi)部,伸入箱體內(nèi)3cm。如對紙板內(nèi)部放電,頻譜分析儀采用POW模式,測量中心頻率為580MHz,帶寬5MHz,對式樣加壓至10kV測量。局部放電發(fā)射的超高頻電磁波經(jīng)單一絕緣介質(zhì)(變壓器油)傳至超高頻傳感器時測得的譜圖見圖3(a)。將不同厚度的絕緣紙板(已烘干和真空浸油處理)制成小盒置于傳感器前方,模擬油—隔板復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)對電磁波傳播的影響,圖3(b)是放置2mm厚小盒時頻譜分析儀測得的譜圖,圖3(c)是同時放置3個1mm厚小盒時(盒間距離均為3cm)頻譜分析儀測得的譜圖。由圖3看出,超高頻局放電磁波在油—隔板復(fù)合絕緣中傳播時產(chǎn)生一定的衰減,但衰減幅度不大,絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜衰減相對增大。變壓器油的介電常數(shù)與油浸紙板雖較接近但并不完全相同,紙板表面發(fā)生反射,有少量能量不能透射過去,但影響不大。這樣,對于發(fā)生在變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中任意部位的放電,超高頻方法較其它方法能更好地檢測到。2.2屬于放電輻射屏蔽將超高頻傳感器從變壓器箱體中取出置于空氣中,其它測試條件與2.1節(jié)中的完全相同,此時頻譜分析儀測得的放電譜圖見圖4。比較圖3(a)和圖4可看出,外置傳感器會大大降低檢測靈敏度,此時變壓器的外殼鐵箱把很大部分的放電輻射屏蔽掉,但仍有少量電磁波由接縫及出線端口散出,如果箱體屏蔽效果好就很難檢測到。因此傳感器的放置位置對于超高頻法的檢測靈敏度至關(guān)重要,傳感器放在變壓器內(nèi)部,將所測得信號通過一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從