变压器带电状况信号的提取与识别

变压器带电状况信号的提取与识别

周小铃陈桄耀何智祥曾永浩

（广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000）

摘要：由于变压器内油流速度的增加，变压器油与固体绝缘表面电荷加剧了分离，由于油中游离电荷的泄放能力降低，从而使变压器油流带电问题成为影响电网安全稳定运行的因素之一。对绝缘油流动带电度进行定量分析，计算绝缘油的流动带电量值，降低影响带电量的因素，对避免灾害性事故的发生是非常有益的。本文分析了变压器带电状况信号的提取与识别。

关键词：变压器带电状况；信号；提取；识别

变压器绝缘系统一般是由变压器油和绝缘纸组成的。当绝缘油在绝缘纸表面流过时，由于摩擦、油温和水分变化等原因，以及至今还难以解释的一些因素，引起固体与液体界面上的电荷的分离，即接触表面静电荷的产生和静电荷极性的改变，使电荷重新排列、集聚，油液被充电。

一、变压器油流带电机理的分析

1.流动带电的形成过程。变压器绝缘系统一般是由变压器油和绝缘纸组成的。当绝缘油在绝缘纸表面流过时，由于摩擦、油温和水分变化等原因，以及至今还难以解释的一些因素，引起固体与液体界面上的电荷的分离，即接触表面静电荷的产生和静电荷极性的改变，使电荷重新排列、集聚，油液被充电。为达到对变压器冷却的目的，常采用油泵强制将油流从绕组底部流入并从顶部流出。这股油流流过变压器内的绝缘物时，如果油液本身的充电趋势较强、流速较大，将使电荷快速集聚，形成电位差使液体带电，给充油设备带来危害，影响电力设备的安全运行。总的来说，变压器油流带电机理可从油流的流动作用和交流电场的电动作用两方面来认识。

2.变压器油流动作用下带电机理分析。变压器绝缘纸中含有纤维素和木质素，它们带有羟基。此外，木质素还带有醛基和羧基。在这些基团中的氧原子具有较大的电负性，吸引与其结合的氢原子中的电子，使氢原子带正电。这样，当绝缘油与绝缘纸相接触时，绝缘纸表面的正电荷就吸引油中的负电荷，在表面形成固定层，而油中的负离子被固定层吸引，靠近负电荷层形成一层称为附着层的正电荷层。在这种由固定层和附着层形成的偶电层结构中，因变压器油高速流动，偶电层的电荷发生分离，负电荷仍附着在绝缘纸板的表面，正电荷随油流动，形成的油流带正电荷。随着变压器油的循环流动，被带走的正电荷在油中的浓度差就显示出来。另一种研究认为，油的流动使得油-纸界面形成扩散次层，而油中负离子在油-纸界面能对纸板发生基于电化学反应的放电作用。这样，界面处负离子浓度降低，在油体内部与界面处形成负离子的浓差梯度，从而使大量的负离子在浓差扩散力的作用下，从油体内部源源不断地越过扩散次层而到达界面，并对界面放电。最后，油中正离子过剩使得油体带正电，绝缘纸板表面就带负电。尽管不同的研究对变压器油流作用下带电机理有不同的解释，但对电流带正电荷和绝缘表面带负电荷的观点是一致的。

二、变压器带电状况信号的提取与识别

实际应用中，由于受众多非理想因素（如旋转变压器的机械构造、电路不对称）的影响，旋转变压器检波后的包络信号并非理想的完全正交信号，而是存在直流偏置、幅值不等和相位偏移。检波后信号可描述为：，式中：as为增益系数；β为相位偏移；bs、bc为直流偏置。此时若直接对信号进行解调，必将造成较大的误差。可先通过离线方式求取各未知量，进而对包络信号进行补偿。控制伺服电机按照一定形式的速度旋转，按照式对采集所得的包络信号进行修正。然后，采用前述的基于状态观测器的解调方法对其解调，获取角位置及角速度，并与利用光电码盘所获取的角位置及角速度信息相减，得到角位置及角速度误差。对于角位置的解调误差，观测器法均优于反正切法；而对于角速度解调误差，除正弦速度情况下，其他速度形式均优于反正切法一个数量级。所采用梯度估计算法能够很好地解算出包络信号中的直流偏置、幅值不等和相位偏移。应用中的主要问题是如何选择小波基，采用不同的小波基处理信号，实现方法的难易程度以及处理结果不相同。对连续性的模拟信号进行小波变换，需要实时性高，并且要求电路结构简单，避免由于电路参数上的误差影响转换精度。在高精度的角度位置控制系统中，通常采用旋转变压器作为传感器。旋转变压器是一种能输出与转子转角呈某种函数关系的电信号的交流微电机。由于专用的旋转变压器/数字转换器件的价格较高，通常采用由模/数转换器对正余弦信号进行转换，再通过处理或查表得出角度。

由于变压器的输出包含着位置信息的模拟信号，需对其处理并将其转换成对应的包含着位置信息的数字量，才能与单片机或控制芯片接口。这就需要设计相应的信号转换电路或者使用专用的变压器—数字转换器来实现，后者由于有功能强、可靠性高、使用方便等优点而被广泛采用。采用比率跟踪转换方式，使之能连续输出位置数据而没有转换延迟并具有较强的抗干扰能力和远距离传输能力。将变压器输出的模拟位置信号转换成数字位置信号，而且同时还可以得到高精度的速度信号，能够很好地满足数字式交流伺服系统中对交流电机的位置及速度反馈信号的要求。为了使变压器负载时的输出电压不产生畸变，仍是转角的正余弦函数，则希望转子正余弦绕组的负载阻抗相等，以补偿由于负载电流引起的与垂直的会引起输出电压畸变的磁通势。

三、影响因素

在不施加外加交流电场的情况下，调整不同的油温在20℃～70℃之间变化，随着温度的增大，总的泄漏电流逐渐增大，在低流速的情况下趋势稍弱，而流速越高，温度对总的泄漏电流的影响越大。考察不同温度和流速情况下总的泄漏电流的变化情况，外加交流电场在一定程度上增大了总的泄漏电流。而且随着外加交流电场的增大，总的泄漏电流会逐渐增大。应对措施：一是降低运行温度。油的充电趋势是随温度增加而增强的。在上面的计算中，最高温度取70℃。对于一台变压器，充电水平存在一个最大值，这个值由叫做“驰豫”的一个电荷泄漏过程所决定。最大充电趋势发生在某个中间温度值附近。但在一般变压器运行过程中，降低油温对减轻油流带电是有利的。

二是降低外加激励。流动起电强度与交流场强成正比。目前在流动油液与机制纸板系统中的研究表明，交流场强增大的影响能增强局域化的电荷密度。因此，在高电压等级的变压器中应当重视油流带电及其破坏性。三是降低油流的湍流。有研究指出，静电电荷的运动及产生不取决于扩散，而取决于油的湍流运动。当表面粗糙度较大，或者存在孔等突变结构情况下都容易产生湍流。当流速降低时，油液向层流状态发展，湍流电流会降低。

四、结束语

随着变压器向大容量和超高电压等级的发展，且变压器的绝缘结构设计日趋紧凑，介质绝缘性能普遍提高，变压器带电现象日益引起重视。油流带电的因素很多，通过对油流带电的机理进行分析，对带电进行计算，可以定量分析油流带电的影响因素。在变压器油自身特性的基础上，通过改变变压器油运行过程中的流速、油温、外加电场、流型以及冷却方式等，可以在一定程度上降低带电程度，提高变压器运行的安全性。

参考文献：

[1]周刚，咸日常，赵利.大型变压器中的油流带电现象及抑制对策[J].山东电力技术，2015（2）：46-48.

[2]涂愈明，王赞基，江缉光，等.超高压变压器油流静电带电问题的研究现状[J].变压器，2015，34（6）：1-8.

[3]欧浩源，陈晓竹.高精度测微仪激励信号发生电路设计与实现[J].仪表技术，2015（11）：22⁃24.