气隙局部放电模型的Simulink仿真研究
曹雯, 张云娟, 宋倩文, 张永宜     
西安工程大学 电子信息学院, 陕西 西安 710048
摘要: 电气设备经常会由于多种原因而存在气隙缺陷,气隙缺陷会导致电气设备局部放电的发生,不利于电气设备的正常运行.本文对含有气隙缺陷的试样进行局部放电研究,通过Simulink实现仿真过程,并观察设备存在气隙时,发生局部放电的物理过程和变化规律.应用工程计算的方法,确定Simulink仿真中的关键参数,从而使模拟仿真更接近于绝缘试品中气隙缺陷的实际放电过程,为了解局部放电的发生机理提供更加准确、直观的依据.
关键词: 局部放电     气隙缺陷     Simulink仿真    
Simulink simulation of partial discharge of air gap
CAO Wen, ZHANG Yunjuan, SONG Qianwen, ZHANG Yongyi     
School of Electronics and Information, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China
Abstract: Air gap defects exit in the electrical equipment due to a variety of reasons, which can lead to partial discharge, further affecting the normal operation of the equipment.The partial discharge of air gap defects is studied. The simulation process was realized by Simulink, and the physical process and the law of change of partial discharge were observed in presence of air gap in the equipment insulation. The approximate algorithm was applied to calculate the key parameters, which made the simulation closer to the real situation in insulation test. And it can provide a more accurate and intuitive basis for understanding the mechanism of partial discharge.
Key words: partial discharge    air gap defects    Simulink simulation    
0 引言

随着电力系统的发展和高电压传输电路的广泛应用, 安全可靠的电气设备对电力系统有非常重要的影响.而电气设备不可避免会发生局部放电, 因此, 局部放电的研究对电力系统的正常运行有重要的意义[1].在电气设备的绝缘介质内部, 经常会由于各种因素存在一些缺陷, 其中最常见的是在设备的制造与安装过程中, 因为很多不可避免的原因导致微小气泡或气隙留在电气设备内部[2].由于空气的介电常数远远小于固体介质, 气泡的电场强度又高于固体介质, 故而这些气泡或气隙缺陷部位会先发生局部放电[3-4].

在局部放电发生时, 单次放电产生的能量非常微弱, 不能快速形成放电通道, 所以短时间内不会影响介质的绝缘强度.但是在电场的长期作用下, 放电会逐渐积累, 使绝缘的介电性能逐渐劣化, 并导致局部缺陷范围扩大, 在绝缘介质中产生贯穿的放电通道, 最终会分解、破坏绝缘介质, 使其发生不可逆转的破坏, 因此对气隙局部放电的研究具有非常重要的意义[5-6].文献[7]研究了单气隙局部放电仿真模型的修正方法以及关键参数的确定, 考虑了气隙放电的时间过程以及放电的电子崩过程, 最终得到的结果不同于国外仿真得到的锯齿波, 更加接近真实波形;文献[8]研究了固体绝缘中气隙尺寸对局部放电特性的影响, 归纳了不同场强下, 不同几何尺寸缺陷的放电发展, 观察出各自的放电差异.但是他们都没有考虑到检测电阻参数的选择对仿真结果的影响.而该研究在对模型及仿真的计算参数研究的基础上, 运用Simulink对气隙局部放电波形进行模拟仿真, 并利用ATPDraw软件研究检测阻抗对仿真结果的影响, 确定最佳的检测阻抗参数.对结果进行研究分析, 观察不同条件下气隙局部放电的变化规律, 通过对放电规律的研究可以进一步了解局部放电的发展过程与发生机理.

1 局部放电

在电气设备的绝缘系统中, 各部位的电场强度不相等, 当局部场强达到该区域绝缘介质的击穿场强时, 该区域就会发生局部放电.局部放电的发生会带来很多相应的声、光、电等物理、化学现象, 基于这些现象, 对应产生了很多局部放电的测量方法, 如光检测法、红外检测法等[9-11].

脉冲电流法是研究最早的检测方法, 由于其灵敏度高, 能够检测局部放电量, 而且收集到的电信号便于后期处理, 因此脉冲电流法也是应用最为广泛的检测方法.脉冲电流法分为并联法、串联法、平衡回路法.

由于放电发生在小气隙中, 放电容量较小, 故该仿真选用脉冲电流法的串联法进行仿真回路设计.为便于研究, 常用三电容模型[12]来表示固体介质内含有气隙的情况, 如图 1所示.其中,Cg为气隙电容, Ca为与气隙串联部分介质的电容, Cm为试样其他部分介质的电容, u为外加电压, ug为气隙上的电压, ua为与气隙串联部分介质上的电压.

图 1 单气隙局部放电的三电容模型 Figure 1 Three capacitance model of partial discharge in single air gap
2 Simulink仿真

该仿真主要利用Simulink的信号与系统模块、连续系统模块、数学运算模块以及电力系统专业模块中的各个电力电子元器件、电源模块以及测量元件等对气隙缺陷试样的局部放电进行模拟仿真.

2.1 仿真等效电路的构造

基于三电容模型对含有气隙的试样等效仿真, 实际上气隙是由气隙上的电容Cg以及电阻Rg 2部分组成的, 而Rg又包括气隙体积电阻Rg1和气隙表面电阻Rg2两部分, 对应的脉冲电流法测量电路如图 2所示.其中,UAC为交流电压源, R为保护电阻, L为滤波器, Ck为耦合电容器, Zm为检测阻抗, Cg为气隙上的电容, Rg1为气隙体积电阻, Rg2为气隙表面电阻, Cm为试样其他部分介质的电容, Ca为与气隙串联部分介质的电容.当局部放电发生时, 气隙电阻会半导电化[7], Rg1Rg2在局部放电发生的时候变化为其相应的半导电化电阻Rg1或者Rg2.

图 2 脉冲电流法测量单气隙局部放电的等效电路模型 Figure 2 Equivalent circuit model for measuring partial discharge in single air gap by pulse current method
2.2 参数选择

在该仿真模型中, 许多因素都将会影响到最终的仿真结果.文中研究的是单气隙绝缘缺陷试样的局部放电, 而对于绝缘缺陷试样, 当试样的质地、形状、尺寸和气隙的形状、尺寸、位置以及气隙中的气压等各个主要参数确定后, 就可以使用经验方法、经验公式以及通用工程计算法则对仿真参数进行计算, 得到近似的数值.

2.2.1 试品参数选择

该文采用30 mm×30 mm×30 mm的环氧作为绝缘试样对局部放电进行仿真.在试样的中心位置建立一个底面半径a=3 mm,高h=7 mm的圆柱体气隙作为绝缘缺陷, 气隙内的气压p=1×105 Pa, 试验电压为UAC=50 kV, f=50 Hz, 加在试样两端的电极为平板电极, 两极板间的间距为d=30 mm.

利用上述试样的给定参数和以下工程计算公式[13], 可以求得气隙的起始放电电压Ui、放电熄灭电压Ul以及放电起始和熄灭时对应的电场强度EiEl[8, 14].

${E_i} = 25.2p\left( {1 + \frac{B}{{{{\left( {2ap} \right)}^{\frac{1}{2}}}}}} \right),$ (1)
${U_i} = {E_i} \cdot h,$ (2)
${U_i} = 1.304 \cdot {U_l},$ (3)

其中, B为与气隙中气体有关的常数, 当气隙为空气时, B=8.6(Pa·m)1/2.

将固体绝缘介质的相对介电常数ε=2.6, 真空介电常数ε0=8.85×10-12 F/m, 气隙的底面半径a, 高h, 气隙中的气压p, 两极板间距d, 高压电源UAC等参数代入上式和文献[15-16]中相关等式中计算, 可得到放电起始时对应的电场强度Ei=3.405×106 V/m, 起始放电电压Ui=23.8 kV, 放电熄灭电压Ul=18.28 kV, 气隙电容Cg=0.056 pF, 与气隙串联部分介质的电容Ca=0.028 pF, 试样剩余部分介质的电容Cm=0.552 pF.

参考以往国内外学者的实验成果和研究经验[14-17], 本文所设定的放电前气隙体积电阻Rg1和气隙表面电阻Rg2的数量级约为1010 Ω, 分别为Rg1=2×1010 Ω, Rg2=6×1010 Ω.而放电发生后其所对应的半导电化电阻Rg1Rg2的数量级约为105 Ω.

2.2.2 检测阻抗参数选择

检测阻抗的作用是在局部放电发生时, 抑制试验电源的工频及谐波低频信号, 并在脉冲电流经过检测阻抗后, 产生一个脉冲电压.该仿真中, 检测阻抗是关键部件, 对仿真结果具有重要的作用.故检测阻抗参数的选择非常重要.

利用ATPDraw电力电子仿真模拟软件, 搭建回路, 如图 3(a)所示.其中电流源模拟局部放电发生时产生的脉冲电流, 单个脉冲产生的电荷量为5 pC.电流源的波形如图 3(b)所示, 它在检测阻抗两端将会产生一个脉冲电压.其中检测阻抗Zm采用RC型, 由RdCd组成.电压检测元件用来观察脉冲电压波形.

图 3 ATPDraw的仿真电路图以及仿真中的脉冲电流源波形 Figure 3 The simulation circuit of ATPDraw and the waveform of simulation pulse current source

当试样发生局放时, 电流源对电容Cd充电, 当Cd上的电压达到峰值后, 电荷通过电阻Rd泄放, Cd上的电压逐渐降低.改变Rd可调解Cd两端脉冲电压的上升速率, Rd越大, 电压上升越慢.在相同的放电量下, Cd越小, 其两端脉冲电压峰值越大, 故可选取较小的电容来提高检测阻抗的灵敏度, 但若灵敏度过高, 又会使得放电量较大的放电脉冲电压经差分放大后超出采集卡允许的电压输入范围.文中采用NI公司型号为USB-5132的采集卡, 其电压出入范围为-20~20 V.由于实验过程中无法避免干扰的存在, 而当放电十分微小时, 会湮没于干扰之中, 并随着干扰一起被滤除, 因此脉冲电压的幅值至少为mV级时才能被检测到.充电完成后, 电容电压是以τ=Cd×Rd为时间常数随时间衰减的负指数函数, 因此增大CdRd都会使电压的衰减变慢.而在采集卡采样率一定时, 脉冲电压衰减越慢, 其测量误差越小; 但若衰减过慢, 又可能会导致相邻两次放电脉冲信号叠加, 产生测量误差, 且无法正确分辨放电次数.根据经验公式, 当产生的脉冲间隔时间小到接近3倍于检测阻抗的时间常数τ时, 脉冲信号便会出现明显的叠加现象.而一个脉冲至少需要采集10个点进行描绘, 否则会造成波形失真, 且在50 Hz实验电压下, 当每1/4周期能分辨的脉冲数N=1/600τ,且不小于250时, 上述的叠加误差便可忽略[18].

因此, 根据以上经验公式及反复的实验调整和验证, 最终确定ATPDraw仿真中各元件的参数分别为耦合电容Ck=4 nF, Rd=1 000 Ω, Cd1 nF.在该参数下的仿真结果如图 4所示, 为单次局部放电脉冲的电压波形信号.

图 4 单次局部放电的脉冲电压波形 Figure 4 The pulse voltage waveform of single partial discharge
3 仿真实验与分析

根据图 3所示的单气隙局部放电仿真的等效电路, 各部分元件可以利用Simulink中对应的电源、电子元器件等来表示, 搭建好的仿真电路如图 5所示.其中UAC为高压电源, 为仿真气隙局部放电的发生提供外施工频高压; R是保护电阻, 用于低通滤波并限制短路电流, 起到保护作用; 与试样并联一个耦合电容Ck, 用以提供局部放电脉冲电流的回路, 将试品产生的放电信号耦合到检测阻抗上, 并承受工频高压以保证人身及设备安全; 在试样的接地端串联一个检测阻抗Zm, 其主要作用是为了取得局部放电所产生的高频脉冲电流信号, 用来获得局部放电发生后脉冲电流在其两端产生的脉冲电压, 该脉冲电压经检测仪可得到局部放电的基本表征参数, 并且检测阻抗可以对试验电源的工频及谐波低频信号予以抑制; Abs模块的作用是取绝对值, 此处对于气隙两端电压取绝对值后可以得到正的放电信号与起始放电电压预设值Ui进行同向比较, Abs模块输出的气隙两端的电压绝对值高于预设的放电起始电压Ui时, 则输出一个高电平, 让使能开关闭合, 而当该值小于预设的熄灭电压时, 则输出一个低电平, 让使能开关打开.使能开关连接在半导电化电阻Rg2的两端.仿真电路中的电流测量元件用来测量回路中的电流值, 电压测量元件用来测量所连接部分的电压值.

图 5 单气隙局部放电的Simulink仿真电路 Figure 5 The Simulink simulation circuit of single air gap partial discharge

将单气隙局部放电的一次放电过程看作是瞬间完成的, 当气隙上的电压达到设定的起始放电电压瞬间, 发生局部放电, 气隙上的电压瞬时下降, 产生一个电压降, 使能开关闭合, Rg2瞬时减小到其相应的半导电化电阻Rg2, 回路中流过一个脉冲电流, 而当气隙两端的电压低于预先设定的熄灭电压时, 放电停止, 使能开关断开, 电阻值又恢复到Rg2.

信号显示器的作用类似于示波器, 可以直观地对仿真结果进行观察分析.图 6中, 信号显示器1用于显示电源电压、气隙两端电压和放电触发脉冲,信号显示器2用于显示流经气隙的电流和气隙两端的电压;信号显示器3用于显示检测阻抗两端的电压波形, 即脉冲电压波形.

图 6 电源电压、气隙电压以及触发脉冲的仿真波形图 Figure 6 Simulation waveform of power supply voltage, air gap voltage and trigger

图 6所示为电源电压、气隙电压以及触发脉冲的仿真波形图, 观察发现, 气隙两端电压ug随外施电压UAC变化方向一致, 当气隙两端电压达到起始放电电压预设值Ui的瞬间, 气隙会发生电荷定向移动, 产生放电现象, 其电压瞬间降低, 此时产生一个脉冲压降, 回路中产生一个脉冲电流, 图 7(a)所示即为单个局部放电的脉冲电流波形, 脉冲电流经检测阻抗后, 在其两端可以测得一个如图 7(b)所示的脉冲电压波形.放电脉冲只在瞬时电压绝对值的上升期出现, 在45°~90°及225°~270°的位置, 在第二、四象限内几乎没有放电出现[19], 因此基于该研究建立的单气隙局部放电仿真模型的结果波形比较接近真实的放电波形.

图 7 单次原始局部放电脉冲电流波形以及经检测阻抗后的电压波形 Figure 7 Pulse current waveform of a single original partial discharge and the voltage waveform on detection impedance
4 结束语

本文利用工程计算的方法对关键参数进行确定, 通过改变检测阻抗的参数观察相应波形的变化, 从而取得合适的检测阻抗参数值.基于以上计算得出的参数, 利用Simulink对单气隙局部放电进行模拟仿真, 实现了接近真实情况的放电波形.通过对仿真结果的观察与分析, 更加清晰直观的了解局部放电过程.

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曹雯, 张云娟, 宋倩文, 张永宜
CAO Wen, ZHANG Yunjuan, SONG Qianwen, ZHANG Yongyi
气隙局部放电模型的Simulink仿真研究
Simulink simulation of partial discharge of air gap
西安工程大学学报, 2017, 31(4): 495-501
Journal of Xi′an Polytechnic University, 2017, 31(4): 495-501

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收稿日期: 2017-04-19

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