CN103543316B - 变压器绕组的暂态电压测量***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种变压器绕组的暂态电压测量***与方法，其中，暂态电压测量***包括：变压器包括变压器外壳，变压器外壳的上部为锥体，下部内包括变压器铁芯与变压器绕组，变压器外壳整体接地；变压器绕组的一端接地，另一端依次通过变阻抗传输线与同轴传输线连接高压纳秒方波源，变阻抗传输线包括变压器外壳上部的锥体部分和该锥体部分内部的锥形高压引线；变压器外壳上与变压器绕组对应的不同位置上装设有多个电容传感器，形成分布式电容传感器阵列；多个电容传感器分别通过信号传输电缆与信号处理与存贮单元连接。本发明实施例可以无畸变地将纳秒方波电压加载到变压器绕组，测量传感器不影响变压器绕组分布参数和绕组暂态电压分布。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术，尤其是一种变压器绕组的暂态电压测量***与方法。
背景技术
电力变压器（简称：变压器）是变电站中的重要设备，当它通过套管、架空线或电缆与气体绝缘组合电器设备（gasinsulatedswitchgear，GIS）相连时，特快速瞬态过电压将传输到变压器上，对变压器绝缘造成危害。快速瞬态过电压作用于变压器，在变压器绕组中引起的暂态过程非常复杂，因此，对于变压器绕组暂态电压的研究就显得尤为重要。
现有技术对变压器绕组暂态电压进行测量时，将高压纳秒方波源输出的百伏级纳秒方波电压不经阻抗过渡直接加载在变压器绕组上，通过与绕组各饼、匝有直接电气连接的探头引出线（即图1中的信号采集单元）测量电压信号，获得绕组电压分布，即：绕组不同位置暂态电压共同构成的变压器绕组暂态电压分布。如图1所示，为现有技术对变压器绕组暂态电压进行测量的***结构示意图。
在实现本发明的过程中，发明人发现，现有技术对变压器绕组暂态电压进行测量的方法至少存在以下问题：
由于没有经过变阻抗过渡段在绕组首端直接施加电压，加载电压会在入口处发生畸变，上升沿变缓，使得加载到变压器绕组上的电压与激励产生电压不相符，即：高压纳秒方波源产生的电压在传输过程中产生了畸变，与实际上到达绕组的电压不一致，严重影响了测试结果的准确性；用于绕组暂态电压测量的电压传感器与绕组有直接电气连接，改变了绕组分布参数，包括变压器绕组的分布电容和分布电感，使得对暂态电压以及绕组电压分布的测量结果不准确；探头引出线会引起施加电压的折反射，改变绕组的暂态电压，使得最终测得电压与绕组实际暂态电压出入较大。
发明内容
本发明实施例所要解决的一个技术问题是：提供一种变压器绕组的暂态电压测量***与方法，无畸变地将纳秒方波电压加载到变压器绕组，测量传感器不影响变压器绕组分布参数和绕组暂态电压分布。
本发明实施例提供的一种变压器绕组的暂态电压测量***，所述变压器包括变压器外壳，所述变压器外壳的上部为锥体，所述变压器外壳的下部内包括变压器铁芯与变压器绕组，所述变压器外壳整体接地；所述变压器绕组的一端接地，另一端依次通过变阻抗传输线与同轴传输线连接高压纳秒方波源，所述变阻抗传输线包括所述变压器外壳上部的锥体部分和该锥体部分内部的锥形高压引线；所述变压器外壳上与变压器绕组对应的不同位置上装设有多个电容传感器，所述多个电容传感器形成分布式电容传感器阵列；所述多个电容传感器分别通过信号传输电缆与信号处理与存贮单元连接；
高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压，该高压纳秒方波激励电压依次经由同轴传输线与变阻抗传输线施加到变压器绕组上，在变压器绕组中传播，并在变压器绕组中形成电压分布，装设在不同位置的电容传感器感应测量对应位置的电压信号，并将测量到的电压信号通过信号传输电缆传输至信号处理与存贮单元，由信号处理与存贮单元根据分布式电容传感器阵列传输的电压信号进行处理，得到变压器绕组暂态电压分布。
上述***的一个具体实施例中，所述变压器外壳的内表面敷设有绝缘层，根据变压器绕组的结构在绝缘膜上粘贴有多个与变压器绕组的线饼宽度相等的铜带分别作为多个电容传感器的耦合电极，形成对变压器绕组中不同线饼电压测量的分布式电容传感器阵列。
上述***的一个具体实施例中，所述变压器外壳为铝制品。
上述***的一个具体实施例中，所述同轴传输线包括平板传输线。
上述***的一个具体实施例中，所述高压纳秒方波源包括陡脉冲源。
上述***的一个具体实施例中，所述变压器外壳的下部为圆柱体或者方体。
本发明实施例提供的一种基于上述暂态电压测量***的变压器绕组的暂态电压测量方法，所述变压器包括变压器外壳，所述变压器外壳的上部为锥体，所述变压器外壳的下部内包括变压器铁芯与变压器绕组，所述变压器外壳整体接地；所述变压器绕组的一端接地，另一端依次通过变阻抗传输线与同轴传输线连接高压纳秒方波源，所述变阻抗传输线包括所述变压器外壳上部的锥体部分和该锥体部分内部的锥形高压引线；所述变压器外壳上与变压器绕组对应的不同位置上装设有多个电容传感器，所述多个电容传感器形成分布式电容传感器阵列；所述多个电容传感器分别通过信号传输电缆与信号处理与存贮单元连接；所述方法包括：
高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压，该高压纳秒方波激励电压依次经由同轴传输线与变阻抗传输线施加到变压器绕组上，在变压器绕组中传播，并在变压器绕组中形成电压分布；
装设在不同位置的电容传感器感应测量对应位置的电压信号，并将测量到的电压信号通过信号传输电缆传输至信号处理与存贮单元；
信号处理与存贮单元根据分布式电容传感器阵列传输的电压信号进行处理，得到变压器绕组暂态电压分布。
上述方法的一个具体实施例中，高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压之前，还包括对分布式电容传感器阵列进行标定的操作。
上述方法的一个具体实施例中，所述对分布式电容传感器阵列进行标定包括：
采用与变压器绕组结构尺寸相同的金属圆筒，置于变压器外壳内形成同轴结构；
执行所述高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压的操作，分别将多个电容传感器感应测量到的多个电压信号与标准传感器直接测量高压纳秒方波源得到的方波脉冲进行比对，以确定多个电容传感器的分压比，实现分布式电容传感器阵列的标定。
上述方法的一个具体实施例中，多次执行所述高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压的操作，获得准确的变压器绕组暂态电压分布。
上述方法的一个具体实施例中，还包括：
通过调整高压纳秒方波源的波头电阻改变高压纳秒方波激励电压的上升沿，然后执行所述高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压的操作，获得不同等效频率下变压器绕组暂态电压分布特性。
基于本发明上述实施例提供的变压器绕组的暂态电压测量***与方法，高压纳秒方波激励电压通过变阻抗传输线无畸变的加载到变压器绕组上，使得加载到变压器绕组上的电压与激励产生电压一致；分布式电容传感器阵列在暂态电压测量过程中与变压器绕组无电气连接，不改变绕组分布参数，测量不影响变压器绕组自身的暂态电压分布，使得变压器绕组的暂态电压分布测试结果更加准确。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1为现有技术对变压器绕组暂态电压进行测量的***结构示意图。
图2为本发明变压器绕组的暂态电压测量***一个实施例的结构示意图。
图3为本发明变压器绕组的暂态电压测量方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图2为本发明变压器绕组的暂态电压测量***一个实施例的结构示意图。如图2所示，该实施例的变压器绕组的暂态电压测量***中，变压器包括变压器外壳110，变压器外壳110的可以示例性地为铝制品，其上部为锥体，变压器外壳110的下部可以为圆柱体或者方体，变压器外壳110的下部内包括变压器铁芯120与变压器绕组130。实际应用中，可以在变压器绕组130内部放置一个小的铝制外壳，来模拟变压器铁芯并接地。变压器外壳110整体接地，消除空间电磁场对暂态电压测量的影响。变压器绕组130的一端接地，另一端依次通过变阻抗传输线与同轴传输线140连接高压纳秒方波源150，变阻抗传输线包括变压器外壳110上部的锥体部分（即：变压器外壳110上部直径连续变化的部分）和该锥体部分内部的锥形高压引线160。锥形高压引线160形成锥形高压过渡段。变压器外壳110上与变压器绕组130对应的不同位置上装设有多个电容传感器170，该多个电容传感器170形成分布式电容传感器阵列，该多个电容传感器170分别通过信号传输电缆180与信号处理与存贮单元190连接。其中的信号处理与存贮单元190例如可以是示波器。
高压纳秒方波源150通过同轴传输线140向变阻抗传输线与变压器绕组110输出高压纳秒方波激励电压，该高压纳秒方波激励电压依次经由同轴传输线140与变阻抗传输线施加到变压器绕组130上，在变压器绕组130中传播，并在变压器绕组130中形成电压分布，装设在不同位置的电容传感器170感应测量对应位置的电压信号，并将测量到的电压信号通过信号传输电缆180传输至信号处理与存贮单元190，由信号处理与存贮单元190根据分布式电容传感器阵列传输的电压信号进行处理，得到变压器绕组130上的暂态电压分布。
通过变阻抗传输线可使高压纳秒方波源150连接处阻抗平滑过渡，施加的高压纳秒方波激励电压不会在传播过程中由于折反射而畸变，从而保证施加到变压器绕组上的电压波形与高压纳秒方波源的输出一致。
本发明上述实施例提供的变压器绕组的暂态电压测量***，高压纳秒方波激励电压通过变阻抗传输线无畸变的加载到变压器绕组上，使得加载到变压器绕组上的电压与激励产生电压一致；分布式电容传感器阵列在暂态电压测量过程中与变压器绕组无电气连接，不改变绕组分布参数，测量不影响变压器绕组自身的暂态电压分布，使得变压器绕组的暂态电压分布测试结果更加准确。
再参见图2，在本发明变压器绕组暂态电压测量***的另一个实施例中，变压器外壳110的内表面敷设有绝缘层200，根据变压器绕组130的结构，在绝缘膜200上粘贴有多个与变压器绕组200的线饼宽度相等的铜带分别作为多个电容传感器170的耦合电极，形成对变压器绕组130中不同线饼电压测量的分布式电容传感器阵列。电容传感器170具体利用电极之间的空间分布电容来构成分压，从而从高压导体上测量电压信号。
根据本发明变压器绕组暂态电压测量***实施例的一个具体示例而非限制，其中的同轴传输线140也可以通过平板传输线实现。
根据本发明变压器绕组暂态电压测量***实施例的另一个具体示例而非限制，高压纳秒方波源150也可以通过陡脉冲源实现。
为本为本发明变压器绕组的暂态电压测量方法一个实施例的流程图。该实施例的暂态电压测量方法基于上述图2所示的暂态电压测量***实现。如图3所示，该实施例的暂态电压测量方法包括：
310，高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压，该高压纳秒方波激励电压依次经由同轴传输线与变阻抗传输线施加到变压器绕组上，在变压器绕组中传播，并在变压器绕组中形成电压分布。
320，装设在不同位置的电容传感器感应测量对应位置的电压信号，即：暂态电压信号（表现为暂态电压时域波形），并将测量到的电压信号通过信号传输电缆传输至信号处理与存贮单元，例如，示波器。
330，信号处理与存贮单元接收分布式电容传感器阵列测量到的暂态电压信号，通过对不同位置电容传感器测得的暂态电压进行处理，绘制电压沿变压器绕组线饼分布的曲线，得到变压器绕组暂态电压分布。
在本发明变压器绕组的暂态电压测量方法的另一个实施例中，实际应用中，在测试工作开始前，即在执行操作310之前，还可以包括装设电容传感器的操作。示例性地，可以通过以下方式装设电容传感器：在变压器外壳的内表面敷设绝缘膜，根据变压器绕组的结构，即：变压器绕组的线饼位置和换位方式，在绝缘膜的内表面粘贴与线饼宽度相等的铜带作为电容传感器的耦合电极（也称为铜带电极），形成变压器绕组不同线饼电压测量的分布式电容传感器阵列，根据线饼位置和换位方式来确定电容传感器装设的位置，以保证电容传感器正对其它要测量的线饼。电容传感器固定后可以通过变压器外壳上的同轴电缆接插头（BNC）以及信号传输电缆向外部的信号处理与存贮单元传输测量到的电压信号。即：绝缘膜位于变压器外壳和电容传感器的铜带电极之间，它的作用是与铜带电极和变压器外壳共同构成电容传感器的低压臂。
在本发明变压器绕组的暂态电压测量方法的另一个实施例中，在操作310之前，还可以包括对分布式电容传感器阵列进行标定的操作，即：对每个电容传感器进行校准，以确保其电压测量结果的准确性。具体地，对分布式电容传感器阵列进行标定的操作可以通过以下方式实现：
采用与变压器绕组结构尺寸相同的金属圆筒，置于变压器外壳内形成同轴结构；
执行310～330的操作，分别将多个电容传感器感应测量到的多个电压信号与标准传感器（也称为：标准高压探头）直接测量高压纳秒方波源得到的方波脉冲进行比对，以确定多个电容传感器的分压比，实现分布式电容传感器阵列的标定。
高压探头是已经标定过的、测量结果准确的传感器。通过对比分布式电容传感器阵列的实测波形和标准高压探头的实测波形，可以确定电容传感器的频带宽度，即：可以测量电容传感器频率的上限和下限，确保电容传感器满足实验要求。
在本发明变压器绕组的暂态电压测量方法的又一个实施例中，可以将相同的高压纳秒方波激励电压多次施加于变压器绕组，多次执行310～330的操作，经过多次测量，逐步将分布式电容传感器阵列测得的电压信号传送至信号处理与存贮单元，从而获得准确的变压器绕组暂态电压分布。
在本发明变压器绕组的暂态电压测量方法的又一个实施例中，还可以通过调整高压纳秒方波源的波头电阻改变高压纳秒方波激励电压的上升沿，输出不同上升沿的高压纳秒方波脉冲，然后执行310～330的操作，获得不同等效频率下变压器绕组暂态电压分布特性，从而可以研究不同波前时间（对应不同等效频率）对变压器绕组暂态电压的影响。其中的等效频率是指将上升沿的时间等效为高压纳秒方波1/2个周期，然后计算等效频率f=1/T。
另外，为适应不同电压等级变压器绕组暂态电压测量的实际需要，例如，110kV单相低压绕组、220kV单相高压绕组，可根据变压器绕组几何外形设计变压器外壳和变压器铁芯，设计变压器外壳和变压器铁芯直径和高度。此外，分布式电压传感器的位置也可根据需要确定，从而获得变压器指定位置的电压波形参数，进行有针对性的测量工作。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于方法实施例而言，由于其通过***实施例实现，所以描述的比较简单，相关之处参见***实施例的部分说明即可。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (11)
1.一种变压器绕组的暂态电压测量***，其特征在于，所述变压器包括变压器外壳，所述变压器外壳的上部为锥体，所述变压器外壳的下部内包括变压器铁芯与变压器绕组，所述变压器外壳整体接地；所述变压器绕组的一端接地，另一端依次通过变阻抗传输线与同轴传输线连接高压纳秒方波源，所述变阻抗传输线包括所述变压器外壳上部的锥体部分和该锥体部分内部的锥形高压引线；所述变压器外壳上与变压器绕组对应的不同位置上装设有多个电容传感器，所述多个电容传感器形成分布式电容传感器阵列；所述多个电容传感器分别通过信号传输电缆与信号处理与存贮单元连接；
高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压，该高压纳秒方波激励电压依次经由同轴传输线与变阻抗传输线施加到变压器绕组上，在变压器绕组中传播，并在变压器绕组中形成电压分布，装设在不同位置的电容传感器感应测量对应位置的电压信号，并将测量到的电压信号通过信号传输电缆传输至信号处理与存贮单元，由信号处理与存贮单元根据分布式电容传感器阵列传输的电压信号进行处理，得到变压器绕组暂态电压分布。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述变压器外壳的内表面敷设有绝缘层，根据变压器绕组的结构在绝缘膜上粘贴有多个与变压器绕组的线饼宽度相等的铜带分别作为多个电容传感器的耦合电极，形成对变压器绕组中不同线饼电压测量的分布式电容传感器阵列。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述变压器外壳为铝制品。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，将所述同轴传输线替换为平板传输线。
5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，将所述高压纳秒方波源替换为陡脉冲源。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的***，其特征在于，所述变压器外壳的下部为圆柱体或者方体。
7.一种基于权利要求1至6任意一项所述暂态电压测量***的变压器绕组的暂态电压测量方法，其特征在于，所述变压器包括变压器外壳，所述变压器外壳的上部为锥体，所述变压器外壳的下部内包括变压器铁芯与变压器绕组，所述变压器外壳整体接地；所述变压器绕组的一端接地，另一端依次通过变阻抗传输线与同轴传输线连接高压纳秒方波源，所述变阻抗传输线包括所述变压器外壳上部的锥体部分和该锥体部分内部的锥形高压引线；所述变压器外壳上与变压器绕组对应的不同位置上装设有多个电容传感器，所述多个电容传感器形成分布式电容传感器阵列；所述多个电容传感器分别通过信号传输电缆与信号处理与存贮单元连接；所述方法包括：
高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压，该高压纳秒方波激励电压依次经由同轴传输线与变阻抗传输线施加到变压器绕组上，在变压器绕组中传播，并在变压器绕组中形成电压分布；
装设在不同位置的电容传感器感应测量对应位置的电压信号，并将测量到的电压信号通过信号传输电缆传输至信号处理与存贮单元；
信号处理与存贮单元根据分布式电容传感器阵列传输的电压信号进行处理，得到变压器绕组暂态电压分布。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压之前，还包括对分布式电容传感器阵列进行标定的操作。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对分布式电容传感器阵列进行标定包括：
采用与变压器绕组结构尺寸相同的金属圆筒，置于变压器外壳内形成同轴结构；
执行所述高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压的操作，分别将多个电容传感器感应测量到的多个电压信号与标准传感器直接测量高压纳秒方波源得到的方波脉冲进行比对，以确定多个电容传感器的分压比，实现分布式电容传感器阵列的标定。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，多次执行所述高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压的操作，获得准确的变压器绕组暂态电压分布。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
通过调整高压纳秒方波源的波头电阻改变高压纳秒方波激励电压的上升沿，然后执行所述高压纳秒方波源通过同轴传输线向变阻抗传输线与变压器绕组输出高压纳秒方波激励电压的操作，获得不同等效频率下变压器绕组暂态电压的分布特性。
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