CN105371742A - 基于套管末屏脉冲信号注入法的变压器绕组变形检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

电力变压器是电力***输变电过程的关键设备，它承担着电压变换、电能分配和传输等任务，它的可靠运行直接关系到电力***的安全、稳定运行。为了能够及时发现变压器的事故隐患、提高工作效率，研制了基于频率响应分析法(Frequency？Response？analysis，FRA)的配电变压器绕组变形在线监测***，并采用LabVIEW编写了监测***软件，实现了变压器绕组变形的在线监测，该***通过安装在变压器套管末屏上的传感器从变压器注入脉冲信号并进行参数测量，从而得到反映变压器绕组形变的频率响应曲线，通过对频响曲线的比较，从而有效地判断出变压器绕组的变形情况。

Description

基于套管末屏脉冲信号注入法的变压器绕组变形检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于变压器绕组故障类型检测装置及方法，属变压器检测技术领域。

背景技术

作为电力***输变电过程的关键设备，变压器承担着电压变换、电能分配和传输等任务，它的可靠运行直接关系到电力***的安全、稳定运行。尽管变压器的质量随着制造工艺和质量标准的提高而不断提升，但由于变压器长期处于在线运行状态，故障和事故的发生总是不可避免的。在所有的变压器故障中，因绕组变形导致的变压器故障率是最高的，根据统计，110kV及以上等级的变压器每年由于绕组损坏而引起的变压器故障在所有变压器损坏故障中占50％-60％。从吊芯检修的情况看，变压器发生事故后往往会造成绕组出现不同程度的变形和破坏，如辐向和轴向的变形、绝缘损坏，严重的甚至会出现器身移位、绕组扭曲和断股等现象。

智能电网需要六个主要的技术支撑来实现其功能，它们是：①灵活的网络拓扑；②基于开放体系并高度集成的通信***，以便实现对***中每一个成员的实时控制和信息交换，使得***的每一部分都可双向通信；③传感和测量技术，以便实现对诸如远程监测、分时电价和用户侧管理等的更快速和准确的***响应；④高级电力电子设备、超导和储能技术；⑤先进的***监控方法，以便实现快速诊断和事故的准确排除；⑥高级的运行人员决策辅助***。

随着我国智能电网概念的不断深入，10kV配电网中的用户对供电可靠性及电能质量的要求越来越高。然而，10kV变压器的安全、可靠、稳定运行又是实现这一目标的关键因素，因此对10kV变压器故障的及时发现及排除就显得尤为重要。根据统计资料表明，约25％的变压器故障是由绕组变形引起的，因而对10kV变压器绕组变形的监测也是实现我国智能配网建设的重要组成部分。配电网的智能化是智能电网的核心部分，灵活可重构的配电网络拓扑结构和自动愈合功能是未来智能电网的基础。在配网智能化框架下，用户对供电质量的要求更高，而10kV变压器的故障运行会造成用户电压的不稳定、频率偏差、谐波，甚至是大面积停电事故的发生，所以对配电变压器的监测是非常有意义的。目前，检测变压器绕组变形的主要方法包括短路阻抗法、低压脉冲法和频率响应分析法。

短路阻抗法是指在频率一定的情况下，变压器的漏电抗大小主要由绕组的结构几何尺寸决定，通过测量变压器漏电抗的变化判断变压器绕组是否发生变形。低压脉冲法是在变压器绕组的一端输入标准脉冲电压信号，同时记录该端的脉冲信号和另一端的相应输出信号，得到该绕组的脉冲响应特性或传递函数，通过传递函数的变化来判断变压器的绕组变形。但这一方法的不足在于输入波形的微小变化就会导致响应信号的明显变化，测试重复性差。对测试变压器绕组的首端故障不灵敏，尤其对变压器首端饼间故障不灵敏，而且该法对变压器各处故障的灵敏度也不一样，难以用于现场测试。

频率响应分析法因其灵敏度高、信噪比好、现场应用方便成为检测变压器绕组变形应用较广泛的方法。该法是将一稳定的正弦电压扫描信号或脉冲信号施加到被试变压器的一端，同时记录该端和另一端点上的电压幅值及相角，从而得到被试变压器绕组的一组频响特性即传递函数，则该频响特性在变压器绕组变形前后的变化反映出绕组变形的信息。频率响应分析法是在较宽的频带上测量变压器绕组的传递函数，并分析绕组的频率响应特性，判断绕组状态的方法，因其信噪比好、灵敏度高、测试重复性好、现场使用方便，成为变压器绕组变形现场试验的主要方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变压器绕组变形检测技术中无法通过有效地在线状态下进行信号的在线注入，提供一种基于套管末屏电容传感器的脉冲信号注入法的变压器机械故障类型检测装置及检测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

所述装置是在线状态下，利用信号发生器向***注入高频脉冲信号，信号经保护电路、分压器、通过变压器套管末屏进入变压器的低压绕组，在中性线处利用高频电流传感器测量响应信号，该响应信号经信号调理单元、数据采集卡进入工控机，本***所使用的主要硬件设备如下：脉冲信号发生器、保护电路、电容传感器、高速数据采集卡、工控机。利用LabVIEW软件对采集到的信号进行处理，得到变压器绕组的频响曲线，从而判断变压器的绕组变形。

所述信号源是整个频率响应分析法检测***的关键和核心部分，其参数和性能决定了监测***对变压器绕组轻微变形检测的试验效果。文献提到，根据获得频响特性时信号源的选择，可以将频率响应分析法分为扫频法和脉冲响应分析法。将一定频率范围内的正弦作为信号源的测量方法称为扫频法；而将一脉冲信号作为信号源的测量方法称为脉冲响应分析法。应用脉冲响应分析法时，将一个短时脉冲信号注入测试变压器绕组的一端，同时记录该脉冲信号和响应信号，并将两时域信号经过快速傅立叶变换转换为频域信号，得到变压器绕组的频率响应特性。扫频法的测试速度慢，在测试过程中更容易受到外界干扰；脉冲注入法是将时域脉冲信号经过快速傅立叶变化转换成频域信号，进而得到绕组频响特性，其测量时间比扫频法要短，另外，脉冲信号发生器与扫频信号发生器相比结构简单、成本低。针对上述问题，本发明利用脉冲信号作为监测***的信号源。

所述保护单元是变压器正常运行时，会遭到操作过电压和雷击等过电压的影响，如果没有适当保护措施，会对监测设备的安全运行会造成很大的影响，为防止各种类型过电压对设备的影响，本发明设计了用于保护监测设备的保护单元。采用压敏电阻和气体放电管的混合保护，并通过长时间连续放电试验，可靠地把端口电压限制在110V(峰值)以内。

所述工控机(IndustrialPersonalComputer-IPC)是一种特殊的计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行，为了保证现场恶劣条件下的准确度和重复性，变压器绕组变形在线监测***采用抗干扰能力强的工控计算机，保证其能在现场低温条件下的正常启动运行。

所述压敏电阻(VoltageDependentResistor)和气体放电管(Gasdischargetube)作为保护元件。压敏电阻在一定温度下，其电阻率随施加电压的增加而急剧减小，当电压超过保护设置的值时，压敏电阻首先放电，从而实现了对设备的相关电路的保护；气体放电管是由充以惰性气体的带间隙金属电极组成，当施加到两电极的电压达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管便开始放电，并由高阻抗变成低阻抗，两电极近似短路，从而将过压旁路，保护监测设备。

所述***软件是基于FRA的变压器绕组变形在线监测***是由硬件***和软件***两个部分组成的复杂整体，其中，***软件将整个***的各个独立的功能模块有效地联系了起来，实现了***硬件的通信、操作界面的可视化和算法的嵌入与扩展等功能，所以***的软件设计就显得尤为重要。该***软件最大的特点是便于现场人员的使用。为达到这一目标，首先必须考虑把专业知识与现场人员的使用习惯相结合。其次，要使软件的可操作性大大提高，提供人性化的操作界面，同时，要保证计算结果满足精度要求。本发明中变压器绕组变形在线监测的***软件基于虚拟仪器技术设计，使用美国NI公司的LabVIEW8.6虚拟仪器开发工具和相应仪器的驱动进行设计开发开发。

所述***运行软件后，首先执行用户登录验证程序，经过用户验证后才能进入主程序进行下一步的操作，接下来对数据的采样频率和保存路径进行设置，完成上述流程后，触发脉冲发生器产生纳秒级脉冲信号，同时采集和记录激励脉冲电压信号和响应电流信号，并将电压电流的时域波形显示在电脑上。如果信号采样成功率低或者时域波形异常，可以返回设置数据采集的采样率参数，重新采集波形数据。然后，分别对激励信号和响应信号进行FFT变换，计算并获得频率响应曲线，并将其保存至数据库。最后，将获得的频响曲线与数据库中存储的变压器原始频响特性特征进行比较，计算其相关系数，判别变压器绕组是否发生变形，显示结果。

附图说明

下面结合附图对发明进一步说明，

附图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

参看图1，所述装置是利用信号发生器向***注入高频脉冲信号，信号经保护电路、分压器进入变压器的低压绕组，在中性线处利用高频电流传感器测量响应信号。该响应信号经信号调理单元、数据采集卡进入工控机。本***所使用的主要硬件设备如下：脉冲信号发生器、保护电路、电容传感器、高速数据采集卡、工控机。利用LabVIEW软件对采集到的信号进行处理，得到变压器绕组的频响曲线，从而判断变压器的绕组变形。

所述信号源是整个频率响应分析法检测***的关键和核心部分，其参数和性能决定了监测***对变压器绕组轻微变形检测的试验效果。文献提到，根据获得频响特性时信号源的选择，可以将频率响应分析法分为扫频法和脉冲响应分析法。将一定频率范围内的正弦作为信号源的测量方法称为扫频法；而将一脉冲信号作为信号源的测量方法称为脉冲响应分析法。应用脉冲响应分析法时，将一个短时脉冲信号注入测试变压器绕组的一端，同时记录该脉冲信号和响应信号，并将两时域信号经过快速傅立叶变换转换为频域信号，得到变压器绕组的频率响应特性。扫频法的测试速度慢，在测试过程中更容易受到外界干扰；脉冲注入法是将时域脉冲信号经过快速傅立叶变化转换成频域信号，进而得到绕组频响特性，其测量时间比扫频法要短，另外，脉冲信号发生器与扫频信号发生器相比结构简单、成本低。针对上述问题，本发明利用脉冲信号作为监测***的信号源。

所述保护单元是变压器正常运行时，会遭到操作过电压和雷击等过电压的影响，如果没有适当保护措施，会对监测设备的安全运行会造成很大的影响，为防止各种类型过电压对设备的影响，本发明设计了用于保护监测设备的保护单元。采用压敏电阻和气体放电管的混合保护，并通过长时间连续放电试验，可靠地把端口电压限制在110V(峰值)以内。

所述工控机(IndustrialPersonalComputer-IPC)是一种特殊的计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行，为了保证现场恶劣条件下的准确度和重复性，变压器绕组变形在线监测***采用抗干扰能力强的工控计算机，保证其能在现场低温条件下的正常启动运行。

所述压敏电阻(VoltageDependentResistor)和气体放电管(Gasdischargetube)作为保护元件。压敏电阻在一定温度下，其电阻率随施加电压的增加而急剧减小，当电压超过保护设置的值时，压敏电阻首先放电，从而实现了对设备的相关电路的保护；气体放电管是由充以惰性气体的带间隙金属电极组成，当施加到两电极的电压达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管便开始放电，并由高阻抗变成低阻抗，两电极近似短路，从而将过压旁路，保护监测设备。

所述***软件是基于FRA的变压器绕组变形在线监测***是由硬件***和软件***两个部分组成的复杂整体，其中，***软件将整个***的各个独立的功能模块有效地联系了起来，实现了***硬件的通信、操作界面的可视化和算法的嵌入与扩展等功能，所以***的软件设计就显得尤为重要。该***软件最大的特点是便于现场人员的使用。为达到这一目标，首先必须考虑把专业知识与现场人员的使用习惯相结合。其次，要使软件的可操作性大大提高，提供人性化的操作界面，同时，要保证计算结果满足精度要求。本发明中变压器绕组变形在线监测的***软件基于虚拟仪器技术设计，使用美国NI公司的LabVIEW8.6虚拟仪器开发工具和相应仪器的驱动进行设计开发开发。

所述***运行软件后，首先执行用户登录验证程序，经过用户验证后才能进入主程序进行下一步的操作，接下来对数据的采样频率和保存路径进行设置，完成上述流程后，触发脉冲发生器产生纳秒级脉冲信号，同时采集和记录激励脉冲电压信号和响应电流信号，并将电压电流的时域波形显示在电脑上。如果信号采样成功率低或者时域波形异常，可以返回设置数据采集的采样率参数，重新采集波形数据。然后，分别对激励信号和响应信号进行FFT变换，计算并获得频率响应曲线，并将其保存至数据库。最后，将获得的频响曲线与数据库中存储的变压器原始频响特性特征进行比较，计算其相关系数，判别变压器绕组是否发生变形，显示结果。

Claims (3)

1.一种变压器绕组变形在线监测装置是在线状态下，利用信号发生器向***注入高频脉冲信号，信号经保护电路、分压器、通过变压器套管末屏进入变压器绕组，在中性线处利用高频电流传感器测量响应信号，该响应信号经信号调理单元、数据采集卡进入工控机，本***所使用的主要硬件设备如下：脉冲信号发生器、保护电路、电容传感器、高速数据采集卡、工控机，利用LabVIEW软件对采集到的信号进行处理，得到变压器绕组的频响曲线，从而判断变压器的绕组变形。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征如下：所述保护单元是变压器正常运行时，会遭到操作过电压和雷击等过电压的影响，如果没有适当保护措施，会对监测设备的安全运行会造成很大的影响，为防止各种类型过电压对设备的影响，本发明设计了用于保护监测设备的保护单元，采用压敏电阻和气体放电管的混合保护，并通过长时间连续放电试验，可靠地把端口电压限制在110V(峰值)以内。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征如下：所述压敏电阻(VoltageDependentResistor)和气体放电管(Gasdischargetube)作为保护元件，压敏电阻在一定温度下，其电阻率随施加电压的增加而急剧减小，当电压超过保护设置的值时，压敏电阻首先放电，从而实现了对设备的相关电路的保护；气体放电管是由充以惰性气体的带间隙金属电极组成，当施加到两电极的电压达到气体放电管的击穿电压时，气体放电管便开始放电，并由高阻抗变成低阻抗，两电极近似短路，从而将过压旁路，保护监测设备。