CN107037312A - 一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，该方法通过分频段分别建立低频段的变压器绕组集中参数等效模型和高频段变压器双绕组梯形等效模型来构建用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型，其优点在于可以有效利用所述低频段和高频段两种等效电路模型各自的优势，采用该方法建立的变压器绕组等效模型，可以有效仿真模拟扫频阻抗法下的变压器绕组在整个频率区间内的频率特性，从而为基于扫频阻抗法检测变压器绕组变形提供一种准确的仿真方法，该发明一方面保证了试验人员和设备安全，另一方面也能为变压器绕组故障研究节约成本与时间，为扫频阻抗法的变压器绕组等效电路仿真实验提供依据。

Description

一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法。

背景技术

扫频阻抗法是一种结合频率响应分析法和短路阻抗法优点的新型变压器无损检测方法，该方法通过比较50 Hz短路阻抗值的偏差，可以准确判别绕组的状况，根据变压器频率-阻抗曲线即扫频阻抗曲线的改变，能够确定故障的类型和位置。测试时由于采用大功率扫频信号，测试信号较强，这样抗干扰能力就较强，环境因素引起的不利影响就大大降低，采用此方法对变压器绕组进行一次测量，既能得到变压器的短路阻抗值又可以得到变压器阻抗随频率的变化情况，但是现有的研究都是基于该方法对变压器进行实际测试研究的，实际操作往往存在由于操作不规范、不熟练造成人身和设备伤害的问题，同时耗费的成本与时间也较大，故研究一种高效、准确、安全且成本较低的仿真方法是非常有必要的。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，采用该方法建立的变压器绕组等效模型可以有效的仿真模拟扫频阻抗法下的变压器绕组在整个频率区间内的频率特性，从而为基于扫频阻抗法检测变压器绕组变形提供一种准确的仿真方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，包括以下步骤：

S1、在实验室中搭建阻抗测试***，包括扫频信号源、功率放大器、数据采集卡、采样电阻 、采样电阻 、计算机和若干测试连接线及夹具，所述扫频信号源与功率放大器串联接于变压器绕组一次侧用于施加扫频信号，所述数据采集卡与计算机串联接于变压器绕组一次侧用于采集和测试激励和响应信号；

S2、阻抗测试***搭建好后，用导线将变压器绕组二次侧短路，在变压器绕组一次侧注入由扫频信号源产生的扫频信号，经过功率放大器的放大作用后加载于变压器绕组一次侧；

S3、分别利用采样电阻和采样电阻得到变压器绕组一次侧首端激励信号及末端响应信号，从而得到变压器扫频阻抗和扫频阻抗曲线；

S4、找出该扫频阻抗曲线的第一个峰值对应的频率点，在整个频率区间内以所述的频率点划分低频段和高频段；

S5、针对步骤S4所述低频段建立满足其低频段阻抗特性要求的低频段变压器绕组集中参数等效电路模型；

S6、针对步骤S4所述高频段建立满足其高频段阻抗特性要求的高频段变压器绕组梯形等效电路模型；

S7、根据步骤S5和S6，在仿真软件中分别建立用于扫频阻抗法的低频段变压器绕组集中参数和高频段变压器绕组梯形等效电路仿真模型，通过仿真模拟扫频阻抗法下的变压器绕组在整个频率段内的阻抗频率特性。

较佳地，所述扫频信号是正弦电压信号。

较佳地，所述采样电阻R1和采样电阻R2均为50。

较佳地，所述频率区间为10Hz～1MHz。

较佳地，所述低频段变压器绕组集中参数等效电路模型包括一次侧绕组的电阻与漏电感、二次侧折算到一次侧的电阻与漏电感以及变压器的励磁电阻与励磁电感，所述电阻与漏电感可以利用公式法或有限元法依据变压器绕组的结构得到，所述变压器励磁电阻与电感可由具体变压器型号得到。

较佳地，所述高频段变压器绕组梯形等效电路模型是以饼为单元建立的，该模型包括电感、电阻、每个单元的对地电容和纵向电容以及高低压绕组之间的饼间电容，模型中对应的电感、电阻、对地电容、纵向电容等电路参数则通过公式法或有限元法计算得到。

本发明变压器设计的关键在于分频段建立相应的变压器绕组等效电路模型，在低频段时，起主导作用的是铁芯磁场，扫频阻抗曲线第一个峰值对应的频率点是变压器绕组的第一个频率谐振点，谐振的存在必然是电感、电容共同作用的结果，然而在第一个波峰之前，阻抗值是随频率单调递增直到第一个峰值之后，所以在第一个波峰之前可以认为其等效电路是含有电感和电阻的集中参数电路，分布电容的影响可以忽略。而随着频率的升高，铁芯的导磁能力逐渐减弱，到高频段时，铁芯的作用只对电场分布有影响，此时用分布参数的梯形等效电路模型进行描述较为合适。

本发明提出的一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其优点是，该方法可以有效利用低频段集中参数等效电路模型和高频段梯形等效电路模型两种电路模型各自的优势，建立的变压器绕组等效模型可以有效仿真模拟扫频阻抗法下的变压器绕组在整个频率区间内的频率特性，从而为基于扫频阻抗法检测变压器绕组变形提供一种准确的仿真方法，该发明一方面保证了试验人员和设备安全，另一方面也能为变压器绕组故障研究节约成本与时间，为扫频阻抗法的变压器绕组等效电路仿真实验提供依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是扫频阻抗法的测试***示意图；

图2是对一个变压器模型进行测试后的扫频阻抗曲线图；

图3是低频段变压器绕组集中参数等效电路模型；

图4是高频段变压器绕组等效的分布参数梯形等效电路模型；

图5是仿真与实测阻抗曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、图2、图3、图4所示，一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在实验室中搭建阻抗测试***，如图1所示，包括扫频信号源、功率放大器、数据采集卡、采样电阻、采样电阻、计算机和若干测试连接线及夹具，所述的扫频信号源与功率放大器串联接于变压器绕组一次侧用于施加扫频信号，所述的数据采集卡与计算机串联接于变压器绕组一次侧用于采集和测试激励和响应信号；

S2、阻抗测试***搭建好后，用导线将变压器绕组二次侧短路，在变压器绕组一次侧注入由扫频信号源产生的扫频信号，经过功率放大器的放大作用后加载于变压器绕组一次侧；

S3、分别利用采样电阻和采样电阻得到变压器绕组一次侧首端激励信号及末端响应信号，从而得到变压器绕组阻抗和如图2所示的扫频阻抗曲线，图2中横坐标表示频率（Hz），纵坐标表示阻抗（）；

S4、找出该扫频阻抗曲线的第一个峰值对应的频率点，如图2所示，在整个频率区间内以所述的频率点划分低频段和高频段；

S5、如图3所示，针对步骤S4所述的低频段建立低频段变压器绕组集中参数等效电路模型，图3中，与分别为一次侧绕组的电阻和漏电感，与 分别为二次侧折算到一次侧的电阻与漏电感,与分别为变压器的励磁电感与励磁电阻；

S6、如图4所示，针对步骤S4所述的高频段建立高频段变压器绕组梯形等效电路模型，图4中是输入电阻，是输出电阻，为高压侧每饼的电阻， 为低压侧每饼的电阻，与分别为高压侧与低压侧的纵向电容，和 分别是高压侧与低压侧每饼的电感参数，和分别是高压侧和低压侧的每一饼对地电容参数，是高低压绕组间的饼间电容，为高压侧绕组间的互感，为低压绕组间的互感，为高低压绕组间的互感，与为低压侧短路线的等效电阻与电感；

S7、根据步骤S5和S6，在仿真软件中分别建立用于扫频阻抗法的低频段变压器绕组集中参数和高频段变压器绕组梯形等效电路仿真模型,通过仿真模拟扫频阻抗法下的变压器绕组在整个频率段内的阻抗频率特性。

本例中，所述的扫频信号是正弦电压信号；所述的采样电阻和采样电阻均为50；所述的频率区间为10Hz～1MHz。

本例中，所述低频段变压器绕组集中参数等效电路模型包括一次侧绕组的电阻与漏电感、二次侧折算到一次侧的电阻与漏电感以及变压器的励磁电阻与励磁电感，所述电阻与漏电感可以利用公式法或有限元法依据变压器绕组的结构得到，所述变压器励磁电阻与励磁电感可由具体变压器型号得到。所述高频段变压器绕组梯形等效电路模型是以饼为单元建立的，该模型包括电感、电阻、每个单元的对地电容和纵向电容以及高低压绕组之间的饼间电容，模型中对应的电感、电阻、对地电容、纵向电容等电路参数则通过公式法或有限元法计算得到。

如图5所示，为了更好的对变压器进行故障判断，对阻抗模值进行了分贝化转换，的单位为，则定义的单位为，仿真与实测阻抗曲线通过对比可以看出，低频段内模型仿真与试验测量的扫频阻抗曲线一致性较好，阻抗值随着频率的增大而增大，并且仿真得到的50Hz处的阻抗值与试验测量得到的短路阻抗值基本一致，这两点说明如图3所示低频段集中参数等效电路模型的正确性。进入高频段后，虽然谐振点对应的阻抗峰值有差别，但是谐振点出现的位置大致相同并且频率末端对应的阻抗值基本趋于一致，这两点也说明了如图4所示高频段分布参数梯形等效电路的正确性。

综上所述，低频段的集中参数等效电路以及高频段的分布参数梯形等效电路都较好的反应了整个频段内扫频阻抗值随频率变化的情况。

Claims (6)

1.一种用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在实验室中搭建阻抗测试***，所述阻抗测试***包括扫频信号源、功率放大器、数据采集卡、采样电阻、采样电阻、计算机和若干测试连接线及夹具，所述扫频信号源与所述功率放大器串联接于变压器绕组一次侧，所述数据采集卡与所述计算机串联接于变压器绕组一次侧；

S2、阻抗测试***搭建好后，用导线将变压器绕组二次侧短路，在变压器绕组一次侧注入由扫频信号源产生的扫频信号，经过功率放大器的放大作用后加载于变压器绕组一次侧；

S3、分别利用所述采样电阻和采样电阻得到变压器绕组一次侧首端激励信号及末端响应信号，从而得到变压器绕组扫频阻抗和扫频阻抗曲线；

S4、找出该扫频阻抗曲线的第一个峰值对应的频率点，在整个频率区间以所述频率点划分低频段和高频段；

S5、针对步骤S4所述低频段建立满足其低频段阻抗特性要求的低频段变压器绕组集中参数等效电路模型；

S6、针对步骤S4所述高频段建立满足其高频段阻抗特性要求的高频段变压器绕组梯形等效电路模型；

S7、根据步骤S5和S6，在仿真软件中分别建立用于扫频阻抗法的低频段变压器绕组集中参数和高频段变压器绕组梯形等效电路仿真模型。

2.根据权利要求1所述的用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于，所述扫频信号是正弦电压信号。

3.根据权利要求1所述的用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于：所述频率区间为10Hz～1MHz。

4.根据权利要求1所述的用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于，所述采样电阻和采样电阻均为50。

5.根据权利要求1所述的用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于，所述低频段变压器绕组集中参数等效电路模型包括一次侧绕组的电阻与漏电感、二次侧折算到一次侧的电阻与漏电感以及变压器的励磁电阻与励磁电感。

6.根据权利要求1所述的用于扫频阻抗法的变压器绕组仿真模型建立方法，其特征在于，所述高频段变压器绕组梯形等效电路模型是以饼为单元建立的，该模型包括电感、电阻、每个单元的对地电容和纵向电容以及高低压绕组之间的饼间电容。