CN109521391B - 发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置及方法，技术方案是，包括变频信号发生器、双通道变频信号测量装置和计算机，变频信号发生器的信号输出端与双通道变频信号测量装置其中一个检测端相连，双通道变频信号测量装置的输出端与计算机的输入端相连，本发明结构新颖独特，检测方法简单合理，仪器设备体积小、携带方面，试验时从设备一次绕组上接线也极为便捷，可以在现场有效地检测出发电机出口PT绕组的匝间短路故障，在短路匝占比非常低的情况下依然能够准确的检测出短路故障，测试灵敏度高，准确度高，应用此技术，可以简便、有效、直观地检测发电机出口PT绕组匝间短路故障，可以及早发现设备内部隐性缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电力行业发电机出口侧电压互感器(简称发电机出口PT)绕组匝间短路故障的测试，特别是采用变频信号发生和测量分析技术进行发电机出口PT绕组匝间短路故障的检测装置及方法。
背景技术
发电机出口侧电压互感器起到测量发电机出口电压、计量出口电量和提供继电保护用电压信号的重要作用，一旦发生故障，将严重影响机组的安全稳定运行甚至导致机组非计划停运。近年来，电力行业的发电企业多次发生因发电机出口PT绕组匝间短路绝缘缺陷而导致的发电机非计划停运事件，而目前在现场仍缺乏便捷、有效、灵敏度高地检测发电机出口PT绕组匝间短路故障的方法和装置。
在目前现场测试中，针对发电机出口PT绕组匝间短路故障的检测方法主要有三种，分别是直流电阻测试法、变比测试法和空载电流测试法，上述三种方法主要存在以下不足：
1)直流电阻法检测灵敏度偏低。发电机出口PT一次绕组的电压等级根据机组容量的不同有一定差异，主要在15-27kV范围内，其一次绕组的匝数大多超过10000匝。在一次绕组匝间短路故障发生的初始阶段，可能仅短路几匝至几十匝，在此状态下的直流电阻变化率很小，以短路30匝为例，其直流电阻变化率不超过千分之三，这种程度的变化率小于直流电阻测试仪器的正常允许测试误差范围，因而匝间短路故障难以被发现和确认。只有当匝间短路故障持续发展到较为严重的后续阶段，直流电阻变化率超过百分之二或百分之三以上时，才能通过该试验确认设备存在故障。
2)变比测试法检测灵敏度低。和直流电阻法测试相类似，当匝间短路故障的短路匝数仅有几匝至几十匝时，变比测试的结果同样变化很小，基本也不会超过千分之三，小于变比测试仪器的正常允许测试误差，因而也无法有效发现和确认设备的匝间短路故障。
3)空载电流测试可以较为灵敏地发现设备的匝间短路故障。当发电机出口PT内部存在几匝至几十匝的匝间短路故障时，采用空载电流法测试时，施加到设备某一个二次绕组上的空载电流会明显增大，对比历史空载电流数据，就可以发现和确认设备的匝间短路故障。但由于空载电流测试所需的仪器携带不便，设备安装就位后在PT柜内的狭小空间里从二次绕组上接线较为困难，设备历史数据有时残缺不全等诸多原因，该方法在现场也较少采用。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置及方法，可以有效解决现场测试灵敏度低、准确度低的问题。
本发明解决的技术方案是：
一种发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置，包括变频信号发生器、双通道变频信号测量装置和计算机，其中：
变频信号发生器：用于输出频率可连续调节变化的正弦波交流电压信号，作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号源；
双通道变频信号测量装置：用于同时测量不同频率信号源下待测发电机出口侧电压互感器绕组信号输入端和输出端的信号电压；
计算机：用于将双通道变频信号测量装置不同频率信号源下采集的信号电压通过公式K(f)＝20lg(Vo/Vi)输出特性曲线，公式中，f为频率；Vi为待测发电机出口侧电压互感器绕组首端输入信号电压；Vo为待测发电机出口侧电压互感器绕组末端输出信号电压；该特性曲线作为发电机出口侧电压互感器绕组匝间是否短路故障的判断基准；
K(f)为一个频率f下的特性数据，以频率值为横坐标，以特性数据值为纵坐标，将所有频率下对应的特性数据绘制成连续的曲线，该曲线即为待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线；
所述变频信号发生器的信号输出端与双通道变频信号测量装置其中一个检测端相连，作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号输入端，双通道变频信号测量装置的另一个检测端作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号输出端，双通道变频信号测量装置的输出端与计算机的输入端相连。
一种发电机出口侧电压互感器绕组匝间短路故障检测方法，包括以下步骤：
一、确认待测发电机出口电压互感器状态
待测发电机出口电压互感器应处于非运行的停电状态，电压互感器的一次绕组的保险已取下，确保电压互感器与其他可能带电的设备间有明显的物理断开点；
二、确认装置变频信号发生和测量功能状态正常
将所述检测装置的信号输入端与信号输出端短接，设定变频信号的频率下限、频率上限及频率变化的步长，然后启动装置进行变频信号发生和测量功能的自检测试，计算机输出的特性曲线应为保持不变且没有衰减量的水平直线；
三、数据采集
将所述检测装置的信号输入端通过引线连接到待测发电机出口侧电压互感器一次绕组的首端，将所述检测装置的信号输出端通过引线连接到待测发电机出口侧电压互感器一次绕组的末端，启动装置，进行变频信号的发生和测量，计算机在每一个频率下通过公式K(f)＝20lg(Vo/Vi)记录每一个对应测量信号处理后的特性数据K(f)，以频率值为横坐标，以特性数据值为纵坐标，将所有频率下对应的特性数据绘制成连续的曲线，该曲线即为待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线；
四、数据处理
对待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线结果进行分析：
a、当被测试的电压互感器有以往的历史特性曲线时，将本次采集的特性曲线和历史特性曲线对比，特性曲线发生变化时，即可判断电压互感器内部出现了绕组的匝间短路缺陷，所述的特性曲线发生变化为特性曲线的波峰、波谷的数量、位置或幅值有明显差异；
b、当被测试的电压互感器无以往的历史特性曲线时，确认发电机出口电压互感器A、B、C三相设备是否为相同型号参数、相同制造厂的设备，如果是(绝大多数都是)，那么相同型号参数、相同制造厂的电压互感器设备间的特性曲线是非常相似或相近的，因而可以利用三相设备的特性曲线进行相互比对，如果此时相互比对的设备间的特性曲线发生变化时，也可以判断电压互感器内部发生了绕组的匝间短路缺陷；所述的特性曲线发生变化为特性曲线的波峰、波谷的数量、位置或幅值有明显差异；
五、对判断电压互感器内部存在绕组匝间短路缺陷的设备，进行重复测量，确认测试过程和测试结果不存在异常。
所述的特性曲线发生变化具体为对比后本次采集的特性曲线相较于历史特性曲线波峰、波谷数量增加1个或更多，或波峰、波谷对应的频率位置发生超过100Hz的改变，或波峰、波谷对应的幅值发生15db以上的变化；或以上三者的组合。
本发明结构新颖独特，检测方法简单合理，仪器设备体积小、携带方面，试验时从设备一次绕组上接线也极为便捷，可以在现场有效地检测出发电机出口PT绕组的匝间短路故障，在短路匝占比非常低的情况下依然能够准确的检测出短路故障，测试灵敏度高，准确度高，应用此技术，可以简便、有效、直观地检测发电机出口PT绕组匝间短路故障，可以及早发现设备内部隐性缺陷，防止出现因发电机出口PT绕组匝间短路绝缘缺陷而导致的发电机非计划停运事件，具有良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明检测装置的结构示意图。
图2为发电机出口PT绕组等效结构图。
图3为发电机出口PT绕组等效网络图。
图4为本发明检测方法实际检测的特性曲线对比图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明一种发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置，包括变频信号发生器、双通道变频信号测量装置和计算机，其中：
变频信号发生器：用于输出频率可连续调节变化的正弦波交流电压信号，作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号源；
双通道变频信号测量装置：用于同时测量不同频率信号源下待测发电机出口侧电压互感器绕组信号输入端和输出端的信号电压；
计算机：用于将双通道变频信号测量装置不同频率信号源下采集的信号电压通过公式K(f)＝20lg(Vo/Vi)输出特性曲线，公式中，f为频率；Vi为待测发电机出口侧电压互感器绕组首端输入信号电压；Vo为待测发电机出口侧电压互感器绕组末端输出信号电压；该特性曲线作为发电机出口侧电压互感器绕组匝间是否短路故障的判断基准；
K(f)为一个频率f下的特性数据，以频率值为横坐标，以特性数据值为纵坐标，将所有频率下对应的特性数据绘制成连续的曲线，该曲线即为待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线；
所述变频信号发生器的信号输出端与双通道变频信号测量装置其中一个检测端相连，作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号输入端，双通道变频信号测量装置的另一个检测端作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号输出端，双通道变频信号测量装置的输出端与计算机的输入端相连。
信号输入端、信号输出端以及双通道变频信号测量装置的输出端均可连接接线端子，方便接线。
检测时，所述的变频信号发生器信号输出端与双通道变频信号测量装置其中一个检测端的共端与待测发电机出口侧电压互感器绕组的首端相连，双通道变频信号测量装置的另一个检测端与待测发电机出口侧电压互感器绕组的末端相连。
所述的变频信号发生器为函数信号发生器。
所述的双通道变频信号测量装置为双通道示波器。
所述的变频信号发生器的电源输入端与计算机相连，与计算机共用电源。
一种上述检测装置的发电机出口侧电压互感器绕组匝间短路故障检测方法，包括以下步骤：
一、确认待测发电机出口电压互感器状态
待测发电机出口电压互感器应处于非运行的停电状态，电压互感器的一次绕组的保险已取下，确保电压互感器与其他可能带电的设备间有明显的物理断开点；
二、确认装置变频信号发生和测量功能状态正常
将所述检测装置的信号输入端与信号输出端短接，设定变频信号的频率下限、频率上限及频率变化的步长，然后启动装置进行变频信号发生和测量功能的自检测试，计算机输出的特性曲线应为保持不变且没有衰减量的水平直线；
三、数据采集
发电机出口PT是一种电磁式电压互感器，从结构上讲是一种小容量、小体积、大电压比的降压变压器，基本原理与变压器相同，由一次绕组、二次绕组、铁芯、引出线、以及绝缘结构等构成。其一次绕组线径很细、匝数超过10000匝，分为数十层布置并包绕在环形铁芯上，直流电阻和工频下的电感量均非常大，直流电阻通常可达数百欧姆，工频电感可达数百亨，其等效结构图如图2所示。
根据发电机出口PT绕组等效结构图，参考典型电路中变压器设备的等效电路图，可以将发电机出口PT绕组等效看作一个由电感、电阻和电容等分布参数组成的无源线性双端口网络，假设绕组一定长度的电感、电阻和电容分别为L、R和C，其绕组的等效网络如图3所示；
从绕组的首端施加频率可以连续调节变化的正弦交流电压信号，同时测量和记录输入到绕组首端的信号电压以及传递到绕组尾端的输出信号电压，利用记录的首端输入信号电压和末端输出信号电压，通过计算即可得出对应不同频率下的一系列特性函数(特性数据)：
K(f)＝20lg(Vo/Vi)
f—频率
Vi—首端输入信号电压
Vo—末端输出信号电压
将经过测量、计算得到的一系列和频率相关的特性函数值用平滑曲线连接起来，即可得到该发电机出口PT绕组在特定频率范围内的特性曲线。
将所述检测装置的信号输入端通过引线连接到待测发电机出口侧电压互感器一次绕组的首端，将所述检测装置的信号输出端通过引线连接到待测发电机出口侧电压互感器一次绕组的末端，启动装置，进行变频信号的发生和测量，计算机在每一个频率下通过公式K(f)＝20lg(Vo/Vi)记录每一个对应测量信号处理后的特性数据K(f)，以频率值为横坐标，以特性数据值为纵坐标，将所有频率下对应的特性数据绘制成连续的曲线，该曲线即为待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线；
当发电机出口PT绕组没有发生匝间短路时，绕组的电感、电阻、电容等分布参数是固定的，它们组成的网络也是固定的，其变频信号特性曲线是固定的，当绕组存在不同程度的匝间短路故障时，电感、电阻、电容等分布参数会发生变化，感抗、容抗等参数会随频率变化而发生较大变化，电阻参数则变化很小，于是PT设备的等效网络的参数就会发生改变，此时变频信号特性曲线和以往特性曲线相比就会产生差异甚至明显差异，从而实现对发电机出口PT绕组匝间短路故障的判断。
四、数据处理
对待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线结果进行分析：
a、当被测试的电压互感器有以往的历史特性曲线时，将本次采集的特性曲线和历史特性曲线对比，特性曲线发生变化时，即可判断电压互感器内部出现了绕组的匝间短路缺陷，所述的特性曲线发生变化为特性曲线的波峰、波谷的数量、位置或幅值有明显差异；
b、当被测试的电压互感器无以往的历史特性曲线时，确认发电机出口电压互感器A、B、C三相设备是否为相同型号参数、相同制造厂的设备，如果是(绝大多数都是)，那么相同型号参数、相同制造厂的电压互感器设备间的特性曲线是非常相似或相近的，因而可以利用三相设备的特性曲线进行相互比对，如果此时相互比对的设备间的特性曲线发生变化时，也可以判断电压互感器内部发生了绕组的匝间短路缺陷；所述的特性曲线发生变化为特性曲线的波峰、波谷的数量、位置或幅值有明显差异；
五、对判断电压互感器内部存在绕组匝间短路缺陷的设备，进行重复测量，确认测试过程和测试结果不存在异常。
所述的特性曲线发生变化具体为对比后本次采集的特性曲线相较于历史特性曲线波峰、波谷数量增加1个或更多，或波峰、波谷对应的频率位置发生超过100Hz的改变，或波峰、波谷对应的幅值发生15dB以上的变化；或以上三者的组合。
本发明技术经实际应用，取得了良好的效果，具体情况如下：
采用大唐华中电力试验研究院研制的HR 1000F型测试仪，分别与采用直流电阻法、变比测试法等传统测试技术进行对比试验，验证本文方法的可行性与可靠性：
(1)试品采用JDZX9-20F1型发电机出口PT作为被试品，试品绕组总匝数约为13000匝，分别在绕组无匝间短路和人工制造匝间短路的情况下进行对比测试，其中人工制造匝间短路时分为短路5匝、短路35匝、短路96匝3种不同工况。
(2)按传统的测试方法，首先利用单臂电桥、变比测试仪分别在无匝间短路、3种不同程度匝间短路共计4种工况下进行对比测试，测试结果见表1。
(3)其次，利用HR 1000F型测试仪对被试品也进行同样4种工况下的测试。
(4)最终，对比几种方法在不同工况下分析和判断PT设备绕组匝间短路故障的灵敏性和有效性。
表1直流电阻法和变比测试法在四种工况下测试结果对比
可以看出：运用传统的直流电阻法测试时，在短路匝数5匝和短路35匝时，直流电阻变化率非常小，分别为万分之四和千分之三左右，无法判断是否存在匝间短路故障。当短路匝数达到96匝时，直流电阻变化率才接近百分之一，此时只有认真进行数据分析，才有可能会注意到数据的变化情况，怀疑试品可能存在匝间短路故障。
运用传统的变比法测试时，即使短路匝数达到96匝时，变比数据变化也仅为千分之二左右，根本无法判断是存在匝间短路故障还是仪器测试误差，无法进行准确的故障判断。
而采用本发明提出的变频信号发生和测量分析技术测试时，测试结果如图4所示，其中：曲线1：PT正常状态；曲线2：PT短路5匝；曲线3：PT短路35匝；曲线4：PT短路96匝。
由图可见，在3种不同程度匝间短路工况下，其对应的特性曲线均和PT设备正常无匝间短路时的特性曲线存在非常明显的差异。即使在仅短路5匝的情况下，其特性曲线的变化也非常直观和明显，其波谷幅值变化超过15dB，在短路96匝情况下，波峰、波谷的位置和幅值均发生了明显变化，可以很明确的判断设备存在匝间短路故障。可见，应用此技术，可以简便、有效、直观地检测发电机出口PT绕组匝间短路故障，可以及早发现设备内部隐性缺陷，防止出现因发电机出口PT绕组匝间短路绝缘缺陷而导致的发电机非计划停运事件，具有良好的社会效益和经济效益。
Claims (4)
1.一种发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置，其特征在于，包括变频信号发生器、双通道变频信号测量装置和计算机，其中：
变频信号发生器：用于输出频率可连续调节变化的正弦波交流电压信号，作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号源；
双通道变频信号测量装置：用于同时测量不同频率信号源下待测发电机出口侧电压互感器绕组信号输入端和输出端的信号电压；
计算机：用于将双通道变频信号测量装置不同频率信号源下采集的信号电压通过公式K(f)＝20lg(Vo/Vi)输出特性曲线，公式中，f为频率；Vi为待测发电机出口侧电压互感器绕组首端输入信号电压；Vo为待测发电机出口侧电压互感器绕组末端输出信号电压；该特性曲线作为发电机出口侧电压互感器绕组匝间是否短路故障的判断基准；
所述变频信号发生器的信号输出端与双通道变频信号测量装置其中一个检测端相连，作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号输入端，双通道变频信号测量装置的另一个检测端作为待测发电机出口侧电压互感器绕组的信号输出端，双通道变频信号测量装置的输出端与计算机的输入端相连；
所述的变频信号发生器信号输出端与双通道变频信号测量装置其中一个检测端的公共端与待测发电机出口侧电压互感器绕组的首端相连，双通道变频信号测量装置的另一个检测端与待测发电机出口侧电压互感器绕组的末端相连；
所述的变频信号发生器为函数信号发生器。
2.根据权利要求1所述的发电机电压互感器绕组匝间短路故障的检测装置，其特征在于，所述的双通道变频信号测量装置为双通道示波器。
3.一种采用权利要求1所述检测装置的发电机出口侧电压互感器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、确认待测发电机出口电压互感器状态
待测发电机出口电压互感器应处于非运行的停电状态，电压互感器的一次绕组的保险已取下，确保电压互感器与其他可能带电的设备间有明显的物理断开点；
二、确认装置变频信号发生和测量功能状态正常
将所述检测装置的信号输入端与信号输出端短接，设定变频信号的频率下限、频率上限及频率变化的步长，然后启动装置进行变频信号发生和测量功能的自检测试，计算机输出的特性曲线应为保持不变且没有衰减量的水平直线；
三、数据采集
将所述检测装置的信号输入端通过引线连接到待测发电机出口侧电压互感器一次绕组的首端，将所述检测装置的信号输出端通过引线连接到待测发电机出口侧电压互感器一次绕组的末端，启动装置，进行变频信号的发生和测量，计算机在每一个频率下通过公式K(f)＝20lg(Vo/Vi)记录每一个对应测量信号处理后的特性数据K(f)；
四、数据处理
对待测发电机出口侧电压互感器绕组的特性曲线结果进行分析：
a、当被测试的电压互感器有以往的历史特性曲线时，将本次采集的特性曲线和历史特性曲线对比，特性曲线发生变化时，即可判断电压互感器内部出现了绕组的匝间短路缺陷，所述的特性曲线发生变化为特性曲线的波峰、波谷的数量、位置或幅值有明显差异；
b、当被测试的电压互感器无以往的历史特性曲线时，确认发电机出口电压互感器A、B、C三相设备是否为相同型号参数、相同制造厂的设备，如果是，那么相同型号参数、相同制造厂的电压互感器设备间的特性曲线是非常相似或相近的，因而可以利用三相设备的特性曲线进行相互比对，如果此时相互比对的设备间的特性曲线发生变化时，也可以判断电压互感器内部发生了绕组的匝间短路缺陷；所述的特性曲线发生变化为特性曲线的波峰、波谷的数量、位置或幅值有明显差异；
五、对判断电压互感器内部存在绕组匝间短路缺陷的设备，进行重复测量，确认测试过程和测试结果不存在异常。
4.根据权利要求3所述的发电机出口侧电压互感器绕组匝间短路故障检测方法，其特征在于，所述的特性曲线发生变化具体为对比后本次采集的特性曲线相较于历史特性曲线波峰、波谷数量增加1个或，更多或波峰、波谷对应的频率位置发生超过100Hz的改变，或波峰、波谷对应的幅值发生15dB以上的变化；或以上三者的组合。
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2019
- 2019-01-23 CN CN201910060779.9A patent/CN109521391B/zh active Active
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