（电力电子与电力传动专业论文）变压器短路电抗在线监测研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h eh i g hr e l i a b i l i t yo fp o w e rg e n e r a t i o n ，p o w e rt r a n s m i s s i o n a n dp o w e r s u p p l yi sr e q u i r e d a tt h em e a n t i m e ，t h ea d v a n c e m e n to ft h et e c h n o l o g yo fo n - l i n em o n i t o r i n g ， p a t t e r nr e c o g n i t i o na n dc o m p u t e ri n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm a k e s t h et r a n s f o r m a t i o nf r o mc u r r e n tt i m e b a s e m a i n t e n a n c et oc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c ean e c e s s a r yt r e n d t h eo n - l i n e m o n i t o r i n g o fp o w e r a p p a r a t u si st h eb a s eo f c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e t r a n s f o r m e r sp l a yak e yr o l ei nt h ep o w e rs y s t e m i t sn o r m a lo p e r a t i o nt h a tg u a r a n t e e st h er e l i a b i l i t y o f t h ep o w e rn e ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c e i nr e c e n ty e a r s ，t h er a t eo f t r a n s f o r m e rf a i l u r e sc a u s e dd i r e c t l yo r i n d i r e c t l yb yt h ew i n d i n gd e f o r m a t i o nr e m a i n sh i g ht h e r e f o r et h eo n l i n em o n i t o r i n go f t h ec o n d i t i o no f t r a n s f o r m e rw i n d i n g si so f g r e a ti m p o r t a n c e i nt h i sp a p e r , an o v e ls t r a t e g yf o rd i a g n o s i n gt h ed e f o r m a t i o n o fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g sb yo n - l i n e m o n i t o r i n g o fi t ss h o r t - c i r c u i tr e a c t a n c ei s p u t f o r w a r d t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h r o u g hs a m p l i n gt h ev o l t a g es i g n a l sa n dc u r r e n ts i g n a l sv i ap ta n dc t f r o mt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yw i n d i n g so f t h et r a n s f o r m e ri nr e a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h es h o r t c i r c u i t r e a c t a n c eo fe a c hp h a s ec a nb ec a l c u l a t e di no r d e rt oj u d g et h ee x t e n tt ow h i c ht h et r a n s f o r m e rw i n d i n g s a r ed e f o r m e df u r t h e r m o r e ，t h es a m p l i n gs y s t e mi sc o m p l e t ea f t e rt h es a m p l i n gc i r c u i ti sd e s i g n e da n dt h e s o f t w a r es y s t e mi s p r o g r a m m e d u s i n gt h es a m p l i n gs y s t e m ，t h es h o r t - c i r c u i t r e a c t a n c eo fap o w e r t r a n s f o r m e ri n - s i t ei sm e a s u r e d f r o mt h e o r e t i c a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w e c a r ld r a wa c o n c l u s i o nt h a ti ti s p r a c t i c a l t od i a g n o s et h ed e f o r m a t i o no fp o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n g sb yo n - l i n e m e a s u r e m e n to fi t ss h o r t - c i r c u i tr e a c t a n c ea n dt h eo n - l i n er e a c t a n c em e a s u r e m e n tc a np r o v i d ea ne x a c t r e a l t i m ed e s i g n a t i o nf o rt h es t a t u so f t h et r a n s f o r m e rw i n d i n g k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rw i n d i n g d e f o r m a t i o ns h o r t c i r c u i tr e a c t a n c e o n - l i n em o n i t o r i n gt i m e b a s e dm a i n t e n a n c ec o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e i i 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = ；= = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = ；= = 目= = 一 1 绪论 1 1 计划检修与状态检修 随着电力系统的发展，对发、输和供电的可靠性要求越来越高。同时，随着在线 监测、模式识别、计算机信息处理技术等的发展，电气设备从现行的计划检修 ( t i m e b a s e dm a i n t e n a n c e ，简称t b m ) 向状态检修( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ，简称 c b m ) 转变，已成为必然趋势。 计划检修是对电力一次设备推行以预防性试验为基础的计划检修制度。预防性 试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效 手段之一。以故障检修、预防性计划检修为主，是我国电力行业长期以来的设备检修 体制，在我国已有4 0 多年的使用经验。长期以来，预防性试验对我国电力系统的安全 运1 r j - 起到了很大的作用。但是，定期的计划性检修存在许多弊端，如投入大、停机时 间长、维修费用高等，同时，如果检修质量存在问题，反而会带来更多的缺陷，也不 能保证该修的就会得到修理。随着电力系统向高电压、大容量、互联网发展，以及用 电部门要求的提高，对电力系统的安全可靠性指标的要求也越来越高，周期性的计划检 修已越来越不适应电力系统发展的要求，主要表现在：需要停电进行试验，而许多重要 电力设备不能轻易退出运行：停电后设备状态( 如工作电压、温度等) 和运行中不一致， 影响判断的准确性；由于是周期性定期试验，设备仍可能在两次试验期间发生故障。 所谓状态检修，具体说来是指通过设备的历史运行、检修及试验状态和连续监测 数据，分折其趋势，加以预测、诊断，估计设备的寿命，然后确定检修项目、频度与 检修内容。它是基于可靠性和预防性为中心的维修技术”，对潜伏性故障进行在线监 测，结合巡视数据、历史可靠性数据和人工智能技术等，对设备进行状态评估，并以 此柬指导、安排设备的维修，是一种以设备状态为基础，以预测设备状态发展趋势为 依据的俭修方式“。它能够有效避免周期性计划检修带来的弊端，做到合理安排生 产和检修，节约大量的设备维掺资金和停机检修时间，从而使现有的运行设备创造更 大的安全和经济效益。根据湖南省电力公司总工程师林干介绍，湖南省公司系统水、 华中科技大学硕士学位论文 火电厂机组大修、小修周期分别是3 年和1 年，而美国电厂实行状态检修，机组大修 周期为8 到1 0 年，节省大修费用3 0 仆1 。状态检修的特点是：有一个能反映设备状态 的参数( 离线的和历史的；在线的和实时的：次的和二次的等) “1 ：有一个规定的闽值 或概念明确的判据，以判断设备是否需要检修；状态检修工作本身不需要解体设备。 计划检修的基础是电气设备的预防性试验，而状态检修的基础l j 是电气设备的在线监 测。在线监测可以提高电气设备的利用率，有助于计划检修向状态检修的转变，改善 资产管理和设备寿命估计，加强故障原因分析。随着计算机技术和网络技术的发展，不 仅使在线监测成为可能，而且将其进一步与发电厂、变电站自动化系统和m i s 系统结 合，则有望实现真正意义上的发电厂、变电站无人值班和状态检修”。 1 2 本人的主要工作 在2 0 0 1 年6 月召开的湖南省电力技术监督工作会议上做出决定，湖南省电力系统 检修体制将进行一场改革，力争5 年内全省发、供电设备逐步达到水、火、电气设备 状态检修目标，8 年内全面实行全省发、供电设备的状态检修。作者就是结合这次湖南 电力系统检修体制改革完成自己的硕士论文。本文着重讨论作为状态检修基础的在线 监测，研究了两绕组和三绕组电力变压器短路电抗的在线监测方法，并用m a t l a b 软 件进行了仿真，验证其可行性：研制出基于8 0 5 1 单片机的硬件采集装置，并且编制了 1 下位机和上位机的软件：在现场做了变压器短路电抗在线测试的试验，并对试验结果 以及主要误差的来源进行了分析，提出了减小测量误差的方案。 2 华中科技大学硕士学位论文 2 电力设备在线监测 电力设备在线监测的研究开始于7 0 年代初，但是，国内的发展比较缓慢。进入8 0 年代，特别是近1 0 多年来，在线监测技术发展很快，绝大多数变电站设备及发电机、 电缆、线路绝缘子等都有在线监测的项目“1 。随着电子技术的进步，传感器技术、光 纤技术、计算机技术、信息处理技术的发展和向各领域的渗透，系统的监控技术中广 泛应用了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶段。与预防性试验 相比，在线监测系统采用高灵敏度的传感器采集运行中设备绝缘劣化的信息，信息量 的处理和识别依赖于丰富的软件支持的计算机网络，不仅可以把某些预试项目在线化， 而且还引进了一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态 的综合诊断，促进电力设备向状态检修过渡的进程“。 2 1 在线监测的目的和意义 在线监测的目的有两个“：一是早期发现设备故障，防止突然发生事故，以期尽 量减少故障损失和保证运行的可靠性。这主要是以安全为目的。二是持续监测和采集 电气设备重要的状态参数并加以存储，通过对这些参数的处理、比较和分析，对设备 的劣化程度有一个正确的评估，对电气设备的运行状态发展有一个正确的预测“”。这 主要是以趋势分析为目的。出于第一个目的的在线监测系统称为保护性监测系统。保 护性监测系统必须能够及时察觉与电气设备安全有关的状态参数变化，并随时提供响 应曲线，在监测中不断地将测量值与设定值进行比较，发现超限就报警。保护性监测 系统关心的是等于或小于两次计划停机间隔的故障发展情况，在运行中监测电气设备 的异常，据此作计划外的维修。出于第二个目的的监测系统称为预知性监测系统。预 知性监测系统通过详细的、分析性的监测获得电力设备状态细微变化的早期预警，关 心的是缓慢发展的老化现象。其记录的数据可以帮助检修人员安排计划，作相应的预 防性维修。 华中科技大学硕士学位论文 22 在线监测的主要项目及原理 电气设备在线监测的基本原理是在电气设备处于运行状态中，利用其工作时的电 压、电流等各种参量来监测各种特征参数“”。因此，可以有效反映设备的实际工况， 从而对设备状态做出比较准确的判断。 电气设备种类繁多，结构各异，在线监测项目各有不同。目前，国内电气设备在 线监测的主要项目如表2 1 所示i t 4 1 。 表2 i 电气设备在线监测的主要项目 发电机 变压器 互瞎器 电容器 + 断路器 电力电缆 g i s + m o a 绝缘支柱 注：表示需要在线监测的项目 由于不同电气设备的在线监测项目不同，因此要求采用各种不同形式的传感器， 将被测信号( 电信号和非电量) 抽取出来，转换成监测装置可以检测的信号，并通过电缆 送入监测装置。现代的监测装置大多采用数字化测量或微处理机系统，因此要求对被 测信号进行a i d 转换。 目前，国内电气设备在线监测装置大体可以分为集中式在线监测系统和分散式在 线监测系统两大类。前者是将被测信号通过电缆引入设在中央控制室的微机在线监测 屏，进行集中监测，并迅速完成对监测数据的处理和分析。其突出优点是，可以对所 有被测设备实旖定时或巡回自动监测，运行方式灵活、易于扩展、监测容量大、便于 建立专家诊断系统，实现发电厂、变电站的综合自动化。后者则是利用专用的测试仪 器从固定安装在电气设备附近的专用传感器上取得信号，就地进行测量。其优点是 结构简单，价格较低；缺点是测试工作仍需人工操作，不能纳入发电厂和变电站的整 4 华中科技大学硕士学位论文 = 一：= = ；= ；= # = = = ；= = = = = = = = = # = = = # = = ；= g 个自动化系统“”。 2 3 国内在线监测技术基本应用情况 在1 9 9 8 年，国家电力公司电力科学研究院对全国各省、市、自治区电力局，电力 试验研究所，科研单位和供电局共3 0 个单位提供的1 2 7 个变电站的在线监测系统或装 置的运行情况进行了调查，归纳出以下几点“1 。 2 3 1 在线监测采用的形式多种多样 这1 2 7 个变电站中，有5 7 个变电站装有集中式在线监测系统，主要是电容型设备 的介质损耗、电容及其变化量、泄漏电流及其变化量、不平衡电压、避雷器的全电流 和阻性电流、介损和变压器油中氢气含量等。有i o 个变电站装有分散式在线监测装置。 还有的变电站装设有只监测某一参量，如避雷器泄漏电流、变压器的局部放电或只监 测油中色谱、少油开关的泄漏电流等等。这样的站有3 9 个。 2 i 2 监测系统的正常运行率 集中式在线监测系统一次投入费用较高，因此，人们更加关注其投入运行后的工 作状况。5 7 个系统中。基本运行正常的占3 0 左右，已不能正常使用或处于瘫痪状态 的占3 6 。使用单位反硖的意见主要集中在以下几点： l 、介损测量不够准确，稳定性、重复性较差，测量误差较大； 2 、信号采集部分故障，如传感器失效、破损，电压信号畸变： 3 、测量系统抗干扰性能差，抗温度、湿度变化的能力差； 4 、数据传输与处理部分故障，数据丢失。 安装分散式在线监测装置的1 0 个变电站，运行正常的占9 0 。 有2 7 个变电站只装有监测避雷器泄漏电流的装置，基本能正常运行。 2 3 3 通过在线监测发现故障隐患的事例 共统计有8 冽是由于在线监测结果发生明显变化而发现的故障。其中，避雷器受 潮2 例，放电l 例，变压器套管受潮3 例，电抗器局部放电l 例主变压器接地不可 华中科技大学硕士学位论文 靠l 例。 2 4 国内在线监测技术开发和应用情况分析 2 。t 1 已取得的成绩 在线监测系统应用情况表明，它对及时发现电力设备绝缘缺陷，保证设备安全运 行起到良好作用。1 0 多年来，已经对各种电力设备的在线监测技术进行了研究和开发， 特别是对电容型设备的坦万、a c 、u 的监测、避雷器泄漏电流的监测技术的开发和应 用，已经取得了很大成绩。开发了集中式、分散式和便携式装置，也实时发现了一些 被测设备绝缘受潮，并及时采取措施加以防范，避免了更大停电事故的发生，保证电 力系统的安全运行，取得了一定的社会效益和经济效益。一些监测项目如t g g 的测量和 避雷器泄漏电流测量等还提出了在线监测的参考标准。 在线监测技术的开发，推动了电力设备运行维护水平的提高，减少维护人员的劳 动强度，部分设备根据监测结果确定停电检修周期，为从预防性试验向状态检修方向 过渡积累经验。另一方面，由于引进了先进的电子技术、信息处理技术，使得在线监 测技术更具有先进性、实用性，推进了电力设备绝缘监测方法的革新。 在线监测技术的开发和应用，提高了运行管理的智能化程度，加快设备运行状态 的信息反馈，缩短了故障判断和处理时间，提高了工作效率，减少因停电造成的经济 损失，并为实现发电厂、变电站无人值班创造条件。 2 i 2 存在的问题 监测系统本身运行可靠性欠佳，主要表现在以下几个方面：元件性能不稳定，失 效或破损；装置的抗干扰性能较差，抗外界因素如温度、湿度变化的能力差；装置整 体运行可靠性差，测量数据不稳定，起不到监测设备绝缘状况的作用“1 。 在线监测系统的功能需进一步完善和提高。经过几年的应用，已经暴露出一些监 测系统的设计有问题，需要从技术上并结合在线监测的特点综合考虑进一步提高稳定 性、准确性，保证传感器的自身质量及现场测量中的可靠性，才能提高在线监测的效 6 华中科技大学硕士学位论文 梨， 2 5 国外在线监测技术发展状况 目前，国外在线监测技术研究和应用推广都已取得了长足的进展。美国、日本、 欧洲都有这方面的大量报道。加拿大和美国，有专门的公司，如加拿大v i b r o s y s t m 公 司、美国西屋电力公司，为电厂提供专门的在线监测装置以及配套的分析软件。美国 电力研究所在1 0 多年前就开始了发电厂设备预防性啥断监测系统的研究，对发电厂的 设备广泛进行在线监测和故障分析，意在采用各项先进的测量技术和分析软件，分析 设备的运行状况和健康水平，为设备的维护和检修计划安排提供决策，从而以状态检 修取代原来的计划检修。并且，他们这一成果得到推广，他们在费城建立了预防性诊 断、监测和维修中心，并在埃迪斯通电厂试验，结果陔厂的机组大修周期从原来的3 至j 年，延长到6 至8 年：小修周期从原来的1 2 个月，提高到1 8 个月左右。从而使 机组的可用率大幅度提高，检修费用大幅度下降。现在美国许多电厂都运用了这一研 究成果“”。1 9 9 0 年，苏格兰电力公司的b r o o k ，r n t 等介绍了实施汽轮发电机组振动 状态的在线监测。1 9 9 1 年，德国西门子公司的z o e t n e t ，w a l t e r 等研究了在线监测汽 轮发电机组运行状态的诊断系统结构。t 9 9 5 年，美国r o s e m o u n ta n a l y t i c a l 公司研制 了应用于状态检修的新一代智能燃气在线分析仪，它能够在线监测运行参数，通过与 设定的阀值比较，确定设备的维修周期，实现状态检修。 26 对在线监测技术发展的一些看法 本人对湖南湘潭电厂、华容变电站等多家变电站和电厂进行了实地考察，并且阅 读了大量有关文献和报告，对国内在线监测技术的发展提出自己的一些看法。 2 6 1 提高和完善已开发的监测技术的性能 从所暴露的问题看，属于监测系统本身的质量问题如测量结果不稳定，系统抗干 扰能力差等些技术难点尚待解决。经过多年的攻关，介损测量和阻性电流测量技术 是比较成熟的，与国外的研究水平相接轨“1 。当前应集中解决传感元件自身的性能包 华中科技大学硕士学位论文 括线性问题和提高信号采集和传递过程中的抗干扰性能，提高测量稳定性和可靠性。 26 2 加强基础研究工作 研究监测参数及其变化与被测设备绝缘老化的关系，总结出规律性的东西，反过来 指导在线监测工作，才能提高在线监测系统的可信度和判断准确性。目前，我国在线 监测仍停留在只提供监测数据的水平上，而对于这些参量的变化与设备的劣化程度的 关系仍缺乏判断经验，需要进行大量的试验研究和数据统计工作，加强对测量结果的 综合分析，进行历史的、相同设备之间的、同一设备历年的测量结果的分析比较，正 常的与故障的测量结果的比较找出测量结果的变化与设备劣化程度两者之间的关系。 一些先进国家非常重视理论研究工作，通过在线监测结果与模拟试验比较，提出有参 考阶值的监测指标，作为判断故障性质的参考。 2 6 3 增强在线监测系统的智能化水平 在线监测技术三要素：信息采集，数据处理与分析，处理意见与决策。后两个要 素目前还很薄弱，需要加强开发各种可供分析判断的软件。如专家诊断系统的建立， 通过调查、归纳、综合、分析工作，提炼出精华，形成专家系统，作为分析判断被测 设备故障的依据。另一方面，提高信息传输的准确性，提高监测的智能化水平，实现 与电力系统的智能化监控系统联网，实现电力系统管理的综合自动化。 华中科技大学硕士学位论文 3 变压器短路电抗在线监测的理论研究 3 1 开展变压器绕组变形在线监测工作的实际意义 运行在电网中的变压器不可避免地要遭受出口或近区短路故障的冲击，使变压器 绕组发生变形。但是由于短路引起的绕组变形并不是总能够马上导致匝间短路保护动 作。这样，绕组发生变形的变压器会在相当长的时间内继续运行。如果得不到及时维 修，累积的效应会使变形进一步发展，最终导致变压器非正常退出运行。如果一台大 型电力变压器在系统中运行时发生事故，则可能导致大面积停电，其检修期一般要半 年以上，不但花费很大，而且影响面很广。 有关变压器的历年统计资料均表明，绕组是发生故障较多的部件之一。以1 9 9 7 年 为例，统计了国内2 8 2 个供电企业和2 1 3 个发电厂的可靠性数据，表3 1 列出了2 2 0 k v 、 3 3 0k v 及5 0 0k v 变压器非计划停运按故障部位的分类情况。从表3 1 ，我们可以看出， 由于绕组故障引起的非计划停运占有较大的比例。对引发绕组故障的各种原因进行统 计和分析，出口短路引起变压器损坏事故的比例在l l o k v 及以上级变压器事故中占较 大比例，而短路电流正是引起绕组变形的最主要原因。 表3 1 2 2 0 k v 、3 3 0k v 及5 0 0k v 变压器非计划停运按故障部位的分类 电压故障非计划停运次非计划停运占总非计划停运时间的 等级部位数( 次)时间( h )百分比( ) 绕组69 3 2 9 7 9 5 绝缘介质 41 2 9 21 1 0 套管1 73 8 0 432 4 冷却装置1 33 4 4 7 29 5 2 2 0 k v 铁心22 6 872 2 9 油箱1 05 71 90 - 4 s 分接开关24 4 4 80 3 8 其他22 0 3 0o 1 7 绕组26 6 7 97 2 3 3 3 0 k v 其他42 5 5 82 7 7 绕组29 1 3 79 8 9 5 0 0 k v套管 l8 60 00 9 3 油枕11 4 1 3o 1 5 9 华中科技大学硕士学位论文 在线监测变压器的绕组状况，不仅可以省去通常的绕组变形测试，节省大量的人 力、财力，而且能够保证发生故障的变压器得到及时替换，无故障元件得到最大限度 的使用，从而延长变压器的实际使用寿命。 变压器绕组变形测试方法主要有：低压脉冲法、频率响应法以及测试绕组短路电 抗并与历史数据比较的短路电抗法。但是这几种方法均是离线方法，不能够在线监 测变压器绕组状况并及时发现绕组故障。目前，国内外有些学者提出采用在线测量变 压器短路阻抗的办法监测变压器绕组状况“”“”“”。 3 2 变压器短路电抗变化和绕组变形的关系 变压器短路阻抗是指变压器的负载阻抗为零时，变压器内部的等效阻抗。短路阻抗 可分为电阻分量和电抗分量“”1 。对于1 1 0 k v 及以上的大型变压器，电阻分量在短路 阻抗中所占的比例非常小“，短路阻抗值主要是电抗分量的数值。变压器的短路电抗 分蹙，就是变压器绕组的漏电抗。由变压器的理论分析可知，变压器绕组的漏电抗由纵 向漏电抗和横向漏电抗两部分组成。通常情况下，横向漏电抗所占的比例较小。变压 器的漏电抗值由绕组的几何尺寸所决定，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器 漏电抗的变化。当发生变压器短路故障时，短路电抗也势必会发生变化。因此，短路 电抗的变化可以反映绕组变形故障。关于电力变压器短路电抗的变化量与绕组变形程 度的关系的定量分析，国内已经有人研究过，并且得出了正确的结论“”。在i e c ( 国际 电一亡技术委员会) 7 6 5 中规定，短路电抗变化超过某个限值f 如7 5 、5 等，依变压器 的具体形式而定) 作为该变压器通过短路试验的标准。这就是说，如果发现变压器短路 电抗值的变化超过了某个限值，那么我们就应该考虑运行中的变压器的绕组因为短路 故障的发生而发生了绕组变形“。“。 l o 华中科技大学硕士学位论文 3 3 双绕组变压器短路电抗的在线监测 ： 3 1 基本原理 图3 1 双绕组变压器等效电路 图3 ，1 为双绕组变压器“t ”形等效电路图。为简便起见，以下讨论以及后面各章 节中，如果未作说明，变压器的各参数以及一次、二次侧电压电流均采用标么值。一 次侧漏阻抗z ，= r 。+ x i ，二次侧漏阻抗z + j 墨，励磁阻抗z 。= r 。+ ，x 。，短 路电抗x 。= x 。+ x ；。假设 d u 。u ，一( 一哦) = 1 1z l e 互= z i l 一( 五十z ) e ( 3 1 ) 设口是，。和一，；的夹角，那么d o 的垂直于，；的分量d u ，为： d u 。= ( x l + x ；) ；+ ( x lc o s r is i n c 0 1 。 = 爿* e + ( 五c o s 口一墨s i n g ) 。 ( 3 2 ) 由于a 的存在，测量d 虬和，：并不能算得如。但是，我们考虑到，励磁电流l 垂 直正比于岛。在负载的情况下，l 也近似垂直正比予d 。为了验证这一假设，我们 用, i a t l a b 进行仿真。 仿真条件：假设一次侧漏阻抗0 0 2 5 i ，二次侧漏阻抗0 0 2 5 i ，励磁阻抗 2 1 1 6 一1 8 6 i ，忽略绕组电阻。负载阻抗角从- - 3 0 。( 容性) 变到+ 9 0 。( 感性) ，阻抗的幅 华中科技大学硕士学位论文 值从0 7 变到2 0 。仿真结果表明，阢和l 的夹角变化仅仅为2 度，幅值之比变化不 到4 。所以，l 垂直正比于政的假设能够成立。 我们看到，在式( 3 1 ) 的右边有一项是z l l ，它表示励磁电流在一次侧漏阻抗上的 压降。如果想办法消除该项，也就是补偿励磁电流在一次侧漏阻抗上的压降，那么从 式( 3 1 ) ，我们就可以求出短路电抗了。 设d o = 玩如一( 一玩) 甜( 去_ 1 ) + 【瑚z l + 互) + l 互】 一心蝎) 也z l 一啪一去) ( 3 3 ) 在空载状态下，- i 净0 。( 3 3 ) 式变为 时= l z 1 球1 一专) ( 34 ) 选择适当的调节系数k 。，使得d d 7 = 0 。即 l z 1 枷卜去攀 ( 3 5 ) 上面已经讨论过，l 垂直正比于矾，所以，式( 3 5 ) 在负载的时候也能够成立。于是， 求得短路电抗 x n 刊【u i k 0 一( 一u 2 ) 】eis i n 丸 ( 3 6 ) 其中，丸是电压向量差 玩如一( 一班) 】和( 一立) 的夹角，也就是短路阻抗的阻抗 角。 只需要做一次空载试验，就可以算得系数局，= u 呸。 从式( 3 j ) 我们看到，调节系数足。与z l 有关。所以，如果变压器一次侧有不同分 1 2 华中科技大学硕士学位论文 接头，那么一定要记下不同分接位置下对应的调节系数足。待分接位置改变时，选择 相应的调节系数代入计算。 3 3 2 监测系统 对实际运行的变压器，只要在一次侧、= 次侧出线处装上电压和电流互感器，采 用合适的传感器将p t 、c t 二次侧输出信号转换成采集装置可以检测的信号。采集装置 对转换的信号进行同步采样后，转换成数字量，通过串口传输到上位p c 机中。上位机 对接受的数据进行分析处理，算出短路电抗。如图3 2 所示为双绕组变压器短路电抗 | 在线测量示意电路图。 3 3 3 误差分析 一次侧叫 变压器 二次侧c t 图3 2 双绕组变压器短路电抗在线测量示意图 从式( 3 6 ) 我们看到，短路电抗的测量误差包括幅度误差和相位误差两部分。对式 ( 3 6 ) 求导，我们得到短路电抗的测量误差 舒r n x n 刊6 u u + 1 日2 li + 1 6 如t a n 丸f ( 3 7 ) 牮中科技大学项士学位论文wi -w 音希i ：ig i 女_ - _ _ _ _ _ - l e 2 4 。 其中，u = l d 、k 。一( 一以) 【。前两项表示幅度误差，后一项表示相位误差。假定p t 和 c t 的精度等级为0 2 级，那么幅度偏差为0 2 “”，相位偏差为o 0 0 3 r a d 。于是， 幅度误差为0 4 。对于大型变压器，t a n 丸= x “r 。 1 5 ，于是相位误差为0 0 2 a 总的误差为o 4 2 ，能够满足精度要求。 除了p t 和c t 带来的系统误差，还有随机误差，这可以通过增加测量次数来消除。 采用适当采样率的高分辨率的a d 转换器，可以减小数据采集系统的误差。采用锁相环 技术，实现电压和电流信号的整周期同步采样，用离散傅立叶变换算法求取基波的幅 值和相位就不会有泄漏”儿州 3 0 1 。 34 三相变压器不同联接组的测量方法 对于三相变压器，要计算每一相的短路电抗，必须得到该相的相电压和相电流， 而p t 通常挂在母线上，c t 一般串接在变压器进出线中。所以p t 、c t 测量值与相电 压、相电流的换算关系与变压器的联接形式有关。 对于y , y n 、y n ，y 及y , y 接线，p t 、c t 测得的就是相电压、相电流。对于y , d 和 y n ，d 接线，假设二次侧p t 引出电压为虬。o 、u 。o 、u 。，。，那么二次侧相电压分别为： u ：= u 。：一u 三、 j ，。c 0 = u 。一u ?， ( 3 8 ) f u ，? = u ，? 一u 。?) 由于二次侧c t 测得的是线电流，我们采用次侧c t 的引出电流。记下空载试验 时的一次侧电压和励磁电流，由于一次侧电压和励磁电流垂直正比，由负载时的一次 测电压就可以计算出负载时的励磁电流，进而算出二次侧相电流。 以上处理方法的着眼点在于求出各单相电压及电流，所以当系统三相不对称时同 样有效。 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 5 用m a t l a b 仿真双绕组变压器短路电抗的在线测量方法 假设有一台容量为i o o m v a 的三相变压器，y 、y n 接线，某相一次侧漏阻抗为 0 0 0 0 5 + 0 0 2 4 9 9 i ，励磁阻抗为2 11 6 + 1 8 6 i ，二次侧漏阻抗为0 0 0 0 5 + 0 0 2 4 9 9 i ，均 为标么值。用m a t l a b 软件对该相短路电抗的在线测量进行仿真。 3 j 1 分析二次侧电压变化对精度的影响 仿真条件：二次侧电压的幅值从0 1 变到1 5 ，负载阻抗固定不变。用m a t l a b 编 制以二二次侧电压为变量的m 文件。在该m 文件函数中求取短路电抗测量值的误差范围， 并用p l o t 函数作二维图形，二次侧电压为x 轴变量，短路电抗为y 轴变量。仿真结果 显示，短路电抗的测量误差在0 1 以下。 3 5 2 分析负载变化对短路电抗计算精度的影响 仿真条件：二次侧电压固定不变，变换负载的阻抗。 ( 1 ) 、负载阻抗的幅值从o 1 变到1 3 ，相位固定。和3 5 1 一样，编制m 文件函数， 求取短路电抗的测量误差范围，并用p l o t 函数作二维图形，二次侧电压为x 轴变量， 短路电抗为y 轴变量。仿真结果表明，短路电抗的测量误差在0 2 以下。 ( 2 ) 、变换负载的相位角，从- - 9 0 度变n + 9 0 度，幅值固定。类似于3 5 1 和3 5 2 ， 求得短路电抗的测量误差在0 2 以下。 ( 3 ) 、负载阻抗的幅值和相位角同时变化，幅值从0 1 变到2 3 ，相位角从- - 9 0 度变 到+ 9 0 度。编制的m 文件函数以负载阻抗的幅值和相位角为变量，求取短路电抗的测 量误差范围，并用m e s h 函数作三维图形，幅值为x 轴变量，相位角为y 轴变量，短 路电抗为z 轴变量。仿真结果表明，短路电抗的误差在o 2 5 以下。 3 5 3 分析短路电抗发生变化时的短路电抗的测量精度 假设变压器发生短路故障，绕组发生了变形，短路电抗的值发生了变化，重新进 行仿真。 情况l ：仅仅是二次侧绕组发生变形，并且导致短路电抗发生变化。 华中科技大学硕士学位论文 仿真条件：二次侧电压固定，负载阻抗的幅值和相位角同时变化，幅值从0 1 变 到2 3 ，相位角从- - 9 0 度变到+ 9 0 度。二次侧漏电抗在原先值( 0 0 2 5 ) 的1 0 和1 0 倍 之间取不同的值，分别求取短路电抗的测量误差。仿真结果显示，短路电抗的测量误 差保持在0 5 以内。 情况2 ：仅仅是一次侧绕组发生变形，并且导致短路电抗发生变化。 仿真条件：二次侧电压固定，负载阻抗的幅值和相位角同时变化，幅值从0 1 变 到2 3 ，相位角从- - 9 0 度变到+ 9 0 度。一次侧漏电抗在原先值( 0 0 2 5 ) 的7 0 和1 3 0 之问取不同的值，分别求取短路电抗的测量误差。仿真结果显示，短路电抗的测量误 差保持在1 以内。 情况3 ；一次、二次侧绕组同时发生变形，并且导致短路电抗发生变化。 仿真条件：二次侧电压固定，负载阻抗的幅值和相位角同时变化，幅值从o 1 变 到2 3 ，相位角从- 9 0 度变到+ 9 0 度。一次侧漏电抗值在原先值( 0 0 2 5 ) 的7 0 和1 3 0 之间取不同的值，二次侧漏电抗值在原先值( 0 0 2 5 ) 的5 0 年u1 0 倍之间取不同的值，分 别用m a t l a b 分析短路电抗的测量精度。仿真结果显示，短路电抗的测量误差保持在1 以内。 结论：从上面的仿真任务和结果中，我们看到，本文讨论的在线测量双绕组变压 器短路电抗的方法有比较好的精度，并且几乎不受一次、二次侧电压波动的影响。即 使负载阻抗发生变化，短路电抗的测量误差也将在0 2 5 以内。当发生绕组变形，短路 电抗发生变化时，短路电抗值的测量误差将保持在1 以下，具有较好的精度，能够准 确反映出短路电抗发生了变化。 3 6 三绕组变压器短路电抗的在线测量 在发电厂和变电所内，常常需要把几种不同电压的输电系统联系起来。有时，由 于输电距离的不同，发电厂发出的电能需要采取两种不同的电压输出。这时，如果采 用两绕组变压器，则需要两台变压器。如果采用三绕组变压器，则只需要台，比较 经济便于维护和管理。因此，三绕组变压器得到了广泛的应用。 研究了两绕组变压器短路电抗的在线监测方法，三绕组变压器短路电抗的在线监 1 6 华中科技大学硕士学位论文 一：；= # = = # 目= # = ；# = = = # = # = 目 测方法的探讨更加有意义。在上面的方法中，我们引入调节系数k 。，以补偿励磁电流 存一次侧漏电抗的压降，取得了很好的效果。但是，对于三绕组变压器，这种方法显 然是不合适的。原因是，第三绕组的电流会在第一绕组上产生压降，而该电流随第三 绕组所带负载的变化而变化的，并不存在简单的正比关系。 曩6 1 三绕组变压器的基本方程式 三绕组变压器有个一次绕组和两个二次绕组。对应于三个绕组，有高压、中压 和低压三种额定电压。低压是一次绕组、中压和高压是二次绕组的变压器称为升压变 压器，高压是次绕组、中压和低压是二次绕组的变压器称为降压变压器。三绕组变 压器的铁心一般是心式结构，每个铁心柱上都套着高压、中压和低压三个绕组。为了 绝缘方便，高压绕组放在最外边“”。对于降压变压器，中压绕组放在中间，低压绕组 靠近铁心柱，如图3 3 ( a ) 所示。对于升压变压器，为了使漏磁场分布均匀，漏电抗分 配合理，以保证较好的电压调整率和提高运行性能，把中压绕组放在靠近铁心柱，低 压绕组放在中间，如图3 3 ( b ) 。 低中高中低高 压压压压压压 洇洇 ( b ) 图3 3 三绕组变压器绕组的布置 ( a ) 降压变压器( b ) 升压变压器 ( i ) 、磁动势方程式 图3 4 为三绕组变压器负载运行时的示意图，根据全电流定律，磁动势方程式为 只= 矗+ 宜+ 窍( 3 9 ) 即 t = + 皇+ 丘( 3 1 0 ) 1 7 华中科技大学硕士学位论文 忽略励磁电流后，得到 t l 七i ：+ i ：= 0 式中右角打撇的量表示折算到一次侧后的量。 l l 7 l 1 2 l l 反 翥 m 拜 ；1 乙：c 计h ，1 3 ：z l ，c li 图3 4 三绕组变压器负载运行示意图 f 玩 t 乩 ( 3 1 1 ) ( 2j 、电动势方程式 三绕组变压器磁场的分布比较复杂，有由三个磁动势矗、只、矗联合产生的沿铁 心闭合并与三个绕组同时交链的互感磁通或主磁通；有仅与一个绕组交链而与其他两 个绕组不交链的主要沿菲铁磁材料闭合的各绕组的自感漏磁通；还有仅与两个绕组交 链丽不与第三个绕组交链的主要沿非铁磁材料闭合的互感漏磁通。因此，为了更简便 得到电动势方程式，采用耦合电路的方法，利用各绕组的自感和两绕组的互感列出微 分方程式。此时，无论自感和互感都是与各绕组交链的全部磁通相对应，而不把主磁 通和漏磁通分开。 令厶。、厶：和l 3 ，为各绕组的自感；m 。：= m ：。、膨。，= m ，、鹄2 = m 2 ，为两绕组 之问的互感，于是可得电动势方程式为 i d i = i i r t + l n d il i d t + m 1 2 d i 2 j 国+ m 1 3 d i3 d f、 i 一1 4 2 = i z r 2 + 三2 2 d i 2 西+ 彳t z 幽曲+ m 2 3 d i 3 防( 3 1 2 ) j u 3 = i 3 r 3 + l 3 3 d j j | d | + m 1 3 d i l d l + m n d i 2 | d t) 上式是电动势方程式的瞬时值表示。在稳态情况下，用复数表示的三绕组变压器 电动势方程式为 1 8 华中科技大学硕士学位论文 吐= r ，+ j n ，j ，+ j c o m ：j ；+ j c o m i ，e 一眈= t 琏+ j o l ：2 e + j c o m ：j , + j c o m 2 3 e d ；= ，；r ；+ j g o l 3 ，j ；+ j c o m ：3 j l + j c o m 2 3 j ： 用相应的电抗代入上式，可得 己= i i r i + j l , x i l + ，e 爿_ f 2 + j l ；x j、 一b ：l r ；+ j 气x 矗 j i ? x t 2 j 毽x 毫 一o ；= e r j + j i ：x 蠢+ j i 、x k + j i ：x ) l ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 1 将式( 3 1 4 ) 中第一式减第二式，并从式( 3 1 1 ) 以毛= 一( 五+ 矗) 代入，再以第一式减 第二式，并从式( 3 1 1 ) 以立= 一( + 丘) 代入，可得 即 其中 u 一( 一班) = 【；i r + “( 五，一2 一x ：十墨，) 】 - i ；r i + j i ；( 月岛一爿矗一x 是+ x ：3 ) 】 戤一( 一窿) = 瞳焉+ 以( 墨一：昂+ 石捌 一 e 彤十北( 如一而一墨，+ 捌：) 】 u 一( 一u i ) = 厶( r + 乒y ) 一l ；c r i + ，墨) = ，lz l e 互 d 。一( 一以) = t ( r + 工k ) 一厶( 剧+ 工) = 五