（电力电子与电力传动专业论文）变压器绕组变形检测装置研究与设计.pdf

变压器绕组变形检洲装置研究与设计 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f o r m e ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n t t h es t a b i l i t yo ft h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m si se s s e n t i a l p o w e rt r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o nm e a n s t h a tt h ew i n d i n go ft h es i z eo rs h a p eo fi r r e v e r s i b l ec h a n g e su n d e rt h ee l e c t r i cp o w e r a n dt h er o l eo fm e c h a n i c a lf o r c e i ti n c l u d e sa x i a la n dr a d i a ls i z e c h a n g e s t h e s e r e a s o n sa r eas e r i o u st h r e a tt ot h es a f eo p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m i fy o u d i s c o v e rh i d d e nd a n g e r so fa c c i d e n t st r a n s f o r m e re a r l y ，i tw i l lt oa v o i da c c i d e n t s ，t h e g r e a t e s td e g r e eo fr e d u c t i o n o fl o s s e s s ot h ed e t e c t i o no ft 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 n ，h a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e r e s e a r c h i n gi nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lb a s i ct h e o r yo fd e t e c t i n gt r a n s f o r m e r w i n d i n gd e f o r m a t i o na n dt h ed e t e c t i o nm e t h o d ，t h e nb a s i n go nt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e m e t h o dr e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h et r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o na p p a r a t u s i nt h ep a p e r ，f i r s t l yr e a s e r c h e dc u r r e n t l yt h r e eb a s i ct e s t i n gm e t h o d sa b o u t d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l p o w e r t r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o n i ti n c l u d e s l o w v o l t a g ei m p u l s em e t h o d ，s h o r t - c i r c u i ti m p e d a n c ea n df r e q u e n c yr e s p o n s em e t h o d c o m p a r e da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n dt h e nc h o o s i n gt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e m e t h o df o rd e t e c t i n gt r a n s f o r m e rw i n d i n g i nt h i sb a s i s ，b a s e do nd d s t e c h n o l o g y ，u s b t e c h n o l o g y ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，e d at e c h n o l o g y ，l a b v i e wt e c h n o l o g yd e s i g n e d t r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o na p p a r a t u s i nt h es w e e ps i g n a lg e n e r a t i o n ，u s i n gd d s t e c h n o l o g ya n ds w e e pf r e q u e n c yc o n t r o ls i g n a lm a d et h ep r e c i s i o nm o r eh i g h ；i nt h e c o m m u n i c a t i o n s ，t h e u s eo fu s b t e c h n o l o g y ，a c h i e v e dv o l t a g ea m p l i t u d e h i g h f r e q u e n c ys i g n a l d a t at r a n s m i s s i o ni nah i g h s p e e d ；a s a na u x i l i a r ym e a n so f c o m m u n i c a t i o nw i t hb l u e t o o t ht e c h n o l o g yf o rw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n ；u s i n ge d a t e c h n o l o g y a n dp l lt e c h n o l o g yt oa c h i e v e h i g h s p e e ds a m p l i n g c o n t r o l s i g n a l g e n e r a t i o n ；u s i n g l a b v i e w t e c h n o l o g y ，d i s p l a ya m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s f o r m e ri ng r a p h i c s i nt h i s p a p e r ，b a s e do nt h ed e s i g no ft h e h a r d w a r es y s t e m ，p r o g r a m e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，a n dd e s c r i b e dt h ed y n a m i cl i n k l i b r a r y ，f f ta l g o r i t h m ，l a b v i e wp l a t f o r md a t ap r o c e s s i n gi nd e t a i l t h ea p p a r a t u so ft r a n s f o r m e rw i n d i n gd e f o r m a t i o nh a sr e a s o n a b l es t r u c t u r e ，i s c o n v e n i e n tt oa n a l y s eb yg r a p h i c sa n de a s yt ou p g r a d ea n de x p a n d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ；d e f o r m a t i o no fw i n d i n g ；f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s ； f f t ；u s b ；l a b v i e w i i 硕上学位论文 插图索引 图2 1 单相变压器绕组的简化等值电路5 图2 2 低压脉冲法6 图2 3 差分原理接线图6 图2 4 低压脉冲发测试原理框图7 图2 5 变压器绕组变形监测装置主接线图8 图2 6 事故前9 图2 7 事故后9 图3 1 系统的组成及原理方框图1 3 图3 2a d 9 8 5 0 内部原理图1 4 图3 3a d 9 8 5 0 的并行接口电路图1 5 图3 4 电压放大电路1 5 图3 5 滤波电路1 6 图3 6 带宽放大器模块1 6 图3 7 功率放大模块1 7 图3 8a d 9 2 2 6 外围电路1 8 图3 9a d 采样转换控制信号产生电路1 9 图3 1 0 采样转换控制信号的波形仿真1 9 图3 1 1fif 0 模块2 0 图3 1 2f i f o 时序图2 0 图3 1 3c y 7 c 6 8 0 13 内部结构。2 1 图3 1 4u s b 接口电路2 3 图3 1 5 蓝牙系统的基本功能单元。2 5 图3 16b t m 4 5 0 4 c 1h 原理图2 5 图4 1 固件程序流程图2 8 图4 2u s b 芯片的程序流程图3 1 图4 3 驱动程序的设计流程图3 5 i 变压器绕组变形检测装置研究与设计 图4 4 调用库函数节点4 4 图4 5 调用m y d l l di i 4 4 图4 6o p e n d e vic e 子函数模块4 5 图4 一c y 7 c 6 8 0 一c io s e d e vic e 子函数模块4 5 图4 8c y 7 c 6 8 0 一r e a d 子函数模块4 5 图4 9 蝶形运算符4 8 图4 1 0n 点d f t 的一次时域抽取分解图4 8 图4 1 1 将n 2 点d f t 分解成两个n 4 点d f t 的蝶形运算图4 9 图4 1 2 数据采集系统的组成结构5 1 图4 13 数据采集vi 5 1 图4 14 频率响应vi 5 2 图5 1 单相绕组匝间短路时测得的频率响应特性曲线一5 3 图5 2 单相绕组线圈鼓包后测得的幅频响应特性曲线5 4 图5 3 遭受突发性短路电流冲击前后测得的频率响应特性曲线5 4 i v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 相关系数的参考数据1 1 表4 1 常用的分发例程3 5 表4 2 直接计算d f t 和f f t 算法运算量的比较5 0 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：戗 日期：少卜年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：如0作者签名：咱翁 导师签名：枷嶙 日期：7 。f 多年6y j 日日 日期：b 年6 月j p 日 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电力变压器在运行过程中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击。一旦 短路故障发生在变压器出口附近，如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，必然会 产生绕组扭曲、鼓包或移位等变形现象，严重时甚至导致突发性损坏事故。 变压器在遭受短路故降电流冲击后，绕组发生局部变形，即使没有立即损坏， 也有可能留下严重的故障隐患： ( 1 ) 绝缘距离发生改变，固体绝缘受到损伤，导致发生局部放电。当遇到雷 电过电压作用时，便有可能发生匝间、饼间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在 正常运行电压下，因局部放电的长期作用而发生绝缘击穿事故。 ( 2 ) 绕组机械性能下降。当再次遭受短路事故时，将承受不住巨大的电动力 作用而发生损坏事故。 因此，开展变压器绕组变形测试工作，及时发现有问题的变压器，对防止变 压器事故的发生有重要的作用。 1 2 设计变压器绕组变形检测装置的意义 变压器绕组变形后，有的会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一 段时间，运行时间的长短取决于变形的严重程度和部位。显然，这种变压器是带 “病”运行，具有故障隐患。这是因为： ( 1 ) 绝缘距离发生变化，或固体绝缘受到损伤，导致局部放电发生。当遇到 过电压作用时，绕组便有可能发生饼间或匝间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至 在正常运行电压下，因局部放电的长期作用，绝缘损伤部位逐渐扩大，最终导致 变压器发生绝缘击穿事故。例如，某台18 0 m v a 、2 2 0 k v 的电力变压器，低压侧 短路后，用常规试验方法没有发现问题，投入运行4 个月后突然发生损坏事故。 ( 2 ) 绕组机械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的 冲击电动力的作用而发生损坏事故。例如，某台2 5 0 m v a 、5 0 0 k v 的电力变压器， 低压侧遭短路冲击后，常规实验没有发现任何现象，投入运行后1 年，在一次短 路事故中损坏。 ( 3 ) 累积效应。运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积 效应，出现恶性循环。例如，某台3 1 5 m v a 、1 1o k v 的电力变压器，在运行的7 年 中，l o k y 仍 0 曾遭受多次冲击，经吊罩检查发现其内部绕组已存在严重变形现象。 若不是及时发现绕组变形，很难说这台变压器在什么时候发生事故。 变压器绕组变形检测装胃研究与设计 再如，某电厂的一台6 3 0 0 0 11o 升压变压器，发生短路后速断保护跳开三侧 断路器，经预防性试验合格再投运1 个月后，油中特征气体增长。停运检修发现 3 5 k v 绕组已整体变形，包括lo k v 绕组多处有露铜，导线有烧融现象。因此，对于 绕组已有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然并不意味着会立即发生绝缘击 穿事故，但根据变形情况不同，当再次遭受并不大的过电流或过电压，甚至在正 常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。所以，在有的所谓“雷击” 或“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形的故障因素。 我国电力部门制定的反事故措施中也明确规定，变压器出口短路或近区短路 后，应该进行绕组变形试验。一定要防止电力变压器在经历出口短路或近区短路 后，未经任何试验和检查就试投。 我国部分省市的电力公司也要求1 1o k v 及以上变压器在交接时应该进行绕组 变形试验以判断变压器在运输及吊装过程中，有无造成绕组的移位和变形。 及时发现那些变形较严重但却仍在运行着的变压器，并有计划地进行吊罩检 查和检修，对于防止变压器损坏事故的发生，有重要的作用。为此目前世界上许 多国家都在积极开展变压器绕组变形的诊断工作，有些国家( 如意大利) 甚至把绕 组变形的诊断，当成了变压器预防性试验项目。 当制造厂没有提供有关绕组变形的原始图谱时，交接时测量所得数据也可以 当作被测绕组的原始资料。所以研究并设计变压器绕组变形检测装置，测量这些 数据有着非常重要的实际意义。方便在以后的运行过程中，发生故障时，作为绕 组有无变形及其变形程度如何的判断依据。 1 3 国内外研究现状 目前变压器绕组变形测试仪在电力系统应用广泛。国内市场有相关的产品供 应，进口产品以瑞典p a x 公司为代表，其频率范围达到l h z 1o m h z 、动态检测范 围达到一12 0 d b - 2 0 d b 且测量精度小于0 5 d b 。目前国产变压器绕组变形测试仪 有三种型号，分别是武汉高压电器研究所、华北电力科学研究院( 华北中试所) 、 北京电力科学研究院三家生产的。每套价格2 5 - 2 7 万元左右，而进口每套需4 5 万 元。目前用的较多的是北京电力科学研究院生产的t d t 型变压器绕组变形测试仪， 其扫描频率范围达到1k h z 2 m h z 、动态检测范围达到一1 0 0 d b , 2 0 d b 且测量精度为 1d b 。其他一些公司例如：武汉市国力电气设备有限公司的g l r z b x 变压器绕组 变形测试仪、上海国试电力科技有限公司的g b r 一1 0 0 0 型变压器绕组变形测试仪、 保定市金威电力仪器有限公司的j w 3 0 0 0 型变压器绕组变形测试仪、武汉恒威国电 电力设备有限公司的h w b r 绕组变形测试仪、国电西高的g d r b ii 绕组变形测试仪、 中国武汉市国电华瑞电业测试科技有限公司的b r z l 8 0 0 变压器绕组变形测试仪均 2 硕七学位论文 能达到以下标准： 扫描方式：采用线性分布的扫频测量方式； 扫频测量频点：1 k - 2 m h z ( 可选) ，测量点数l0 0 0 点； 扫描频率精度：信号源输出正弦信号的频率精度不大于0 0 1 ； 测量精度：1d b ； 信号输出为标准正弦波，幅度软件自动调节，最大幅度10 v ，输出阻抗为 5 0q ： 采集通道，采集激励信号，采集相应信号； 测量动态范围宽：一l o o d b 2 0 d b ； 采集通道输入阻抗：1mq ； 量化精度：l2 位； 扫描测量范围：1k h z 2 m h z ； 其中武汉市国力电气设备有限公司和武汉恒威国电电力设备有限公司生产 的绕组变形测试仪其测量精度能达到0 1d b ，但是这两个公司的通道最大存储容 量不足，致使数据传输时间变长。上海国试电力科技有限公司和保定市会威电力 仪器有限公司的变压器绕组变形测试仪的测量点数不到2 0 0 0 点，致使测量结果 不精确。国电西高的绕组变形测试仪测试精度不高，通道最大存储量也不足。中 国武汉市国电华瑞电业测试科技有限公司的变压器绕组变形测试仪也存在精度 不高的问题。 精度高，测量点数多，必然会出现数据传输时间长、上位机数据处理时间长 的问题。以上公司生产的变压器绕组变形测试仪，对一台高、中、低绕组的电力 变压器进行绕组变形测量，总需时间大都在10 分钟以上。 综合看来，进口产品稳定性和重复性好，但价格昂贵且精度不高。而国产产 品，可重复性差、抗干扰能力差，导致现场测量的结果不准确，达不到国外水平， 因此其总体性能还有待提高。 基于此种情况，本课题在深入研究国内外在变压器绕组变形测试方面的相关 理论和测量技术的基础上设计出一种新型的变压器绕组变形检测装置。力图达到 测试系统精度高、速度快、运行可靠，且成本低的目的。 1 4 研究的内容 针对目前国内外的情况，研究目前变压器绕组变形检测仪的存在的缺点。对 这些缺点改进后，设计了一种新型的变压器绕组变形检测装置，基于此需要做的 工作有以下几点： ( 1 ) 研究导致变压器绕组变形的原因，分析在不同形变的情况下在不同的 3 变压器绕组变形检测装置研究与设计 频率段其绕组表现出的等效电阻、等效电感、等效电容，并研究该频段下其频响 曲线的变化情况。 ( 2 ) 研究囤内外测量变压器绕组变形的方法，然后比较这些方法的优缺点 并研究这些方法的可行性。最终确定本课题选用的测量方法并对该方法进行深入 研究。 ( 3 ) 以已选用的测量方法为理论基础设计绕组变形检测装置的硬件系统框 架，根据测试指标设计并优化配置硬件系统中的各个电路模块，然后对各个模块 进行模拟实验验证其可靠性及准确性，最后通过联调确定整个电路系统。 ( 4 ) 编写下位机与上位机通讯的接口程序( 动态链接库d l l ) 。在l a b v ie w 软件平台下通过调用该动态链接库，就可以实现l a b v i e w 软件与u s b 设备通讯。 首先需要的是编写u s b 驱动程序，然后结合w in 3 2 函数利用v is u a lc + + 软件编 译生成l a b v ie w 可调用的动态链接库。 ( 5 ) 动态链接库程序编写好后，在l a b v ie w 平台下编写上位机数据采集程 序并调用该动态链接库就可以把数据从u s b 设备中取出。把取出的数据送到上位 机数据处理程序，由此程序计算在不同频率点的幅频值然后绘制整条幅频曲线。 ( 6 ) 实验中，用已知故障情况下的变压器做样本，检测此变压器的幅频曲 线，比较其投入使用前的幅频曲线和其故障后的幅频曲线，分析数据结果并验证 变压器绕组变形检测装置的测试速度及准确性。 4 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章变压器绕组变形的测试方法 国电发 2 0 0 0 3 5 9 8 号文防止电力生产重大事故的二十五项重点要求中， 明确把绕组变形检测实验列入变压器出厂、交接、和发生短路事故后的必试项目。 因此对变压器绕组变形检测方法展开研究是设计本课题的前提1 。 2 2 国内外测量方法 目前，世界各国都在积极开展电力变压器绕组变形的诊断工作，有些国家( 如 意大利) 甚至把该项工作放在变压器预防性试验项目的首要位置。我国在电力设 备预防性规程中推荐了变压器出口短路后测试绕组变形的方法。 目前，电力变压器绕组变形的诊断方法如下：低压脉冲法、短路阻抗法、频 率响应法。 2 2 1 低压脉冲法 当频率超过1k h z 时，变压器铁芯基本上不起作用，每个绕组均可视为一个由 线性电阻、电感和电容等分布参数组成的无源线性二端口网络，如图2 1 所示。 低压脉冲法就是利用等值电路中各个小单元内分布参数的微小变化造成波 形上的变化来反映绕组结构( 匝间、饼间相对位置) 上的变化口4 | 。当外施脉冲波 具有足够的陡度并使用有足够频率响应的示波器，就能把这些变化清楚地反映出 来。测试时，可采用持续时间很短的脉冲波形，如o 1 5 、0 3 1 5 、0 1 1 o u s ， 重复脉冲发生器输出5 0 1 2 5 0 v 脉冲电压，重复频率为1 0 0 0 次s 或更高一些。将 脉冲电压施加于电力变压器高压( 低压) 绕组，低压( 高压) 绕组三相并联在一起经 一个电阻( 1 7 5 0 ) 接地，用电子示波器进行测量。其原理接线图如图2 2 所示。 l 0l ol 0l ol ol o 图2 1 单相变压器绕组的简化等值电路 l 。一单位长度电感；k 。一长度纵向电容；c 。一单位长度对地电容 测量接线有电压接线法、电流接线法和差分接线法等。其中差分接线法具有 更高的灵敏度，其原理接线图如图2 3 所示。 5 变压器绕组变形检测装置研究与设计 重复脉冲 发生器 图2 2 低压脉冲法 f - r a 差分放大器 f ，蕊，7 1 j 燃一 s 。三硒斗 测量 仪器 b 秽裂 广下衙c | 5 ，黼h s b m 1 0 型脉冲示 波器 ( b ) 图2 3 差分原理接线图 低压脉冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的变形故障。但要求测试仪 器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线，还要保 持测量的可重复性。 低压脉冲法是波兰的w 李奇( l e c h ) 和l 塔米斯基( t y m i n s k i ) 于1 9 6 6 年提出 的，后来英国和美国又对其改进，主要用于确定变压器是否通过短路试验，现已 被列入i e c 及许多国家的电力变压器短路试验导则和测试标准中。 随着计算机技术及数字存储技术的发展，将时域信号以数字形式记录，并传 输给计算机做各种分析处理越来越显示出其优越性。例如对数字形式的信号可进 行平滑、滤波、频谱分析、相关分析及传递函数分析等。这些手段的引入较之单 纯的时域分析能更有效地提取信号特征，更准确地对信号畸变的原因给出判断。 基于上述思想，西安交通大学等单位对传统的低压脉冲法进行了改进，组成了以 计算机为中心的低压脉冲法绕组变形测试系统，其测试原理框图如图2 4 所示。 其中低压脉冲源产生幅值8 0 0v 、前沿0 2 5 u s 、半幅宽2 5 u s 的单极性脉冲电压信 号。数据采集单元为两通道、8 位、2 0 m s 采样宰的数据采集板，直接插在p c 机扩 展槽内，对施加在变压器绕组上的低压脉冲信号及响应信号进行记录，并将数据 传输给计算机。计算机软件对采集到的输入、输出信号进行处理、分析，并将信 号曲线进行显示或以硬拷贝形式输出。 6 硕十学位论文 图2 4 低压脉冲发测试原理框图 2 2 2 短路阻抗法 短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法，它主要是测量电力变压器绕组的短 路阻抗，与原始阻抗值进行比较，根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形 的程度，根据其变化情况来判断绕组是否变形以及变形的程度。 前苏联曾用此法检验出几十台3 3 0 k v 及以下电力变压器绕组变形缺陷。 我国镇江供电局曾用此法检查出一台发生过出口短路接地的o s f p s z 7 1 2 0 0 0 0 2 3 0 型主变压器的绕组变形。测试时以单相工频低电压来测量各相对绕组 间的漏抗。5 个绕组( 自铁：芯向外排列为三角形连接的稳定绕组；3 8 5 k v 星形连接 的低压侧绕组；1 21k v 星形连接的中压侧绕组；2 3 0k v 高压侧串联绕组带调压抽 头) 中一个通电流，一个短路，其余均开路( 稳定绕组为三角形连接无法断开) 。 测试结果表明，b 、c 两相与中压绕组成对的绕组间的阻抗电压u ，都有了明 显的变化，由测试结果进一步分析确定为b 相与c 相中压绕组产生了压缩变形。若 以a 相各对绕组的u k 为基准，与b 、c 两相对应的各对绕组的u 。作比较，中压绕组 与串联绕组间( 包括调压绕组) u 。值b 相增加了4 ，c 相增加了8 ；与低压绕组b 相 减少了9 7 2 ，c 相减少了l7 ；与稳定绕组间u x 值b 相减少了7 ，c 相减少了l0 8 。 可见b 相与c 相中压绕组产生了压缩变形，致使它与外侧的高压串联绕组问的油隙 增加，而与内侧的低压绕组与稳定绕组间的油隙减小。低压绕组与高压串联绕组 之间及稳定绕组之间的u 。的数值无变化，可以判断为这三相绕组未发生变形。 这种方法的优点是： ( 1 ) 测试程序简单，并经多年实用，也得出了公认的定量判据，已被列入 标准( g b l0 9 4 5 或i e c 7 6 5 ) 中。多年来，意大利还把漏抗试验( 用m a k w e ll 电桥) 作为例行预防性试验，每3 年做一次。 ( 2 ) 重复性很好，对变形的评估可靠性甚高。绕组无变形的变压器，1 0 - - , 2 0 年的测试结果相差不到0 2 ；当差别达到2 5 时，需缩短测试周期并作绝缘检 查；当相差超过5 时，立即停运，做绝缘检查。此方法的缺点是，当绕组变形较 小时，短路阻抗变化不大，难以确认，此时应采用多种方法测试，进行综合分析 比较，以正确判断。 除上述方法外，电力设备项防性试验规程还推荐油中溶解气体分析、测量绕 组直流电阻、测量空载电流和损耗等方法。 7 变压器绕组变形检测装置研究与设计 2 2 3 频率响应分析法 为了克服低压脉冲法的一些缺陷，19 7 8 年加拿大的e p 迪克( d ic k ) 和c c 伊 尔温( e r v e n ) 提出了频率响应分析( f r a ) 法，并在世界各国获得了较为广泛的应 用。 频率响应分析法的原理是基于变压器的等值电路可以看成是共地的二端口 网络。该二端口网络的频率特性可以用传递函数h ( f ) = u 。( f ) u i ( f ) 来描述1 。这 种用传递函数描述网络特征的方法称为频率响应分析法。由于每台变压器都对应 有自己的响应特性，所以绕组变形后。其内部参数变化将导致传递函数的变化。 分析和比较变压器的频率响应特性，就可以发现变压器绕组是否发生了变形。因 此，绕组变形自订的频率响应特性是分析和比较的基础引。 图2 5 给出了某研究院研制的变压器绕组变形测试装置主接线。测量时，首 先由计算机发出命令，让扫描发生器单元输出一系列频率的正弦波电压，加到被 试变压器上。同时，让双通道分析单元分析、处理信号，并传送到计算机存贮起 来，待试验数据采集完毕后，计算机判断被试变压器有无绕组变形，并以屏幕显 示或绘制被试变压器频率响应特性曲线。 i 何摈式fi 1 世。些库盥酗；i 被测 f 许舞机i h “_ l ”+ ”i f 菇募r 双通道分析单元i l 绘图仪l 图2 5 变压器绕组变形监测装置主接线图 运行中的变压器在用频率响应分析法测试前，需将被试变压器隔离，并将所 有套管上的母线拆开，这是为了把随变压器安装位置的不同及不平衡母线电容的 影响降到最小。用适当长度的电阻为5 0 欧姆的同轴电缆将频响仪和变压器连接起 来，所有电缆都匹配到它们的特性阻抗，以减少反射阳1 。 测量被试变压器高压绕组的频率响应特性时，对星形接线，频响仪的输出电 压加在高压绕组中性点与箱壳接地线之间，测量任一高压绕组端子对地电压与输 出电压之比得到响应。对三角形接线，则频响仪的输出电压施加在任意线端上。 根据实测结果，扫频范围以l o k h z i m h z 为宜。高于1 m h z 时，分布网络参数主要 由电容决定，进入线性范围凹1 。 该研究院已用上述测试装置对百余台电力变压器进行测试。实测表明，它能 有效地检出变压器绕组变形。图2 6 给出某台3 i 5 m v a 、3 5 k v 电力变压器事故前后 的频率响应特性曲线。由图2 7 可见，事故前，低压绕组三相的频率响应特性完 全一致。由图2 7 可见，近距离短路事故后，三相低压绕组的频率响应特性曲线 8 硕十学位论文 一致性很差，然而该变压器的电气试验和色谱分析结果均属正常。但为了防止发 生突发性事故，决定解体检查，检查后发现低压绕组已严重变形。 这种测试装置的优点是抗干扰能力强，测量重复性好，灵敏度高和操作方便。 每台变压器的频率响应特性测试可在2 个小时内完成。 应当指出，这种方法在目前使用中，由于缺少原始试验记录，常用三相绕组 的频率响应特性相互比较来做判断，因此，判据的确定需要一定的经验，也存在 一定的不确定性。如普遍采用此方法后，建立原始“指纹”库，当对变压器绕组 变形有怀疑时，可以与原有“指纹”比较，得到比较确切的判断。 图2 6 事故前 2 3 课题选用的测量方法 图2 7 事故后 低压脉冲法能灵敏、准确地反映绕组轴向和径向的变形故障。但要求测试仪 器设备具有高度的稳定性和不变的标准波形以及一套专用连接屏蔽引线，保持测 9 变压器绕组变形检测装置研究与设计 量的可重复性n 们。 短路阻抗法是判断绕组变形的传统方法，存在着测试精度和灵敏度不高的缺 陷。 频率响应分析法克服了上述两种方法的缺陷，信噪比好，在整个测量的频段 上有相等或近似相等的精度n 妇n 引；获得的频率范围更宽；测量需要的设备少， 特别是数字信号处理技术的发展，极大地提高了测量的精度和准确度。同时借助 于等效模型参数辨识进一步提高了诊断的准确性。因此针对这一具体研究，本文 采用频率响应分析法手段，达到快速、准确判断绕组变形的目的。 2 4 频率响应法的辅佐性判断方法 变压器绕组的幅频响应特性曲线中通常包含多个明显的波峰和波谷，经验及 理论分析表明，这些波峰和波谷的分布位置及分布数量的变化，可作为分析变压 器绕组变形的重要依据叫4 l 。 为了便于测量分析，将频率段分为低频段、中频段和高频段。 ( 1 ) 幅频响应特性曲线低频段( 1k h z l o o k h z ) 的波峰或波谷位置发生明 显变化，通常预示着绕组的电感改变，可能存在匝间或饼间短路的情况。频率较 低时，绕组的对地电容及饼间电容所形成的容抗较大，而感抗较小，如果绕组的 电感发生变化，会导致其频响特性曲线低频部分的波峰或波谷位置发生明显移 动。对于绝大多数变压器，其三相绕组低频段的响应特性曲线应非常相似，如果 存在差异则应查明原因。 ( 2 ) 幅频响应特性曲线中频段( 1o o k h z 6 0 0 k h z ) 的波峰或波谷位置发生 明显变化，通常预示着绕组发生扭曲和鼓包等局部变形现象。在该频率范围内的 幅频响应特性曲线具有较多的波峰和波谷，能够灵敏地反映出绕组分布电感、电 容的变化。 ( 3 ) 幅频响应特性曲线高频段( 6 0 0 k h z ) 的波峰或波谷位置发生明显变化， 通常预示着绕组的对地电容改变，可能存在线圈整体移位或引线位移等情况朝 n 引。频率较高时，绕组的感抗较大，容抗较小，由于绕组的饼间电容远大于对地 电容，波峰和波谷分布位置主要以对地电容的影响为主n n 引。 依据所分的频率段，在不同的频率段上计算各段的相关系数，根据相关系数 可以辅佐判断变压器绕组变形的程度。 设有两个长度为n 的传递函数幅度序列x ( k ) 、y ( k ) ，k = o ，l ，n 一1 ，且x ( k ) 、 y ( k ) 为实数，相关系数r 可按照下列公式计算。 计算两个序列的标准方差： 1 0 硕士学位论文 q = 专薹 x ，一专薹x ，】2 q 2 专薹 y ，一专薹y l 】 计算两个序列的协方差： p f2 专薹 x ，一专篆x ) y ，一专薹y c 七) 计算两个序列的归一化协方差系数： l r 哆= c 呵| 0 l j 瓦 按照如下公式计算出符合工程需要的相关系数 = 1 _ l g ( 1 0 一上) 根据d l t 9l l 一2 0 0 4 电力变压器绕组变形的频率响应分析法 的相关系数的参考数据，如表2 1 所示。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 行业标准供 计算不同频率段上的相关系数通过查表2 1 ，便可知变压器是否变形以及变 形程度。 表2 1 相关系数的参考数据 绕组变形程度相关系数r 严重变形如 如苫0 6 或 r f 1 0 或0 6 s 1 0 正常绕组2 0 衣1 乏1 0 和0 6 注：为曲线在低频段( 1 k h z - - l o o k h z ) 内的相关系数； 为曲线在中频段( 1 0 0 k h z 6 - - 6 0 0 k h z ) 内的相关系数； 为曲线在高频段( 6 0 0 k h z - - - ，1 0 0 0 k h z ) 内的相关系数。 2 5 本章小结 本章主要介绍了国内外测试绕组变形的几种方法，并对这几种方法进行了比 较，确定了测试变压器绕组变形的最佳方案，并对这种方案进行了较为详细的分 析。本章最后还介绍了一种辅佐性判断绕组变形的方法。 变压器绕纽变形检测? 毖置研究与设计 第3 章变压器绕组变形检测装置硬件设计 3 1 引言 本章基于c y 7 c 6 8 0 1 3 设计了变压器绕组变形检测装置，并详细介绍了该系统 的具体硬件实现方案以及关键部分的设计方法，并通过模拟实验验证变压器绕组 变形检测装置中的各个模块是否达到测试指标n 引。 3 2 研究内容 3 2 1 测试指标 根据d l t 911 2 0 0 4 电力变压器绕组变形的频率响应分析法行业标准， 结合技术条件，确定本课题实现的绕组变形测试仪的参数如下： ( 1 ) 测量频率范围：1k h z 2 m h z ； ( 2 ) 扫频检测方式：采用线性分布的扫频检测方式； ( 3 ) 扫描频率精确度：信号源输出正弦波信号的频率精确度应不大于0 0 1 ； ( 4 ) 扫描频率间隔：扫描频率的间隔应小于2 k h z ； ( 5 ) 阻抗匹配方式：检测仪器应具备一个正弦波激励信号输出端和两个独 立的信号检测端。其中，正弦波信号源u 。的输出阻抗r 。应为5 0q ，且输出端应通 过同轴屏蔽电缆直接与被测变压器绕组的激励端连接；两个独立信号检测端的 输入阻抗不应低于1 mq ，且应通过同轴屏蔽电缆分别连接到被测变压器绕组的 激励端和响应端，并在被测绕组的响应端连接5 0q 的匹配电阻r ； ( 6 ) 所使用的同轴屏蔽电缆的波阻抗应为5 0q ，电缆长度宜为15 m 一2 0 m ； ( 7 ) 检测精确度：检测仪器应具备一1 0 0 d b 2 0 d b 的动态检测范围，且在 - 8 0 d b , - - 一2 0 d b 范围内的检测精确度应小于1d b ； ( 8 ) 选频滤波特性：检测仪器应具备选频滤波功能，通频带的宽度应小于 选频滤波器中心频率的5 ； ( 9 ) 数据存储格式：应采用纯文本格式保存检测数据，以便数据的传递和 比较； ( 1 0 ) 输出电压：10 v m ( 5 0q ) ； ( 11 ) 模拟输出通道数：1 ； ( 12 ) 模拟输入通道数：2 ； ( 13 ) 采样频率：5 0 m s p s 。 3 2 2 系统设计 1 2 硕+ 学位论文 不。 根据确定的测量方法和规定的指标，系统的组成及原理方框图如图3 1 所 图3 1 系统的组成及原理方框图 根据频率响应传递函数：h ( f ) = 2 0 l o g ( v o ( f ) v i ( f ) ) ，设计的硬件系统原理 方框图如图3 1 所示。根据信号的流向，先来介绍上路：首先由系统中基于d d s 技术的扫频信号电路产生正弦波扫频信号，此正弦波信号最大输出电压为1 5 v ， 达不到测量指标的要求，且在5 v 电源供电情况下的功率为3 8 0 m w 。其驱动能力低， 需要经过功率放大器放大才能作为变压器的输入测量信号，然后把此测量信号加 到变压器的任一绕组的一个端口，再分别测量该绕组两个端口的对地电压v o ( f ) 、 v i ( f ) 。变压器两个端口的对地电压数据分别用两片1 2 位a d 芯片采集，采集过程 中把数据缓冲到f if o 中，同时通过单片机m c u ( u s b , t 1 , 片) 把a d 芯片采集的样本 数据从f i f o 中取出并通过u s b 接口传给p c 机。改变扫频信号的频率并依次把扫频 信号加在变压器的一端，同时检测该频率下绕组两端的对地电压信号v i ( f ) 和 v o ( f ) ，对数据经过运算将得到该频率下的幅频值h ( f ) ，便可获得试品的一系列幅 频值。再由l a b v i e w 软件来处理并显示整条幅频曲线。对比变压器投入使用前的 幅频曲线和变压器变形后的幅频曲线便可判断变压器绕组变形情况h 1 。 对于下路，由基于d d s 技术的a d 控制信号电路和c p l d 芯片组合产生a d 芯片 的时钟信号。f i f o 工作开始信号也由c p l d 来控制。于此同时c p l d 还用来计数，并 把计数结束信号告知m c u 。 系统中采用c y 7 c 6 8 0 13 a - 1 2 8