（电力系统及其自动化专业论文）电流源法检测变压器绕组变形.pdf

西华大学硕士学位论文 文章的变压器绕组线圈的实物模型试验研究部分利用电流源作为扫频信号 对 自制的变压器绕组实物模型进行试验研究 同样通过串 并联电感和电容参数 来模拟绕组变形 并研究绕组实物模型在电感 电容参数发生变化时 频响曲 线的变化规律 文章在第五章中在阐述最小二乘法原理的基础上 介绍了正交多项式拟合 变压器传递函数的基本原理 并介绍了变压器绕组传递函数零 极点的求取 并利用传递函数零 极点的变化来判断变压器绕组的变形情况 最后提出了利 用递推最d 乘法来进行饿在线检测时传递函数的拟合 文章最后对全文进行了总结 并对频响法测试变压器绕组变形进行了展望 关键词 绕组变形 频响分析法 电流源 递推最4 乘法 i i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fw i n d i n gd e f o r m a t i o nd e t e c t i o nu s i n g c u r r e n ts o u r c e e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n m a s t e r c h e nl i n gt u t o r z h uk a n gd a i y u s o n g t r a n s f o r m e ri st h eo n eo fh a r d c o r ee q u i p m e n t si nt h ep o w e rs y s t e m a n di t s r u n n i n gs t a t ea f f e c t so nt h ep o w e rs y s t e m ss e c u r i t yd i r e c t l y t h ec o l l i s i o nw h i c hi s o c c u r r e dw h e nt h et r a n s f o r m e rw a st r a n s p o r t e do ri n s t a l l e da n dt h es h o r t e dc u r r e n t w h i c ho c c u r r e dw h e nt h ep o w e rs y s t e m sw e r es h o r t e da b r u p t l ya l lc a nl e a dt ot h e w i n d i n gd e f o r m a t i o n t h ew i n d i n gd e f o r m a t i o ni so n eo ft h em o s tf a m i l i a rf a u l t s i t c o m p r o m i s et h es e c u r i t yo ft h ep o w e rs y s t e ms e v e r e l y i no r d e rt od e t e c tt h ew i n d i n g d e f o r m a t i o na n da v o i dt h ef a i l u r ei nt i m e i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n tt od i a g n o s et h e w i n d i n gd e f o r m a t i o n t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i sh a sb e e nw i d e l yu s e da sa s i m p l ea n de f f e c t i v e d e t e c t i n gm e t h o di nm a n yc o u n t r i e sb e s i d e sc h i n a i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e w i n d i n gd e f o r m a t i o nd i a g n o s i sm a i n l yd e p e n d so nt h ec o m p a r i s o no ft h er e s p o n s e c u r v e s w h i c hb a s e do nt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e a n db yf a r t h et r a n s f o r m e rm u s tb e c u to f ff r o ms y s t e mw h e nt h ew i n d i n gd e f o r m a t i o nd e t e c t i o ni so p e r a t e d s oi tw i l l l e a dt ot h eu n n e c e s s a r yp o w e rc u t a tt h es a m et i m e t h er u n n i n gt r a n s f o r m e r s w i n d i n gh a sa l r e a d yd e f o r m e db u tc o u l dn o tb ed e t e c t e di m m e d i a t e l y t h ew i n d i n g d e f o r m a t i o nw o u l db ea g g r a v a t e d a n df o r m e dt h es e v e r eh i d d e nt r o u b l e t h em a i n p u r p o s eo f t h i sp a p e ri sa na t t e m p tt ou s et h ef r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i so nl i n e t h ep a p e ri n t r o d u c e dw i n d i n gd e f o r m a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d sw h i c hh a v e b e i n g w i d e l yu s e dh o m ea n da b r o a dp r e s e n t l ya n ds u m m a r i z e dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s a n df o r e c a s t e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ef r e q u e n c yr e s p o n s e i i i 西华大学硕士学位论文 a n a l y s i s t h es t r u c t u r eo fp o w e rt r a n s f o r m e ra n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs h o r t e d c u r r e n tw e r ef o l l o w e di n t r o d u c e di nt h ep a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a n s i e n t p o w e rw h i c ha f f e c to nw i n d i n gw h e nt h et r a n s f o r m e rw a ss h o r t e d t h ep r i n c i p l eo f d e f o r m a t i o nw a sa n a l y z e da n dt h ef o r m so fd e f o r m a t i o nw e r el i s t e d i np a p e r ss o t t w a r es i m u l a t i o n t h ec u r r e n ts o u r c ew a su s e da si n p u tp o w e ro f t h ee q u i v a l e n tm o d e l t h ec h a n g el a w so ff r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v e sc a u s e db y p a r a m e t e r sc h a n g e so fi n d u c t a n c ei nc a p a c i t a n c ei nd i f f e r e n ts e c t i o no fw i n d i n g m o d e lw e r ec a r e f u l l ys t u d i e d i nt h ep r a c t i c a lw i n d i n gm o d e lt e s t i n gs t u d ys e c t i o n t h es t u d ys t e p sw e r et a k e na ss a m ea st h es o f t w a r es i m u l a t i o ns t u d y i np a p e r sf i f t hs e c t i o n t h et h e o r i e so fu s i n go r t h o g o n a lp o l y n o m i a l st o e s t i m a t et h et r a n s f e rf u n c t i o nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl e a s ts q u a r em e t h o d o l o g yi s i n t r o d u c e d t h e nt h ez e r o sa n dp o l e sa r eo b t a i n e df r o mt h et r a n s f e rf u n c t i o n w h i c h c a nu s e df o re s t i m a t et h ew i n d i n gd e f o r m a t i o n a tt h el a s to ft h i ss e c t i o n t h ep a p e r a p p l i e dt h er e c u r s i v el e a s ts q u a r em e t h o d o l o g yt ot h et r a n s f e rf u n c t i o ne s t i m a t i o ni n o r d e rt os u i tf o rt h eo n 1 i n ed e t e c t i o n t h el a s to ft h ep a p e r t h ew h o l et e x tw a ss u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c to ft h e f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i sw a sp r e s e n t e d k e yw o r d w i n d i n gd e f o r m a t i o n c u r r e n ts o u r c e f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s m e t h o d r e c u r s i v el e a s ts q u a r em e t h o d o l o g y i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的 论文成 果归西华大学所有 特此声明 6 7 作者签字 馈 一至硌多月 佣 刷磴 7 协 p 萜捭钥矽日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 变压器绕组变形检测的实际意义 电力变压器是电力系统的核心设备之一 它的安全运行对保障电力系统的 安全可靠运行极其重要 如果一台大型电力变压器发生故障 有可能导致大面 积 长时间的供电中断 将会对人民生活带来极大不便 对国民经济造成重大 损失 此外 电力变压器的检修期较长 不但花费大而且影响面广 因此有必 要对电力变压器进行故障分析 增强故障检测手段 降低故障率 以保障电力 系统的安全运行 l j 电力变压器在运行与运输安装过程中使变压器绕组受到冲击而发生变形 变压器绕组变形是指绕组在受到机械力或者电动力的作用而发生不可逆转的变 化 如绕组的轴向或径向尺寸发生变化 绕组发生位移 鼓包 扭曲 匝间短 路等 这些变形给变压器带来严重的安全隐患 甚至可直接导致变压器烧毁 造成变压器绕组变形的主要原因有 1 变压器在运输 安装过程中的碰撞 颠 簸 震动等 2 电力变压器运行中通过巨大的短路电流 特别是变压器出口短 路引起的冲击电流危害尤为严重 这些短路电流使变压器绕组承受的电动力增 大到几十至几百倍 随电网容量的不断增大 短路容量也随之增大 短路故障造成的变压器损 坏的事故呈上升趋势 据国内外统计表明 短路故障是引起变压器损坏的主要 原剖2 1 电力变压器绕组发生短路故障后 其绕组将承受巨大的电动力 从而 导致变压器绕组变形 变形发生后 有的可能立即损坏 有的虽能继续带病运 行 但会带来安全隐患 如不及时加以处理也会带来严重的后果 变压器在遭受短路冲击后 检查绕组变形的惯用方法是常规电气试验 绝 缘油分析和吊罩检查 但有的变压器的常规电气试验和绝缘油分析都符合规定 然而 吊罩发现绕组已经变形 3 1 吊罩检查虽直观 但费用和工作量大 并且 吊罩后一般只能看到高压绕组情况 而位于高压绕组内部的中 低绕组不方便 观察 鉴于传统方法上的缺陷 有必要对绕组变形进行深入的研究 找到一种 灵敏有效而且方便经济的检测技术具有重大的现实意义 西华大学硕士学位论文 随着对绕组变形检测技术研究的深入 发展起来了一系列的检测方法 其 中频率响应法以其高灵敏性和可重复性而得到广泛认可 并逐步推广应用 频 率响应法虽然在不需要吊罩的情况就能比较准确的判断绕组的变形 但它的检 测也必须在变压器断电的情况下进行检测 对于在运行中的变压器不能实时的 反映变压器绕组的情况 如果将频率响应法能应用到在线检测 变压器绕组情 况的实时的正确的反映 能保证变压器元件能得到及时替换 延长变压器的实 际使用寿命 1 2 变压器绕组变形检测的方法 随着对变压器绕组变形检测技术研究的深入 逐步发展起来了一系列的检 测方法 现介绍几种比较成熟的检测方法 1 2 l 短路阻抗法 变压器的短路阻抗是指该变压器的负荷端短路时变压器输入端的等效阻 抗i 短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量 对于1 1 0k 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量 就是变压器绕组的漏电抗 变压器的漏电抗值由绕组 的几何尺寸所决定的 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 从而引起变压器短路阻抗值的改变 短路阻抗法的基本思想是测量变压器的短路电抗来判断绕组是否变形 只 要将测得的短路电抗值与变压器正常时 如出厂数据 相比即可 其原理接线如 图1 1 所示f 4 其中a 为电流表 v 为电压 绕组的高压侧接到工频交流电源上 低压侧短接 利用测得的电流和电压值即可计算出绕组的短路阻抗值 短路阻抗法在i e c 6 0 0 7 6 5 中明确给出了绕组变形的判据 读数直观 在i e c 标准和国标g b l 0 9 4 5 8 5 中规定了额定电流下的阻抗变化限值 i e c 建议相对变 化量变化超过3 的为异常 国标规定根据绕组的结构不同 相对变化量取2 至4 比较合适 l 该方法的缺点是 要根据提供的短路电流要达到或接近额定 电流 需要动用沉重的试验设备和大容量的试验电源 试验时间较长 在现场 难以推广使用 5 2 西华大学硕士学位论文 测 试 电 潦 谓压嚣变压嚣试品 f i g 1 1p r i n c i p l ec h a r to fi m p e d a n c em e t h o d 图1 1 阻抗法测量接线示意图 近年来 在短路阻抗法的基础上发展起来了在线检测的方法 西安交通大 学的徐大可博士 西南交通大学的高仕斌教授等人在这方面做了大量的工作并 取得一些成果 然而 阻抗法的误差较大和灵敏度低的缺点仍然制约这种方法 的应用 1 2 2 电容量变化法 电力设备预防性试验规程 规定 变压器绕组的t 锄6 每一至三年测试一 次 在变压器投运前和预防性试验时 我们只须用常规的q s l 电桥 或抗干扰电 桥 测量各级绕组的t a n 6 同时计算出 或读取 对应绕组的电容量 不需要增加 新仪器 如果发现变压器某绕组的电容量与以前的数据相比有明显的变化 说 明变压器该绕组有可能存在异常 因为变压器每个绕组可以看成是一个由电阻 电容 电感等构成的网络 而绕组的等值电容量直接反映出了各绕组间 绕组 对铁心 绕组对箱体及地的相对位置和绕组的自身结构等 变压器产品出厂后 其各绕组的电容量基本上是一定的 只要变压器没有受过短路冲击 即使在有 温度 湿度影响的情况下 其电容量变化也很小 当变压器遭受短路冲击后 若各级绕组无变形或变形轻微 其电容变化量也较小 若某侧绕组变形严重 则其电容量变化较大 所以根据变压器绕组的电容变化量 能够准确反映出该 变压器绕组是否变形 l i j 这种测试方法简单 方便 工作量小 但由于绕组电容量本身具有一定分 散性 因此对鼓包 扭曲的故障灵敏度很差 只能作为补充测量 1 2 j 3 西华大学硕士学位论文 1 2 3 超声波法 超声波法的方法是将超声探头接触变压器外壳钢壁上 通过耦合剂 黄油 使探头与变压器外壳紧密接触 并使探头中心对准需要测量的绕组 在同步信 号作用下 发射电路激励超声探头发射超声波 超声波在穿过钢壁 变压器油 后到达变压器绕组 并在其表面发生反射 反射波沿一定路径返回 同样的穿 过变压器油 变压器外壳 到达超声接收探头并产生接收脉冲信号 通过相关 电路处理 可以得知超声波在变压器钢壁和油中传播 往返一次所用的时间为 t 对于变压器绕组和外壳钢壁而言 绕组表面上每一点到油箱表面之间的距 离都是一个定值 如果绕组发生凹进 凸出 位移等故障 距离就会发生相应 的改变 通过比较 就可以得知绕组是否变形 l3 1 这种方法原理简单 操作容易 直接性好 重复性好 但它在有油和无油 状态下结果差异较大 而且 试验受温度影响 因此该方法还有待进一步发展 和完善 1 2 1 1 2 4 低压脉冲法 l v i 当频率超过l k h z 的电压信号作用于变压器绕组时 其铁芯基本不起作用 因此可以将变压器绕组看成是一个由电阻 其值很小 可以忽略 电容和电感 组成的分布参数的无源现性二端口网络 6 1 其特性在时域上可用单位冲激响应 乃 来描述 其等效电路如图1 乏所示 厶为单位长度电感 k 为单位长度纵 向电容 c n 为单位长度对地电容 低压脉冲法是在绕组的一端施加稳定的低压脉冲信号 同时记录该端和对 端的电压波形 当绕组发生变化时h t 也会发生响应程度的变化 由此可以通 过与正常状态下的响应的比较来判断绕组是否发生变形 1 9 6 6 年波兰的l e e h 和t y m i n s k i 提出低压脉冲 l v i 法至今已被列入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 7 1 但该法运用在现场试验中 容易受到现场各种电磁波的干扰 波形重复性差 8 同时 低压脉冲法对绕组 首端的变形反映不敏感 不能判断绕组变形位置 7 1 4 西华人学硕士学位论文 u 工 工 f i g 1 2t h ee q u i v a l e n tg r a p ho f w i n d i n g 图1 2 绕组等效电路图 1 2 5 频率响应法 f r a 频率响应法最早是由加拿大的e p d i c k 率先用到变压器绕组变形测试上的 喁 在世界范围内得到普遍关注 频率响应法的基本原理是在较高的频率下 变压器绕组的铁芯基本不起作用 绕组可以等效为一个由电感和电容等分布参 数构成的无源二端口线性网络 其等效电路如图1 2 所示 由于变压器绕组的 数学模型是一个线性定常系统 稳定的线性定常系统的输入为正弦量时 其稳 态输出与输入是同频率的正弦量 只是振幅和相位不同 其稳态输出与输入的 振幅比仅由网络参数唯一决定 如改变输入信号的频率 则振幅比也随之变化 线性系统在正弦量输入时 稳态输出与输入的振幅比随频率而变化的关系称为 该系统的幅频特性 利用该方法即可得到系统的幅频响应曲线 绕组变形的诊断方法主要有纵向和横向比较两种 前者利用变压器受冲击 后测的幅频响应曲线与出厂 投运或变压器受冲击以前的幅频响应曲线进行比 较 后者是利用同一台变压器各侧的三相绕组的频谱图进行比较 并参照同厂 家 同种变压器的频谱特征进行类比来判断绕组是否变形以及变形的具体情况 实践证明 由于频率响应法的测试装置简单 轻巧 在实验现场 抗干扰能 力强 测试波形的重复性较好 l 目前 已经广泛的运用于各种现场实验中 1 3 频率响应法的研究现状 频率响应法自从运用到电力变压器变形检测以来 得到了广大电力工作者 的高度重视 他们通过大量的现场实验累积了丰富的实践经验和收集了大量的 宝贵数据 并通过深入的研究和探索 力求将频率响应法进一步的完善 使变 5 西华大学硕士学位论文 压器的检测更加准确 目前澳大利亚的i a l 锄 1 4 博士和丹麦的b b j e n s e n 1 5 1 7 1 博 士等都走到了该领域的前列 另外还有荷兰的v a e s s e n p t t l 8 等 法国的m o r e a u o l l9 j 在这方面都做了大量有效的工作 并取的了显著的成绩 频率响应法在欧洲 己经得到了广泛的运用 成为检测电力变压器变形的主要方法 我国在频率响应法检测变压器绕组变形起步较晚 从9 0 年代初 北京电力 科学研究院 武汉高压研究所 西安交通大学的单位对频率响应法进行了深入 的研究 并取得了卓越的成果 2 0 1 随后电力部门各单位和变压器生产厂家也都 用频率响应法进行了普测 积累的大量的数据和经验 及时的检测出变压器的 变形故障 避免了重大事故的发生 2 1 5 o 频率响应法所采用的设备 国外主要采用网络分析仪 n e t w o r ka n a l y z e r f 8 和扫频响应分析仪 s w e e pf r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y z e r 2 2 但是由于其价格昂 贵 很难在国内推广使用 目前 国内多家科研单位都自行研制了变压器绕组 变形测试仪 并得到广泛应用 在诊断方法上 一直都是幅频的纵向和横向比较 从绕组的幅频响应曲线 上提取的幅频特征量来判断绕组是否变形以及变形程度 华北电力集团的刘连 睿等研究人员把绕组的变形分为轻微变形 中度变形 和严重变形3 种 利用差 值公式来描述绕组的幅频响应曲线的变化 其计算公式为 巨2 k 一 k 2 一砭2 k 一砭 1 一1 式中的互 是两条频响曲线的差值 刀为采样点数 k 是第一条频响曲线的第n 点频响幅值 k 是第二条频响幅值 2 3 1 绕组变形判断的经验依据是变压器三相绕组之间的e 及绕组与原始数据 相比的差值不应大于3 5 d b 其变形程度判定推荐值见表1 一l 表1 1 绕组变形程度判定推荐值 t a b 1 一lt h er e c o m m e n dv a l u a t i o no f j u d g m e n tf o rt h ed e g r e eo f w i n d i n gd e f o r m a t i o n 绕组状态正常中度变形严重变形 差值 d b 3 53 5 至7 0 7 0 以上 6 西华大学硕士学位论文 西安交通大学的王钰博士等人将测量频段分为高 中 低三段 将三段和 全频域上幅度谱的相关系数和均方差作为绕组变形判断基础 相关系数主要用 来描述两条曲线间的相似程度 而均方差则描述两者之见的绝对差值 2 4 1 若两 组测试数据分别为 儿 n l 2 n 其中n 为测量总数 则有 n p 哆 x i y i j l e 1 2 1 3 相关系数p 越接近1 两条曲线就越相似 均方差e 越小 说明两条曲线越接 近 具体的分段方法是将全频域上的频响曲线 根据极点数的多少 分为三段 每段上的极点数相同 这样各段上的变化主要是由该段上的极点位置或强度变 化引起 然后分别计算各段上的相关系数 并以这三个参数为主要依据来判断 变压器绕组的变形情况 北京电力科学研究院提出了归一相对系数的概念 定义两组测试数据各自 的序列方差为 2 5 j 专喜 m 一专喜咒 专喜 一专善薯 乃一专喜 c 4 得归一化结果 1 7 孚寺 1 5 q o x o y 由上述公式计算出相关系数之后 可以比较变压器在遭受冲击前后的频响曲线 的相关系数来判断绕组变形的具体情况 根据相关系数如判断变压器绕组变 西华大学硕士学位论文 形程度的经验依据见表1 2 表1 2 相关系数与变压器绕组变形程度的关系 t a b 1 2t h er e l a t i o nb e t w e x o nc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ta n dt h ed e g r e eo f w i n d i n gd e f o r m a t i o n 不同频段的相关系数r 绕组变形程度 1 k h z 1 0 0 k h zlo k h z 一6 0 0 k h z6 0 0 k h z 一1 瑚z 严重变形 不能投运 如 o 6 明显变形 安排检修 o 6 砧 1 0r 怦d 0 6 轻度变形 加强监视 1 o 砧 2 0o 6 r 腼 1 0尺肼 o 6 未变形 2 o 1 0 o 6 1 4 频率响应法的发展趋势 频响法随广大科研工作者的不断深入研究 使得该方法在诊断技术 参数 辨识等方面不断得到发展和完善 但时至今日绕组变形与否仍没有统一的量化 指标 需要结合试验人员的经验 因此建立一个准确的统一的量化指标是必然 的趋势 频响法在绕组变形检测中的体现出巨大的优越性 因此该方法也越来越广 泛的应用于实际工作中 然而这种方法现在仅仅应用于离线检测中 在在线检 测技术高速发展的今天 将这种优越的方法应用到在线检测中将是频响法的一 个主要趋势 1 5 本课题的主要工作及创新点 在变压器绕组变形诊断技术不断发展的背景下 本文提出利用电流源代替 电压源对变压器绕组行进行频响分析 并做了大量的的研究工作 主要研究内容为 1 对当前国内外所使用的变压器绕组变形检测方法文献进行了大量的搜 8 西华大学硕士学位论文 集 并分析了这些方法的优点和缺点 2 根据电力变压器的结构 对变压器绕组变形机理作了深入的力学分析 并对绕组变形形式进行了总结 3 利用o r c a d 中的p s p i c e 仿真软件 对变压器绕组模型进行了电流源 的频率响应仿真 通过改变模型的电感 电容参数来模拟变压器绕组变形 并 得出一系列频响曲线 总结了各种参数的改变而对频响曲线的响应 4 自制变压器绕组实物模型 搭建电流源法试验平台 通过并联电容 串联电感的方法来改变绕组模型的参数 根据测得的试验数据绘制频响曲线 并与软件仿真得出的频响曲线变化规律进行了对比 5 从理论上研究了变压器绕组传递函数的系统辨识方法一用最d 乘 法拟合变压器绕组传递函数和正交多项式拟合变压器绕组传递函数 并分析了 各自的优缺点 该课题的主要创新点为 1 用高频电流源代替传统的高频电压源 用高压电流互感器将高频电流 引入变压器绕组 同时在绕组的另一端用高压电流互感器将相应的响应电流引 入高通滤波回路 滤去工频和低频电流 然后将所剩的高频电流引入采集仪器绘 制频响曲线 2 提出利用递推最小二乘法拟合变压器绕组传递函数来适应变压器绕组 变形的在线检测 1 6 本章小结 本章简单介绍了本课题的背景 目的和意义 首先分析了我国变压器事故 的现状 由此说明了变压器绕组变形检测的必要性和紧迫性 然后对 国内外 检测变压器绕组变形的技术进行了简要的介绍 并了对比他们的优缺点 之后 着重介绍了频率响应法检测变压器绕组变形的技术在国内外的发展情况 以及 发展趋势 最后对本课题所做的主要工作及其创新点进行了简述 9 西华大学硕士学位论文 2 变压器结构和绕组变形机理 变压器是一种静止的电气设备 它利用电磁感应原理 将一种电压的交流 电能转换成同频率的另一种电压的交流电能 在电力系统中 为了将大功率的 电能输送到远距离的用户区 需采用升压变压器将发电机发出的电压升高以减 少线路损耗 当电能输出到用户地区后 再用降压变压器逐级降到配电电压 供动力设备 照明设备等使用 因此变压器在电力系统中具有重要的作用 变压器可以按用途 绕组数目 相数 冷却方式分别进行分类 按用途分 类为 电力变压器 互感器 特殊用途变压器 按绕组数目分类为 双绕组变 压器 三绕组变压器 自耦变压器 按相数分类为 单相变压器 三相变压器 按冷却方式分类为 以空气为冷却介质的干式变压器 以油为冷却介质的油浸 变压器等 2 6 2 1 电力变压器的结构 变压器的基本结构可以分为 铁心 绕组 油箱 套管 z 引 1 铁心 铁心是变压器的磁路 它分为心柱和铁轭两部分 心柱上套绕组 铁轭将 心柱连接起来构成闭合磁路 为了减少交变磁通在铁心中产生磁滞损耗和涡流 损耗 变压器铁心由厚度为0 2 7 m m 0 3 m m 0 3 5 m m 的冷轧硅钢片叠装而成 如图2 1 为了进一步降低空载电流 空载损耗 铁心叠片采用全斜接缝 上 层 每层2 片 3 片叠片 与下层叠片接缝错开 如图2 2 f i g 2 1 t h es u p e r p o s i t i o np a t c h o f t h es i n g l ep h a s ec o r e 图2 1 单相铁心叠片 1 0 f i g 2 2t h es u p e r p o s i t i o np a t c h o ft h et h e r ep h a s e sc o r e 图2 2 三相铁心叠片 西华大学硕士学位论文 心柱截面是内接于圆的多级矩形 铁轭与心柱截面相等 如图2 3 所示 f i g 2 3t h es e c t i o no f c o r ea n dy o k e 图2 3 铁心和铁轭截面 2 油箱 除了干式变压器以外 电力变压器的器身都放在油箱中 箱内充满变压器 油 其目的是提高绝缘强度 因变压器油绝缘性能比空气好 加强散热 3 套管 变压器的引线从油箱内穿过油箱盖时 必须经过绝缘套管 以使高压引线 和接地的油箱绝缘 绝缘套管一般是瓷质的 为了增加爬电距离 套管外形做 成多级伞形 套管采用充油结构 如图2 4 所示 f i g 2 4 t h e 3 5 k v b u s h i n g 图2 43 5 k v 套管 两华大学硕士学位论文 4 绕组 绕组是变压器的电路部分 它由包有绝缘材料的铜 或铝 导线绕制而成 装配时低压绕组靠着铁心 高压绕组套在低压绕组外面 高低压绕组间设置有 油道 或气道 以加强绝缘和散热 高低压绕组两端到铁轭之间都要衬垫端部 绝缘板 同心式绕组的结构简单 制造方便 所以电力变压器多采用这种方式 交 叠式绕组强度好 引出线布置方便 多用于低压大电流变压器 图2 5 给出了 同心式绕组的示意图f 2 7 1 a 单相变压器 b 三相变压器 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo f c o n c e n t r i cw i n d i n g 图2 5 同心式绕组结构 2 2 变压器绕组二次侧短路分析 2 2 1 短路时的电流情况 当变压器的一次侧接在额定电压电网上 二次侧不经过任何阻抗突然短接 从短路发生到断路器跳闸需要一定时间 在此段时间内 变压器绕组仍需承受 短路电流的冲击 其幅值超过稳态短路电流 很容易损坏变压器 下面分析最简单的情况单相变压器突然短路 采用简化等效电路 如图2 6 所示 1 2 西华大学硕士学位论文 电网电压为 f i g 2 6t h es h o r tc i r c u i to f t r a n s f o r m e r 图2 6 变压器短路电路 l 函 s i n o j t t z 式中 口为t o 发生突然短路时的电压 的初始相角 列出关于电路电流 的常微分方程 冠 厶鲁 u l 皿s i n 耐 仿 v 式中 厶 垒对于漏电抗的漏电感 国 解 3 1 得 7 其中 现s i n a x a 一咴 t c e 瓦 u 是原边电压额定值 2 1 2 2 2 3 2 4 式中 是短路电流的强制分量 是短路电流的暂态分量 式 2 3 中 厶2 嘏为稳态短路电流的有效值 么为 与 的相角差 织 a r e t a n l c 诊r l 在电力变压器中 鼍口r 故唬z 詈 在式 中 互 惫 西华大学硕士学位论文 是暂态分量 的衰减时间常数 c 为待定常数 由 2 2 2 3 2 4 得 也s i n 甜一詈 毋 c 2 通常在突发短路之前 变压器已带上负载 但由于负载电流比短路电流小 得多 可以忽略负载电流 即认为短路前变压器是空载 令 l 酊 0 将此初始条件代入式 2 5 得 c 厄i k c o s z 于是可得到变压器突然短路时的电流为 坜一s 耐 口 扭c o s 口 e 瓦 2 6 上式表明 突然短路电流的大小与t o 电压初始相角口有关 下面分两种情况讨 论 1 口 矧 则 凰s i l l 甜 o i t o 此时暂态分量 0 在t o 时变压器就进入稳态短路 虽然此时电流幅值为 皿 但相对而言 不是最严重的 2 a o i 此时有 也c o s 耐 臧方 也卜一方 与式 2 0 对应的电流变化曲线如图2 7 所示 如图所示 经过半个周期耐 万时 有 t 皿p 卜扭 1 4 2 7 2 8 西华大学硕士学位论文 二互 式中k y 为突然短路电流最大值与稳态短路电流最大值之比 即砖 l p 啤 0 的大小与时间常数瓦有关 变压器容量越大 瓦 厶 r 越大 则砖也越大 蠢 f i g 2 7t h ev a l u eo f s h o r tc u r r e n tw h e n 口 0 图2 7 口 0 时的短路电流 对中小型变压器而言 砖 1 2 1 4 大型变压器砖 1 7 1 8 当对式 2 8 标幺 时 有 蠹l k m a x2 砖每 砖老2 砖毒 2 9 例如一台变压器 砖 1 8 乏 o 0 6 则 一 1 8 面1 丽 3 0 可见这是一个 很大的冲击电流 它将产生很大的电动力 可能将变压器绕组冲垮 2 2 2 短路时绕组的电磁力及绕组变形形式 变压器绕组中的电流与磁场 如图2 8 所示 作用 在绕组各导线上产生 电磁力 其大小f b 玎 由于漏磁感应强度b o ci 故导线上承受的电磁力 f o c1 2 变压器在正常稳态运行时 导线所承受的电磁力很小 当突然短路电 流达额定电流2 0 3 0 倍时 电磁力将达到正常运行时所承受电磁力的4 0 0 9 0 0 倍 由此可见这样巨大的电动力完全可能引起绕组的严重变形 图2 8 描述了一 二侧绕组共同产生的漏磁场分布 漏磁场有轴向分量鼠 和径向分量皿 在半径方向上 轴向漏磁场鼠与外绕组中电流作用产生径向力 西华大学硕士学位论文 c 迫使外绕组由里向外拉伸 同时迫使内绕组压缩 径向漏磁通毋与内绕组 中电流作用产生轴向力e 将绕组向中心压缩 对于电力变压器 轴向漏磁场 较强 径向力f 较大 向罩压缩容易造成绕组变形 径向漏磁场虽然不及轴向 漏磁场强 但由于轴向导线之间的支撑是较薄弱的环节 轴向力也容易变形 绕组所承受的电力里方向由左手定则确定 受力情况如图2 9 所示 f i g 2 8d i s t r i b u t i o no fl e a km a g n e t i cf i e l d 图2 8 漏磁场分布 气 f i g 2 9e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e so nw i n d i n g s 图2 9 绕组承受的电磁力 1 6 厂l仨 哒 l l i 西华大学硕 学位论文 从以上对绕组受力的分析 可知道径向电动力使变压器的内绕组靠近铁心 外绕组靠近外壳 这些变化导致了绕组对地电容的增加 轴向电动力将使整个 绕组受到压缩从而导致绕组纵向电容的增加 当绕组受到的电动力超过了他的机械耐受强度 将会导致绕组发生悠久性 变形 而这种变形存在明显的累积效应 这样的变形对变压器的运行带来严重 的安全隐患 从对变压器绕组变形的研究中 电力工作者总结出了变压器绕组 变形的几种常见形式 见图2 1 0 所示 c 轴向力引岛的永久变形 d 绕纽倪移e 绕鲵中部挎开f 导线变斜g 绕缎倒塌 f i g 2 1 0s o m ef o r m so f w i n d i n gd e f o r m a t i o n 图2 一l o 绕组变形的几种形式 2 3 绕组的参数计算 2 3 1线圈电感的计算n 羽 因为在较高频率下 铁心的影响可以忽略不计 此时线圈可以看成是空心 线圈 其中电感的计算可以根据空心电感的公式进行计算 1 7 移一冒 西华大学硕士学位论文 l k w 2 d 1 0 6 h 2 1 0 式中w 为线圈匝数 d 为线圈的平均直径 k 为电感系数 k f b d 且与6 成反比 为线圈的长度 b 线圈的厚度 从式 2 1 0 可以看出 w d 增加 线圈的电感量增加 j b 增加 线圈 电感量减小 2 3 2 线圈等值电容计算 变压器线圈中 在径向 有线圈与铁心之间的电容 线圈与线圈之间的电 容 线圈与油箱之间的电容 在轴向 有线匝之间的匝间电容 线饼之间的饼 间电容 计算径向电容 应用同轴圆柱电容公式 计算轴向电容 应用平板电 容公式 线圈对铁心和对油箱的电容又叫做线圈对地电容 1 轴向电容的计算 轴向电容有匝间电容和饼间电容两种 分别用e 和c 表示 由平板电容的 计算公式得 e f o e 了p 万一d h 8 8 5 e p 万d h 10 2 矿 2 1 0 a pq p c g 8 8 5 c a g d bx 1 0 2 矿 2 q d 6 仪 式中 咋为匝间绝缘的介电常数和两边的厚度 白 为饼间绝缘的介 电常数和绝缘厚度 h 为导线的净金属高度 d b 为线圈的平均直径和线圈厚 度 轴向电容k 是q 和c g 的线形叠加 2 对地电容 对地电容指线圈的铁心的电容c 州和线圈对油箱的电容c 埘 计算公式分别 如下 1 2 c w f2 著2 害灿淞 p 1 8 西华人学硕士学位论文 三 詈圳姒 2 1 3 凡 式中 e e 为线圈与铁心之间的介电常数 r 为线圈的内半径 足为铁心的外接 圆半径 r 为油箱内壁的等效半径 灭 为线圈的外半径 为线圈与油箱组 合介质的等效介电常数 为线圈高度 当d b 增大或历 减小时 即线圈的平均直径和厚度增大 匝间和饼 间距离减小 线圈的轴向电容增大 2 踟 r 减小或尺一 增大 即内线圈的直径 减小 外线圈的直径和线圈高度增大时 线圈的对地电容会增大 反之亦然 当绕组发生变形时 它的几何尺寸发生变化 导致分布参数的变化 从而 可以通过比较变压器受冲击前后的频率响应曲线可以判断绕组是否变形 2 4 本章小结 本章介绍了变压器的基本结构 然后对绕组在变压器二次侧发生短路时所 流过的短路电流进行了详细的计算分析 并对由次短路电流所引起的电动力进 行了详细的分析 得出了绕组在电动力的作用下的几种常见的变形形式 最后 介绍了绕组电感 电容的参数计算 通过数学表达公式 证明了变形导致变压 器绕组分布参数的变化 1 9 西华大学硕士学位论文 3 频响法检测变压器绕组变形的仿真研究 绕组结构一定时 它的分布参数所决定的频率响应曲线也是确定的 当绕 组发生变形时 由前述 它的分布参数发生变化 因此频率响应曲线也就相应 的发生变化 本章利用软件 p s p i c e 对绕组变形进行频率响应仿真 来说明绕 组变形与频率响应曲线之见的关系 3 1 变压器绕组仿真 3 1 1 仿真软件简介 p s p i c e 是o r c a d 软件系统的电路模拟软件 除可对模拟电路 数字电路 和数 模混合电路进行模拟外 还具有优化设计的功能 p s p i c e 软件的前身是s p i c e 其全称为s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e d c i r c u i te m p h a s i s 最早的s p i c e 软件是美国加州大学伯克莱分校为适应集成电 路c a d 的需要 于1 9 7 2 年推出的 并得到广泛的应用 2 9 1 p s p i c e 的具有丰富的功能 3 0 1 制作实际电路之前 仿真该电路的点性能 如计算直流工作点 b i a s p o i m 进行直流扫描 d cs w e e p 与交流扫描 a cs w e e p 显示检测点的电压 电流波形等 2 估计元器件变化对电路造成的影响 3 分析一些较难测量的电路特性 如进行噪声 n o i s e 频谱 f o u r i e r 器件灵敏度 s e n s i t i v i t y 温度 t e m p e r a t u r e 分析等 4 优化设计 p s p i c e 为我们分析与设计电路提供了强大的计算仿真工具 利用它对电路 信 号与系统进行辅助分析和设计 对电子工程 信息工程和自动控制等领域的工 作人员具有很高的实用价值 3 1 2 变压器绕组频率响应的仿真 由第一章的论述 变压器绕组在较高频率下 绕组的磁导率几乎与空气一样 西华大学硕士学位论文 其影响可以忽略 因此绕组就可以看成是由电阻 很小 可以忽略 电感 电 容组成的线性无源分布参